摘 要：介绍了一种数字式无线内窥镜的系统方案及其胶囊内关键数模混合专用芯片的结构与功能，提出并实现了用于该数模混合专用芯片的FPGA验证系统及验证流程。为了进行芯片系统级低功耗设计，验证系统完成了体内硬件部分的能量测试。
关键词：无线内窥镜；数模混合专用芯片；FPGA验证系统；能量测试
中图分类号：TN407文献标识码：A文章编号：1003-353X(2005)09-0046-04
1 引言
医用内窥镜是用来检查消化道疾病的一种医疗器械。传统医用内窥镜使用光纤或电缆插入人体体腔内拍摄病征图像以供医生诊断。这样给病人带来很大的不适，对消化道的诊断存在着盲区，并有可能产生消化道伤损等并发症。无线内窥镜的出现[1]则克服了以上的缺点，给消化道疾病的诊断带来了便利。病人在吞服了胶囊状的无线内窥镜后，内窥镜采集体内消化道的图像，并把图像数据以无线的方式发送至体外，医生从图像中排查病征。
本文的数字式无线双向内窥镜系统[2,3]主要由体内内窥镜胶囊和体外无线数据收发器两大部分组成，如图1所示。体外的无线数据收发器通过USB口与PC相连，操作人员通过PC发出控制命令，控制命令以无线的方式传至体内，体内内窥镜胶囊接收到控制命令后开始采集图像或其他相应的操作。采集到的图像数据由体内数模混合集成电路处理后发送至体外的PC保存并显示。
2 数模混合专用芯片的结构及功能
在无线内窥镜系统中，体内内窥镜胶囊部分由数模混合专用芯片、图像传感器、LED、电池和微小天线组成。数模混合专用芯片的电路结构[4]如图2虚框内所示。其中数字基带部分完成图像采集处理功能和无线通信的控制功能；模拟部分完成射频收发的功能。
在系统工作时，专用芯片控制CMOS图像传感器与LED闪光灯采集图像，并将采集到的图像数据缓存在SRAM中；然后由无损图像压缩模块进行图像压缩，压缩后的数据经并串转换后进入信道编码模块进行分组编码后生成码流；最后由无线收发器以ASK的调制方式将数据发送至体外。
体内的图像数据发送完毕后，无线收发器将接收体外的控制命令数据。控制命令数据经信道解码和串并转换合成控制命令传给控制单元。控制单元再根据所接收到的控制命令对系统进行相应的操作。
当系统接收到体外的休眠命令或是在一定时间内无法接收到体外的控制命令时，能量管理模块将发出控制信号，通过控制单元使系统处于休眠状态，关闭不需要工作模块的时钟信号以节省功耗。
低功耗的数模混合专用芯片的设计是整个系统的关键。芯片数字部分的各项功能验证需要软硬件协同配合，同时也要考虑在无线通讯的一些随机参数对系统的影响。在芯片系统级低功耗设计时，还需要芯片的工作参数（如工作电流）作为设计参考。基于以上的考虑，建立一个与最终实用系统相类似的测试验证环境是最理想和最可靠的方法，因此我们为专用芯片设计了由软硬件组成的完整的FPGA验证平台。该平台不仅可以完成芯片设计不同阶段的验证工作，也可以完成系统级低功耗设计所需的能量测试，而且只要经过简单修改就可完成芯片的测试工作。
3 验证系统结构
无线内窥镜测试系统，由软件部分、体外硬件部分和体内硬件部分组成，见图3。其中软件部分是用VC编写的PC上的应用程序。它可以完成发送控制命令和接收显示图像的两部分功能。发送的控制命令可以完成对测试系统硬件部分的控制，同时可以从USB口接收图像数据并进行解压缩及插值处理，然后转换为bmp格式的图像显示并保存。
硬件系统由体外和体内两部分组成，见图4。体外的硬件系统由四个部分组成：Xilinx公司的xc2v1000FPGA，89C51MCU，Cypress公司的SL811HSUSB1.1控制器和XEMICS公司的XE1201射频收发器（或专用射频收发器）。其中FPGA负责射频收发器的数据传输控制和信道编解码，MCU负责控制USB控制器与PC的通信。
