基于cmos图像传感器的内窥微机电系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于cmos图像传感器的内窥微机电系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

究现状 国内在胶囊内窥镜方面的研究相对国外起步要晚很多。 但在国家相关政策的扶持下，也取得不少的成果。 如重庆金山 公司研制出具有实时摄像功能的胶囊内窥镜；中国科学院合肥智能机械研究所研制了“基于 CMOS 图像传感器的胶囊内窥镜系统”。 重庆大学也进行了定点释放药丸微系统与消化道采样药丸微系统研究。 上海交通大学开展了“人体全消化道微型介入式检查系统”研究，研发了用于检测压力，温度， PH 值的胶囊内窥镜。 目前，国内研究的关键点在于研发专用芯片实现胶囊系统的无线图像传输和微型化。 具备了基本的图像摄取功能和压力等信号检测功能。 也在释药，主动驱动等方面做了不少优异的探索。 本课题研究的意义 对于消化道疾病的检查往往会采用内 窥镜，然而传统的有线内窥镜系统带有引导式插管，不仅会给病人带来较大痛苦，而且系统操作很不方便而且检查部位有限。 传统内窥镜使用插入导管的方式，存在着诸多弊端，例如操作困难；属于有创检测，给病人带来了很大的肉体痛苦；诊察范围有限，仅限于诊断上消化道及大肠的病变，而对小肠疾病的诊断存在很大的盲区。 因此，近十年来，随着微电子技术的发展，无线技术开始应用于内窥镜。 世界各国有不少科研机构在从事人体消化道无创检测设备的研究开发工作，而本文所提到的无线胶囊内窥镜系统就是其中有代表性的设备之一。 胶囊内窥镜在消化道检查方面克 服了传统医用内窥镜的诸多缺点，具有操作简单，检查方便，无创伤，无痛苦，无交叉感染，不影响患者的正常工作等优点，填补了胃镜，肠镜检查的盲区，扩展了医生的消化道检查视野，尤其对人的可疑小肠病变具有很高的诊断 XXXXXX 本科毕业 (设计 )论文：基于 CMOS 图像传感器的内窥微机电系统设计 4 价值，被医学界誉为 21 世纪内窥镜发展的革命与方向。 胶囊内窥镜这一全新技术的出现，标志着消化道内窥镜技术发展史上又一新的里程碑的诞生，是消化道无损伤性诊断的一个革命性的技术创新。 在众多的胶囊内窥镜产品中，又以以色列的 M2A 胶囊内窥镜最具代表性。 该胶囊内窥镜尺寸为 11 24mm，重量不足 4g，有微型照相机， led 闪光灯，天线及两节微型氧化银电池构成。 M2A 可以以每秒两幅照片速度进行拍摄，通常检查过程需要 8 到 12 小时，也就是说，整个检查过程需要拍摄约 6000 幅照片。 这些照片通过胶囊内部的天线发射至外部接收装置。 之后，医生通过软件可将这些照片制成约 20 分钟的视频，并因此分析出异样。 内窥镜在微创手术中有非常重要的应用。 而无线内窥镜作为内窥镜的一种，相对于传统内窥镜更是有无创检测，检查全面和诊断方便的性能优势。 内窥镜的广泛应用，促进了管腔医学的发展。 内窥镜既可以诊断疾病，也可以治疗疾病。 内窥镜的临床诊断具有直观，准确， 快速，经济的优点。 特别是配合超声内窥镜，激光内窥镜及钳取活检 ，大大提高了对疾病的确诊率。 由于起步时间较短，此类设备在技术上尚有很多难题需要解决，以内窥镜为例，如何让其停留在某一指定位置进行拍摄，图像分辨率，功耗，价格等，都是需要解决的问题。 但不管怎样，此类设备的前景是非常光明的。 巨大的市场需求驱使厂家不断推出性能更高且价格更低的产品。 第二章 系统总体方案拟定 5 第二章 系统总体方案拟定 在着手内窥系统的具体设计之前，为使研究工作得以顺利开展，避免不必要的曲折，应该先对系统 的功能需求，总体硬件组成等方面进行拟定，制定一个大体框架。 以后具体设计时，以此框架一步步展开工作。 系统功能要求分析 首先，对本内窥微机电系统最基本的功能要求是能够捕获人体内病变部位的清晰图像。 所以，图像采集模块是必不可少的。 其次，还要将拍摄到的图像传送到体外接收装置，以供医生查看，宜采用无线传输模式。 这是内窥镜系统的两个基本功能。 内窥微机电系统要求能在体内逗留足够长的时间以便搜集到足够的样片，因此，对系统的功耗要求也比较高。 人体内的环境比较幽暗，要能拍到符合要求的样片，对光照要求也不能马虎。 LED 灯发光强度高，功耗也较低，所以采用 LED 照明。 胶囊微机电内窥镜系统按运动方式可分为两种：被动式和主动式。 被动式主要是依靠人体肠道的自身蠕动而带动胶囊内窥镜运动，这种方式的优点是：功耗较低，结构简单，易于设计；主动式内窥镜系统是依靠系统本身的动力，可在人体内实现自主运动。 这种系统设计比较复杂，功耗也较大。 考虑到知识储备等方面的限制，本课题的研究目标是能够做出一个满足基本摄像功能的胶囊内窥镜样品，所以力求系统的结构简单，功能单一，只着重对内窥系统的图像模块进行研究。 因此，本设计采用被动式方案，以简化系统结 构，降低设计难度。 因此，本课题目标定位为：设计一个被动式无线图像传输内窥微机电系统，该系统采用 LED 光源照明。 