来源:  电子产品世界     作者：李刚 高峰 林凌 天津大学－ADI联合实验室(天津300072)

摘要：鉴于目前常用的基于计算机的并行频域OCT图像预处理系统速度慢、体积庞大等缺陷，设计了基于ADSP-BF561的图像处理硬件平台。该平台包括了ADSP-BF561最小系统、视频采集解码电路、视频编码显示电路等部分。实验表明：该平台提高了图像处理速度，并且实现了系统的小型化。

关键词：并行频域OCT；ADSP-BF561；硬件平台

引言

　　光学相干层析成像(OCT)是一种迅速发展的无损伤、高分辨率医学层析成像技术[1-2]。新近发展起来的并行频域OCT(PSDOCT)无需轴向和横向扫描即可得到样品一行深度信息的层析图像，已成为实时OCT成像发展的趋势[3-4]。并行频域OCT图像预处理系统结构如图1所示，系统由光学系统和图像处理系统两部分组成，原理如下：从宽带光源发出的光经分光棱镜分束后分别照射到样品和参考镜(反射镜)上。柱面镜1将其子午面M内样品反射回来的光聚焦为平行于柱面镜母线的一条直线，与参考镜反射回来的参考光发生干涉，经光栅分光及柱面镜2聚焦后通过图像采集电路进行图像采集。由于样品反射回来的光信号被样品的反射系数所调制，通过图像处理系统对输出的频域图像进行逐行IFFT(快速傅里叶逆变换)、幅度谱计算并进行直流项移位即可得到位于柱面镜1子午面内样品的二维层析图像。并输出在显示器上显示。

图1  并行频域OCT图像预处理系统

　　目前大多数OCT图像处理系统由摄像机、图像采集卡及计算机组成。用摄像机和图像采集卡完成图像采集功能，图像处理则是由软件在计算机中完成[5-6]。由于计算机体积庞大,并且是任务分时处理系统，运行过程中的其他任务可能影响OCT成像的速度，而且下位机与计算机之间的通讯速度慢，所以目前还无法满足并行频域OCT成像系统便携化、快速处理的需求。鉴于此，本文设计了以ADI公司双核定点DSP — ADSP-BF561[7-8]为核心，结合视频解码和编码技术的并行频域OCT图像预处理系统硬件平台。

ADSP-BF561

　　ADSP-BF561(下面简称BF561)是ADI公司和Intel 公司合作推出的基于微信号体系结构技术的定点DSP，整合了传统体系结构DSP和RISC控制器的优点。该器件采用改进的哈佛结构以及多级流水线结构。其核心由两枚独立且对称的600 MHz高性能Blackfin处理器组成。

硬件设计

　　本方案利用BF561的特点，设计出并行频域OCT图像预处理系统的硬件平台(见图2)。该平台包括了ADSP-BF561最小系统、视频采集解码电路、视频编码显示电路等部分。

图2  系统硬件结构

　　ADSP-BF561最小系统

　　ADSP-BF561最小系统由ADSP-BF561、电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG接口电路、SDRAM、FLASH等部分组成。

　　·供电电源
　　系统为三电压供电，包括：1.2V的内核电压，3.3V的I/O电压和ADV7183的电压，3V的ADV7179电压。采用TPS75003 DC-DC控制器实现分别提供1.2V、3.3V 、3V电源供应。

　　·系统时钟
　　BF561时钟信号既可以由内部放大器与外接晶体或陶瓷谐振器构成的振荡器提供，也可以直接采用外部时钟输入。

　　·复位电路
　　系统复位电路采用简单的RC充、放电电路。

　　·JTAG接口电路
　　BF561提供了一个IEEE 1149.1 J TAG 测试访问接口。通过此接口可以实现在线仿真、程序下载等操作，并且可以设置断点，观察变量和寄存器，系统采用14针接口的标准。

　　·SDRAM电路
　　由于视频数据信息量很大，而ADSP-BF561内部存储器容量有限，所以系统需要外扩SDRAM作为视频数据的缓存器。BF561具有的兼容PC133的SDRAM控制器可以通过编程与多达4个BANK的SDRAM连接，每个BANK的容量最多可达128MB。本系统选用两片16位32MB容量的SDRAM—HY57V561620扩展为一片32位的64MB容量SDRAM，用以灵活实现系统16位或32位的数据读写要求。将其接在BF561同步存储空间的BANK0上，地址范围为0x00000000～0x4000000。BF561与SDRAM的硬件连接如图3所示。

图3  BF561与SDRAM的接口电路

　　·FLASH电路
　　BF561具有4种外部存储器的自主引导方式，如表1所示。本系统选用第二种方式，从16位FLASH进行自主引导。BF561 具有的异步存储控制器可以通过编程与多达4个BANK的FLASH连接，每个BANK的容量最多可达64MB。FLASH选择1MB容量的AM29LV800D。设定在BF561异步存储空间的BANK0上，地址范围为0x20000000～0x20100000。