体内胶囊的硬件验证系统使用了Omvision公司的CMOS图像传感器OV7648，Xilinx公司的xc2v1000FPGA，XEMICS公司的XE1201射频收发器（或专用射频收发器）。
4 芯片验证流程
验证系统考虑了在不同设计阶段的验证要求，允许系统以不同的配置工作，以覆盖对设计流程中数字和模拟部分所有功能的验证。根据无线内窥镜系统的设计流程可将其验证工作分为两步。
4.1 数字基带的验证
数字基带主要有两大功能，图像处理功能和无线通讯控制功能。验证系统以两种不同的配置来实现对两种功能的验证。
图像处理功能包括了硬件和软件的图像处理。在验证时，测试系统抛开了射频收发器，用硬连线直接连接体内体外两块FPGA进行基带通信调试，如图3中①所示。这样避免了未验证的无线通信功能中的不确定因素可能对图像数据造成的影响。
在验证无线通讯控制功能时，系统使用了商用的射频收发器XE1201，如图3中②所示。由于XE1201与我们设计的专用射频收发器具有类似的控制接口，因此适用于XE1201的无线收发器也可以适用于专用的射频收发器。
4.2 射频收发器的无线通信测试
专用芯片所将要集成的射频收发机在2.4G的频带上使用ASK的调制方式，传输数据率可达1Mbps。在验证时，专用射频收发器尚未流片，故使用商用的射频收发器进行测试。由于所选的商用射频收发器的控制接口与专用射频收发器相类似，故验证的结果可以适用于专用射频收发器。
在通过商用射频收发器通信的测试以后，FPGA内各数字模块的功能得到了完整的验证，确保了数字基带的正确性。这样，在确保数字基带功能正确的前提下测试专用射频收发器，可以保证测试结果的准确性。
5 基于验证系统的能量测试
数模混合专用芯片最终将以电池供电的方式进行工作，因此芯片的功耗直接决定了系统的寿命。为了降低芯片的功耗，芯片在系统级设计上完成了基于电池特性优化的模块间协调工作方式。在电池动力系统中，平稳的低放电电流有助于增加电池的可用时间，而间隔性的高放电电流会使电池容量下降[5]。因此，如果我们能协调各模块的工作方式，避免多个模块同时工作，就有可能避免短时的高放电电流，使整个系统的工作电流趋于平稳，从而提高电池的寿命，延长系统的工作时间。
为了测量芯片各状态的瞬时工作电流，我们设计了如图5的测量方案。方案在体内硬件系统的电源和地之间插入3.3Ω的取样电阻，取样电阻将系统的工作电流转换为电压值送入Agilent54622D示波器。一旦系统输出有效的触发信号，示波器便开始采集电压波形，并通过串口将电压值送入PC进行记录和显示。在芯片流片之前，测量方案完成了基于FPGA的能量测量。虽然对FPGA的测量无法反映实际芯片的工作电流的量级，但却可以等比例地反映系统工作电流的情况，这对于系统级低功耗设计具有重要的指导意义。
图6中显示了系统对无线收发器和图像传感器进行能量优化后的部分电压波形。可以看到，通过调整各模块的工作时间，优化后的电压波形变化的幅度相对于优化前趋于平坦。对无线收发器的优化使得相关的电压跳变减小了约73％，对图像传感器的优化使相关的电压跳变基本消失。
但是由于系统功能时序的要求，各模块的工作时间并不能任意地变化，只能在一定的范围内调整。因此，这种方法只能在一定限度内使工作电流平稳，一些短时的电流尖峰仍不可避免，如图中闪光灯曝光时产生的电流尖峰。
6 结语
本文介绍了一种数字式无线内窥镜的系统方案，设计并实现了一种软硬件结合的FPGA验证系统。基于该验证系统完成了体内硬件部分的能量测试，为芯片的系统级低功耗设计提供了参数。 |