系统总体硬件组成 根据以上功能分析，确定内窥系统组成部分有： （ 1）图像采集模块 （ 2）无线发射模块 （ 3）电源供电模块 （ 4）照明模块 系统组成框图如下所示： XXXXXX 本科毕业 (设计 )论文：基于 CMOS 图像传感器的内窥微机电系统设计 6 图 内窥系统组成示意图 系统硬件布局 为了将整个模块融入内窥镜胶囊的系统中，需要规划好元器件的位置和线路，尽量缩小体积，减少干扰。 本设计将 LED，图像传感器电路，镜头结合在一个 PCB 板上。 根据内窥镜胶囊的圆柱外形设计，将模块的 PCB 外形图设计成圆形，直径控制在 10mm左右。 在直径为 10mm 的圆形 PCB 板面上尽可能的布置下 OV7930 芯 片的外围电路元件，需要采用双面板结构，且电容和电阻元件都采用较小封装的贴片形式。 在 PCB 的正面放置 CMOS芯片和 LED，而将外围电路元件和输出接口设计在背面，以节省空间，芯片的引脚通过导线引出再由过孔连接至背面。 该 PCB 的设计原则是：尽量减少线路的拐弯，元件摆放方向一致，电源线和底线尽量加粗，减少晶振引线的长度，尽量靠近芯片。 经过反复的比较，初步选择如下的系统布局。 电源 天线镜头C M OS 传感器LED 图 内窥系统硬件布局 由上面布局图可看出，系统主要由 CMOS 传感器，透镜， LED 发光二极管，微型电池，无线图像发射芯片和微型发射天线组成，完成对外部环境彩色图像的采集，将光信号转换图像采集模 块 内窥系统 无 线 传 输模 块 LED 照明模块 电源 第二章 系统总体方案拟定 7 为电信号，通过图像采集发射模块采集，并以无线的发射方式将图像信号发送出去。 整个系统中存在着几个比较关键的技术：合理选择透镜使得能够采集到体内病变部位高分辨率的清晰图像，将采集到的图像数据进行完整和快速的传输。 内窥镜胶囊直径约为 1CM，长度只有 2CM 多，体积很小，却要 将成像元件，图像传感器，射频发射模块，天线以及芯片外围电路和机械结构集成在其内部，因此要严格的限制各个功能模块的尺寸。 尺寸的限制使得系统的设计必须以尽量简单的光路，电路和机械结构完成必要的功能。 所说的简单不是一味的追求简单，而是在能够实现所期望的系统功能的前提下，在系统的性能和系统尺寸，功耗等指标指间达成一个最佳的方案。 简单的光路可以减少光能损耗从而降低对照明系统的光强要求；简单的电路可以降低功耗，简单的机械结构则意味一定程度的降低制造工艺要求。 遵循简单这样一个原则，对胶囊内窥镜的设计具有很大的意义。 XXXXXX 本科毕业 (设计 )论文：基于 CMOS 图像传感器的内窥微机电系统设计 8 第三章 图像采集模块设计 如前所述，图像采集模块部分是本课题设计的核心，因此，对于各方面的考虑都不能马虎。 下面，对图像采集部分进行分析。 图像传感器选型 目前，图像传感器只要分为两种类型： CCD 型和 CMOS 型。 这两种传感器在结构方面有很大不同，原理基本相同。 为了选出合适的图像传感器，有必要从它们的原理，分类等展开介绍，最后比较选出最佳的传感器。 下面，逐一分 析这两种传感器的特点。 CCD 图像传感器 ＊ CCD 传感器原理结构 CCD 是电荷耦合组件（ Charge Coupled Device）的简称，它内部的半导体材料能把光线转变成电荷，转换成数字信号压缩以后保存起来就变成我们存储卡中的照片了，中间的过程非常复杂，在这里不再详解，下面是原理简图。 CCD 光信息 电脉冲 脉冲只反映一个光敏元的受光情况 脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱 脉冲输出的顺序可以反映一个光敏元的位置 完成图像传感 图 电荷耦合组件工作原理 简单点来说， CCD 基本工作原理分为四个阶段：（ 1）信号电荷的产生；（ 2）信号电荷的存储；（ 3）信号电荷的传输；（ 4）信号电荷的检 测。 CCD 基本结构分为以下两部分： （ 1） MOS（金属 — 氧化物 — 半导体）光敏元阵列：电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵 或 第三章 图像采集模块设 计 9 面阵有规则地排列。 （ 2）读出移位寄存器。 CCD 是由规则排列的金属 — 氧化物 — 半导体（ Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。 CCD 就像传统相机的底片一样的感光系统，是感应光线的电路装置，可以将它想象成一颗颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方，当光线与图像从镜头透过、投射 到 CCD 表面产生电流，将感应到的内容转换成数码资料储存起来。 CCD 像素数目越多、单一像素尺寸越大，收集到的图像就会越清晰。 ＊ CCD 传感器的分类 CCD 器件分为线阵 CCD 和面阵 CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道 CCD、双沟道 CCD、帧转移结构 CCD、行间转移结构 CCD CCD传感器 线阵 CCD 传感器是由一列 MOS 光敏元和一列移位寄存器并行构成。 光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅， 1024 位线阵，由 1024 个光敏元 1024 个读出移。