表1 引导模式设定

　　视频采集解码电路

　　视频采集解码电路包括摄像机和视频解码电路。摄像机选用敏通公司的MTV-13V5H黑白摄像机，具有44万有效像素，光谱响应范围为500nm~1100nm，PAL制式视频输出，速度为25fps。

　　视频解码芯片选用集成了10位ADC的增强型视频解码器ADV7183，它能够将摄像机输出的PAL制模拟视频基带信号转换成16位 ITU-R 656的YUV型4:2:2视频数据，实现对输入模拟视频信号的亮度色度分离、采样。BF561与ADV7183的接口电路如图4所示：BF561将ADV7183输出的8位亮度信息通过PPI0口输入。PF0口与PF1口分别为I2C接口的串行时钟和串行数据接口。PF2口与PF13口分别为控制使能和重置ADV7183的端口，PPI1 SYNC1口与PPI1 SYNC2口分别为YUV像素数据的行同步信号和垂直同步信号的输入端口。

图4  BF561与ADV7183的接口电路

　　视频编码显示电路

　　视频编码显示电路由视频编码芯片和显示器组成。视频编码芯片选用集成了10位高品质视频DAC的ADV7179，它可将兼容ITU-656标准的8/16位YCrCb型4:2:2数字视频数据转换成兼容国际标准的NTSC、PAL等制式的模拟视频信号。本系统选用DAC_B作为输出口，将BF561输出的经过处理的8位灰度信号转化为PAL制式视频信号输出至显示器上显示。BF561与ADV7179的接口电路如图5所示：PPI1口为8位灰度信息输出口，PF0口与PF1口分别为IC接口的串行时钟和串行数据端口。PF14口为控制重置ADV7179的端口。PPI0 SYNC1控制YUV像素数据的行同步信号，PPI0 SYNC1控制YUV像素数据的垂直同步信号。

图5  BF561与ADSP7179的接口电路

视频输入同步控制

　　系统视频输入同步的控制通过BF561查询PPI口状态寄存器的FT_ERR位实现，从而省略了BF561对摄像机的控制电路。FT_ERR位为ITU-R656视频轨迹错误标志位，根据PPI0口输入视频信号中的控制字判断是否同步而进行清零或置位。图6所示为ITU-R656 视频数据输入的三种模式：① 整场模式：包括活动视频、控制字节序列和辅助数据；② 活动视频模式：只包含活动视频信号信息；③ VBI模式：只包括控制字节序列和辅助数据。其中①与③输入模式影响FT_ERR标志位，可用于视频输入同步的判断。

① 整场模式                     ②活动视频模式                    ③VBI模式

图6   ITU-R656 视频数据的三种输入模式

　　系统开始以VBI模式输入用于BF561与摄像机同步的判断及调整，当实现视频同步后通过活动视频模式输入系统需要的视频信息。初始化程序如下：

　　InitVBI_PPI0();  //VBI模式输入初始化
　　Enable_PPI0();  // PPI0口输入允许
　　if (*pPPI0_STATUS & FT_ERR)         //
  判断帧轨迹错误
　　{*pPPI0_STATUS &= ~FT_ERR;        //
  清帧轨迹错误标志
　　Disable_PPI0();         // PPI0口输入禁止
　　InitVBI _PPI0();  //VBI模式输入初始化
　　Enable_PPI0();     // PPI0口输入允许
 }
　　Disable_PPI0();     //PPI0口输入禁止
　　Init_PPI0();          //活动视频模式输入
          初始化
　　Enable_PPI0();      // PPI0口输入允许

结语

　　本文设计了基于ADSP-BF561的并行频域OCT图像预处理系统硬件平台。对通过该硬件平台开发出的并行频域OCT图像预处理系统进行实验，处理一帧图像的时间约为9 ms，而同样的图像在CPU为Inter 2.4GHz的计算机上进行处理需要时间为43ms，故该系统提高了处理速度。而且图像分辨率与精度都满足设计要求，且实现了系统的小型化。证明该方案可行，是对并行频域OCT成像理想的硬件平台。

参考文献:

　　1.  Tomlins P H, Wang R K Theory, Developments and applications of optical coherence tomography [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2005,38 (15) :2519 - 2535 .
　　2.  吴开杰、李刚，OCT系统对单层散射组织的有效探测深度，天津大学学报,2005,38(8):706-710.
　　3.  李刚、任钊、吴开杰等，Parallel spectral-domain optical coherence tomography for non-scattering object imaging，天津大学学报(英),2007, 13(2), 107-112.
　　4.  李刚、任钊、林凌等，高速线扫描OCT的可行性与光学成像特性的研究，中国生物医学工程学报,2007,26(1):89-93.
　　5.  马振鹤、王瑞康、张帆等，快速高分辨率的频谱光学相干层析成像系统研究，纳米技术与精密工程，2005,3(3):232-235.
　　6.  郑羽、李刚、任钊等，基于全量程的复谱频域OCT系统，天津大学学报，2006,10(19):1247-1251.
　　7.  ADSP-BF561 Blackfin Processor Hardware Reference，AD Inc.,2007.
　　8.  陈峰，Blackfin系列DSP原理与系统设计，电子工业出版社，2004