本文關(guān)鍵詞：基于FPGA硬件JPEG壓縮器的無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

  更多相關(guān)文章： 無線膠囊內(nèi)窺鏡 便攜式接收器 JPEG壓縮算法 FPGA 無線供能

【摘要】：隨著消化道疾病逐漸成為困擾人們健康的一大主要原因,消化道疾病的檢測技術(shù)也隨之快速發(fā)展。無線膠囊內(nèi)窺鏡克服了傳統(tǒng)探頭內(nèi)窺鏡檢測過程及其痛苦、存在創(chuàng)傷等弊病,成為消化道疾病的檢測和治療的發(fā)展趨勢。自2000年Given Image公司推出全球第一款無線膠囊內(nèi)窺鏡,無線膠囊內(nèi)窺鏡在姿態(tài)控制、膠囊定位、能量供給、圖像采集等各方面都有很大的發(fā)展。但無線內(nèi)窺鏡應(yīng)用于消化道疾病診斷和治療還需要進(jìn)一步提高其功能性和性能。本文依托于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.31271069)、國家自然科學(xué)基金青年基金(No.30800235)和上海交通大學(xué)醫(yī)工(理)交叉基金(No.YG2013MS24),針對無線膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集和能量供給兩個(gè)方面進(jìn)行了深入研究,研制出一種基于FPGA硬件JPEG壓縮器的無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)原型樣機(jī)。該系統(tǒng)一方面通過采用體外無線供能的方式,消除現(xiàn)有無線膠囊內(nèi)窺鏡工作時(shí)間短的缺陷,另一方面通過FPGA內(nèi)部集成硬件JPEG壓縮器,提高了無線膠囊內(nèi)窺鏡的圖像采集幀率,能夠達(dá)到8~10幀的采集幀率。理論上可用于消化道連續(xù)視頻采集,為研制診療膠囊系統(tǒng)提供了可靠試驗(yàn)平臺。論文從以下幾個(gè)方面對無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進(jìn)行了闡述:首先針對整個(gè)系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)如圖像采集、無線傳輸和能量供給等進(jìn)行理論分析,提出合理的設(shè)計(jì)方案。其次根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),從硬件和軟件方面詳細(xì)介紹無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。硬件部分設(shè)計(jì)要包括體內(nèi)圖像膠囊和便攜式接收器的設(shè)計(jì)以及無線供能的實(shí)現(xiàn)。按照功能模塊進(jìn)行劃分,具體介紹了CMOS圖像采集模塊、NRF無線傳輸模塊、SD卡存儲模塊、FT245_USB傳輸模塊和無線供能模塊等主要模塊。軟件部分從三大部分體內(nèi)圖像膠囊控制系統(tǒng)、便攜式接收器軟件系統(tǒng)和PC端MFC應(yīng)用軟件進(jìn)行介紹。并具體介紹了系統(tǒng)內(nèi)部模塊實(shí)現(xiàn)和控制流程。針對無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵算法:基于FPGA的JPEG壓縮算法,本文從算法原理和FPGA實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。算法具體涉及了二維離散余弦變換器、頻率量化器、游程編碼器、變長編碼器、哈弗曼編碼器等子模塊。最后對系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測試,開展了三個(gè)實(shí)驗(yàn):無線供能實(shí)驗(yàn)、JPEG壓縮驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和圖像采集實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn),無線供能模塊最大能夠?qū)崿F(xiàn)1000mw的能量供給,JPEG壓縮器最大能夠?qū)崿F(xiàn)95%的壓縮比,整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)8~10fps的圖像采集幀率。
【關(guān)鍵詞】：無線膠囊內(nèi)窺鏡 便攜式接收器 JPEG壓縮算法 FPGA 無線供能
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH776.1;TN791
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 課題研究背景與意義12-14
• 1.2 無線膠囊內(nèi)窺鏡的研究現(xiàn)狀14-18
• 1.2.1 無線膠囊內(nèi)窺鏡的主動(dòng)控制技術(shù)14-16
• 1.2.2 無線膠囊內(nèi)窺鏡的供能研究16-17
