一種基于CIS的診斷試劑盒成像系統的設計與實現

摘要：試劑盒在醫療診斷中廣泛使用，現給出一種基于CIS接觸式圖像傳感器的試劑盒成像檢測系統，圖像傳感器獲取的圖像數據信息通過USB傳輸到計算機顯示。該系統結構簡單，制作成本低，獲取的圖像清晰完整。

關鍵詞：CIS圖像傳感器;STM32F429;試劑盒;USB

0? ? 引言

當前試劑盒的圖像采集、識別和應用裝置主要采用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、調試和鏡頭等空間結構設計相對復雜。

本文綜合了CCD或CMOS試劑盒圖像檢測裝置的優缺點，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，其具有靈敏度高、裝置制作簡單的優點，并制作了樣機。

CIS是近年來在線陣CCD和CMOS技術之后發展起來的新型圖像采集傳感器，在結構上，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光源發出的光線經被掃描物反射后，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化為電信號，然后將信號由放大電路進行放大輸出，經后端處理后直接形成掃描對象的圖像。

1? ? CIS成像檢測系統硬件構成

如圖1所示，CIS的生物芯片成像檢測系統主要包括CIS圖像傳感器、CIS輸出信號處理與轉換、主控CPU處理器、USB數據傳輸和PC圖像數據顯示幾部分。

CIS傳感器在運動控制機構的輔助下，完成生物芯片的圖像采集，經過信號處理完成模擬圖像信號到數字信號的轉換，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據，也可進一步對采集到的數據進行分析處理。

1.1? ? CIS圖像傳感器

CIS圖像傳感器（圖2）負責將光學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換為電平信號。當前工業級的CIS圖像傳感器主要生產商為日本三菱和德國Tichawa公司等，國產CIS近年來也得到快速發展，國產替代進口已成為一種趨勢。

本系統采用國產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

系統采用電機帶動齒輪轉動，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實現模擬信號的處理，同時完成數字信號轉換，輸出8位數字信號。芯片結構如圖3所示。

1.4? ? 主控處理器

系統采用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接收經過HT82V38轉換的CIS圖像傳感器采集的圖像，再由DMA將圖像發送到外部SDRAM存儲。STM32F429的DCMI接口框圖如圖4所示，DCMI_D數據線的數量可選8、10、12或14位，各個同步信號的有效極性都可編程控制，本設計數據線設置為8位。

1.5? ? 計算機接口

主控器STM32F429將JPEG數據通過USB接口傳送到計算機，計算機可以直接顯示JPEG圖像數據，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，是一款工業級的高速物理層USB收發器。USB3300的封裝原理如圖5所示。USB3300在結構上是一款基于ULPI協議的芯片，物理上可直接外接標準或MINI接口的USB連接器，其功能模塊如圖6所示。

2? ? 系統軟件設計

系統軟件包括圖像采集、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據經過主控器STM32F429分析和處理后，通過USB接口傳輸到PC端，PC機上的應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。

2.1? ? 圖像采集與處理

軟件編程流程為：

（1）系統初始化，包括初始化DCMI時鐘、I2C時鐘、DCMI工作模式、DMA等，用于搬運DCMI的數據到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和觸發機構，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據后，中斷觸發，進入DCMI的中斷服務函數，將進行USB圖像傳輸。

系統軟件流程圖及軟件重要函數如圖7所示。

2.2? ? 圖像顯示

這部分軟件為PC機端的應用軟件，將通過USB接口接收到的圖像數據顯示出來。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? ? 結語

醫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，系統實現結構簡單、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據處理分析模塊，是集數據采集、處理及分析自動化于一體的智能檢測系統。結構上，既可以發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，獲取的數據可以作為健康大數據的一部分，服務國家的全民健康戰略。

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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、弱信號處理、圖形圖像顯示。