一種基于CIS的診斷試劑盒成像系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：試劑盒在醫(yī)療診斷中廣泛使用，現(xiàn)給出一種基于CIS接觸式圖像傳感器的試劑盒成像檢測系統(tǒng)，圖像傳感器獲取的圖像數(shù)據(jù)信息通過USB傳輸?shù)接嬎銠C顯示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，獲取的圖像清晰完整。

關(guān)鍵詞：CIS圖像傳感器;STM32F429;試劑盒;USB

0? ? 引言

當(dāng)前試劑盒的圖像采集、識別和應(yīng)用裝置主要采用CCD或CMOS圖像傳感器作為信息獲取方式，這種方式采集精度高，但傳感器的光源控制、調(diào)試和鏡頭等空間結(jié)構(gòu)設(shè)計相對復(fù)雜。

本文綜合了CCD或CMOS試劑盒圖像檢測裝置的優(yōu)缺點，給出了一種基于CIS（Contact Image Sensor，接觸式圖像傳感器）的試劑盒成像檢測系統(tǒng)，其具有靈敏度高、裝置制作簡單的優(yōu)點，并制作了樣機。

CIS是近年來在線陣CCD和CMOS技術(shù)之后發(fā)展起來的新型圖像采集傳感器，在結(jié)構(gòu)上，CIS將柱狀透鏡、LED陣列光源、感光元件陣列與信號放大電路集成到一起，LED光源發(fā)出的光線經(jīng)被掃描物反射后，通過柱狀透鏡投射聚焦于感光元件陣列，通過感光元件陣列將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后將信號由放大電路進行放大輸出，經(jīng)后端處理后直接形成掃描對象的圖像。

1? ? CIS成像檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成

如圖1所示，CIS的生物芯片成像檢測系統(tǒng)主要包括CIS圖像傳感器、CIS輸出信號處理與轉(zhuǎn)換、主控CPU處理器、USB數(shù)據(jù)傳輸和PC圖像數(shù)據(jù)顯示幾部分。

CIS傳感器在運動控制機構(gòu)的輔助下，完成生物芯片的圖像采集，經(jīng)過信號處理完成模擬圖像信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，然后輸入到主控CPU處理器，進行圖像處理，最后通過USB接口將圖像信號輸出到計算機進行顯示，可以直接顯示原始的數(shù)據(jù)，也可進一步對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理。

1.1? ? CIS圖像傳感器

CIS圖像傳感器（圖2）負(fù)責(zé)將光學(xué)物理圖像投影到傳感器鏡頭焦平面上，同時將圖像傳感器接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電平信號。當(dāng)前工業(yè)級的CIS圖像傳感器主要生產(chǎn)商為日本三菱和德國Tichawa公司等，國產(chǎn)CIS近年來也得到快速發(fā)展，國產(chǎn)替代進口已成為一種趨勢。

本系統(tǒng)采用國產(chǎn)CIS圖像傳感器，分辨率為200 DPI，總像素為672 Pixels。

1.2? ? 運動及控制

系統(tǒng)采用電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而移動CIS圖像傳感器完成圖像采集。

1.3? ? 信號處理及轉(zhuǎn)換

本部分通過HOLTEK公司的16-Bit CCD/CIS模擬信號處理器芯片HT82V38實現(xiàn)模擬信號的處理，同時完成數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，輸出8位數(shù)字信號。芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.4? ? 主控處理器

系統(tǒng)采用STM32F429IG作為主控處理器對圖像信號進行處理，1 Mb Flash，256 kb RAM;外擴32 Mb SDRAM，用于暫存CIS采集到的JPEG圖像信息。

通過STM32F429控制DCMI接收經(jīng)過HT82V38轉(zhuǎn)換的CIS圖像傳感器采集的圖像，再由DMA將圖像發(fā)送到外部SDRAM存儲。STM32F429的DCMI接口框圖如圖4所示，DCMI_D數(shù)據(jù)線的數(shù)量可選8、10、12或14位，各個同步信號的有效極性都可編程控制，本設(shè)計數(shù)據(jù)線設(shè)置為8位。

1.5? ? 計算機接口

主控器STM32F429將JPEG數(shù)據(jù)通過USB接口傳送到計算機，計算機可以直接顯示JPEG圖像數(shù)據(jù)，也可對圖形進行進一步的分析處理。USB接口芯片采用SMSC公司的USB3300，是一款工業(yè)級的高速物理層USB收發(fā)器。USB3300的封裝原理如圖5所示。USB3300在結(jié)構(gòu)上是一款基于ULPI協(xié)議的芯片，物理上可直接外接標(biāo)準(zhǔn)或MINI接口的USB連接器，其功能模塊如圖6所示。

2? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括圖像采集、處理與存儲、傳輸及顯示等幾部分。CIS圖像傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過主控器STM32F429分析和處理后，通過USB接口傳輸?shù)絇C端，PC機上的應(yīng)用軟件將圖像顯示出來。本文重點介紹圖像采集處理和圖像顯示部分的軟件實現(xiàn)。

2.1? ? 圖像采集與處理

軟件編程流程為：

（1）系統(tǒng)初始化，包括初始化DCMI時鐘、I2C時鐘、DCMI工作模式、DMA等，用于搬運DCMI的數(shù)據(jù)到SDRAM存儲及USB傳輸，USB接口初始化為USB OTG HS;

（2）使用I2C接口控制CIS圖像傳感器的運動機構(gòu)和觸發(fā)機構(gòu)，完成圖像采集;

（3）DCMI接口配置為幀中斷，獲得一幀完整的圖像數(shù)據(jù)后，中斷觸發(fā)，進入DCMI的中斷服務(wù)函數(shù)，將進行USB圖像傳輸。

系統(tǒng)軟件流程圖及軟件重要函數(shù)如圖7所示。

2.2? ? 圖像顯示

這部分軟件為PC機端的應(yīng)用軟件，將通過USB接口接收到的圖像數(shù)據(jù)顯示出來。圖像顯示的PC端軟件界面如圖8所示。

3? ? 實驗

將裝置通過USB線纜和計算機連接，把制備好的試劑盒放到CIS的下方，給裝置供電。實驗樣機如圖9所示。

打開計算機端的應(yīng)用軟件，點擊圖像采集按鈕，開始圖像采集，采集完點擊圖像保存，將采集到的圖像保存到硬盤。采集圖像如圖10所示。

4? ? 結(jié)語

醫(yī)療診斷試劑盒對疾病診療有重要作用。本裝置采用CIS圖像傳感器對檢測試劑盒進行圖像采集，系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，獲得了清晰完整的圖像。

本裝置可以進一步擴展無線模塊以及計算機端的成像數(shù)據(jù)處理分析模塊，是集數(shù)據(jù)采集、處理及分析自動化于一體的智能檢測系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)上，既可以發(fā)展成便攜式圖像采集裝置，也可擴展成多試劑盒檢測的自動化檢測裝置，獲取的數(shù)據(jù)可以作為健康大數(shù)據(jù)的一部分，服務(wù)國家的全民健康戰(zhàn)略。

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收稿日期：2020-05-08

作者簡介：王愛佳（1973—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、弱信號處理、圖形圖像顯示。