• 1.2.3 無線膠囊內(nèi)窺鏡的定位技術(shù)研究17
• 1.2.4 提高無線膠囊內(nèi)窺鏡成像質(zhì)量的研究17-18
• 1.3 課題主要研究內(nèi)容18
• 1.4 本文結(jié)構(gòu)18-20
• 第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)20-27
• 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)20
• 2.2 圖像采集方案20-21
• 2.3 數(shù)字圖像壓縮解決方案21-23
• 2.4 無線通信方案23-24
• 2.5 系統(tǒng)能量供給方案設(shè)計(jì)24-25
• 2.6 低功耗方案25-26
• 2.7 微型化方案26-27
• 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)27-40
• 3.1 體內(nèi)圖像膠囊硬件設(shè)計(jì)27-32
• 3.1.1 FPGA核心控制模塊設(shè)計(jì)27-28
• 3.1.2 CMOS圖像采集模塊28-30
• 3.1.3 NRF無線傳輸模塊30-31
• 3.1.4 電源管理模塊31-32
• 3.2 便攜式圖像接收器硬件設(shè)計(jì)32-36
• 3.2.1 STM32核心控制模塊32-33
• 3.2.2 SD卡存儲模塊33-34
• 3.2.3 LCD觸屏顯示控制模塊34
• 3.2.4 FT245_USB傳輸模塊34-35
• 3.2.5 電源管理模塊35-36
• 3.3 無線供能模塊設(shè)計(jì)36-39
• 3.3.1 無線供能模原理概述36-38
• 3.3.2 無線供能模塊電路設(shè)計(jì)38-39
• 3.4 本章小結(jié)39-40
• 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)40-53
• 4.1 軟件總體設(shè)計(jì)40-41
• 4.2 圖像膠囊內(nèi)部軟件模塊41-45
• 4.2.1 CMOS圖像采集控制器42-43
• 4.2.2 NRF無線收發(fā)控制器43-45
• 4.3 便攜式接收器軟件模塊45-49
• 4.3.1 ucos-ii操作系統(tǒng)46
• 4.3.2 FATFS文件系統(tǒng)及其移植46-47
• 4.3.3 用戶任務(wù)設(shè)計(jì)47-49
• 4.4 基于MFC的應(yīng)用軟件49-52
• 4.4.1 VS2010與MFC49-50
• 4.4.2 FT245_USB數(shù)據(jù)讀寫50
• 4.4.3 ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲50-52
• 4.4.4 應(yīng)用程序操作流程52
• 4.5 本章小結(jié)52-53
• 第五章 基于FPGA的JPEG壓縮算法硬件實(shí)現(xiàn)53-71
• 5.1 JPEG壓縮算法描述53-62
• 5.1.1 算法總體結(jié)構(gòu)53-54
• 5.1.2 圖像預(yù)處理54-55
• 5.1.3 二維離散余弦變化55-57
• 5.1.4 頻率量化57-58
• 5.1.5 差分編碼58
• 5.1.6 游程編碼58-59
• 5.1.7 變長編碼59-60
• 5.1.8 哈弗曼編碼60-62
• 5.2 JPEG算法在FPGA中實(shí)現(xiàn)62-70
• 5.2.1 輸入預(yù)處理器62-65
• 5.2.2 JEPG壓縮核65-68
• 5.2.3 輸出控制器68
• 5.2.4 復(fù)位控制器68-69
• 5.2.5 邏輯綜合69-70
• 5.3 本章小結(jié)70-71
• 第六章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試71-77
• 6.1 JPEG壓縮算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)71-74
• 6.1.1 壓縮算法評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)71-72
• 6.1.2 壓縮實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析72-74
• 6.2 圖像采集實(shí)驗(yàn)74-75
• 6.3 無線供能模塊驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)75-77
• 第七章 總結(jié)與展望77-79
• 7.1 系統(tǒng)工作總結(jié)77-78
• 7.2 工作展望78-79
• 參考文獻(xiàn)79-86
• 致謝86-87
• 攻讀碩士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文87-88
• 攻讀碩士學(xué)位期間申請專利88-89
• 攻讀碩士學(xué)位期間科技競賽獲獎(jiǎng)89-90
• 附件90

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