生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置研制與應(yīng)用

何 鵬，侯艷陽(yáng)，房漢雄

（1.齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.哈爾濱理工大學(xué)測(cè)試技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

實(shí)驗(yàn)是生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)好生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)的主要實(shí)踐形式。我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：醫(yī)學(xué)圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、嵌入式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)、醫(yī)用傳感器技術(shù)、DSP技術(shù)和高級(jí)程序語(yǔ)言等課程難度較大，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)枯燥無(wú)味，很多學(xué)生不能深入到課程的學(xué)習(xí)當(dāng)中；課程實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主，學(xué)生并不能真正的掌握這些課程的精髓；教學(xué)結(jié)構(gòu)上也有許多的不合理之處，比如將一些綜合性強(qiáng)、難度較大又具有很強(qiáng)實(shí)踐性的課程放置過(guò)后，實(shí)踐環(huán)節(jié)安排的太少，影響學(xué)生各類(lèi)創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)展［1－3］。因此，設(shè)計(jì)了基于DM642的生物醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1）包括：PAL制式高清CCD 攝像機(jī)，DSP電路板，PC機(jī)，XDS510仿真器，醫(yī)用觀片燈，系統(tǒng)軟件，以太網(wǎng)通信模塊。

1.1 電路板

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

圖2是功能擴(kuò)展后的硬件系統(tǒng)框圖。采用合眾達(dá)公司的SEED－VPM642開(kāi)發(fā)板（見(jiàn)圖3）作為本裝置主電路板。SEED－VPM642開(kāi)發(fā)板是一款專(zhuān)為各種視頻應(yīng)用的低功耗開(kāi)發(fā)板，學(xué)生可以對(duì)TI 公司的C64xxDSP系列芯片進(jìn)行各種開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。SEEDVPM642開(kāi)發(fā)板有完備的板上設(shè)備，主要包括：TI公司600 MHz的TMS320DM642DSP 芯片，具有標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線結(jié)構(gòu)，可以作為協(xié)作處理板使用；4 路PAL／NTSC制視頻輸入端口和1 路PAL／NTSC 制視頻輸出端口；4 MB×64位SDRAM 可存儲(chǔ)多達(dá)32幀圖像；4 MB×8位FLASH，可以寫(xiě)進(jìn)大量程序，具備自啟動(dòng)功能；2路標(biāo)準(zhǔn)RS232串口，可以通過(guò)該串口傳遞一些控制命令；一個(gè)10／l00 MB 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)端口；一塊CPLD 芯片，通過(guò)控制在CPLD 內(nèi)部的寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)板卡硬件功能的軟件配置。視頻采集模塊選用Sony公司生產(chǎn)的6.35mm（1／4英寸）CCD 高清攝像機(jī)和DSP開(kāi)發(fā)板上的VideoPort解碼模塊對(duì)CT圖像進(jìn)行采集，CCD 支持PAL 及NTSC 2 種不同的模擬信號(hào)制式輸出，VideoPort解碼模塊負(fù)責(zé)將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供DSP處理。PC 機(jī)采用Windows XP系統(tǒng)，硬件配置為1GB 內(nèi)存的臺(tái)式機(jī)。仿真器采用合眾達(dá)公司的SEED－XDS510PLUS仿真器，支持CCS2.2及以上版本［4－5］。

圖3 SEED－VPM642開(kāi)發(fā)板

1.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件分為DSP 片上程序和PC 機(jī)端控制系統(tǒng)。DSP片上程序采用TI公司的CCS（code composer studio）軟件生成，CCS 是基于Windows操作系統(tǒng)下的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，集成了代碼生成工具和調(diào)試工具，同時(shí)還提供了基于可視化鏈接和可剖析的編譯功能，采用CCS2.2 版本。在電腦上編譯完的程序通過(guò)XDS510仿真器將程序下載到DSP 板的SDRAM 中，PC機(jī)端軟件發(fā)出命令后，DSP 根據(jù)命令從SDRAM中調(diào)用相應(yīng)程序處理圖像。掌握CCS軟件是DSP開(kāi)發(fā)者必備的技能，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行充分的訓(xùn)練。

PC機(jī)端控制程序由VC＋＋編寫(xiě)，主要用于向DSP發(fā)送各種命令和顯示處理結(jié)果。該軟件主要功能包括：（1）圖像截取：命令DSP截取一幅圖像；（2）圖像預(yù)處理：灰度轉(zhuǎn)換、噪聲過(guò)濾和水平梯度檢測(cè)；（3）圖像增強(qiáng)：圖像平滑、中值濾波、圖像銳化；（4）圖像變換：圖像的放大和縮小、圖像平移、圖像水平變換、圖像垂直變換、圖像旋轉(zhuǎn)；（5）邊緣檢測(cè)：Sobel邊緣檢測(cè)、Kirsch邊緣檢測(cè)、Laplacian邊緣檢測(cè)。另外還有閾值分割和恢復(fù)圖像等功能。軟件主界面見(jiàn)圖4

1.3 以太網(wǎng)傳輸模塊

以太網(wǎng)傳輸模塊電路見(jiàn)圖5。EMAC模塊是DSP處理器內(nèi)核與片外的網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，?fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。采用Broadcom 公司的BCM5221芯片，實(shí)現(xiàn)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC層協(xié)議，通過(guò)物理層驅(qū)動(dòng)（HPY）和RJ－45 網(wǎng)口相連接，可以實(shí)現(xiàn)命令傳輸和數(shù)據(jù)傳輸［6－7］。

在裝置中，以太網(wǎng)口的主要功能是接收PC 機(jī)傳來(lái)的各種命令，將命令傳遞給DSP，同時(shí)將傳送處理完的數(shù)據(jù)送到PC機(jī)指定的文件夾中。DSP片上程序和PC控制程序間的通信見(jiàn)圖6。

在以網(wǎng)口程序傳輸命令的同時(shí)采用RS232串口傳遞指令，輔助以太網(wǎng)口控制DSP［8］。

圖4 軟件主界面

圖5 以太網(wǎng)傳輸模塊電路

圖6 DSP與PC之間通信

2 實(shí)驗(yàn)裝置的部分功能

啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置和加載程序后，可以在PC 機(jī)端的軟件中點(diǎn)擊截取圖像選單（菜單），見(jiàn)圖7，DSP會(huì)自動(dòng)截取一幅bmp 格式的圖像并傳遞給PC 機(jī)，然后在VC＋＋軟件中自動(dòng)顯示。

在圖像預(yù)處理的選單中找到圖像取反選項(xiàng)即可實(shí)現(xiàn)圖像取反，見(jiàn)圖8。設(shè)當(dāng)前灰度為A，取反后的灰度為B，則取反公式為B＝255－A。

邊緣檢測(cè)采用我們改進(jìn)型Sobel邊緣算子［9］作算法處理。圖9為邊緣檢測(cè)界面。

圖7 截取圖像

圖8 圖像取反

單擊閾值分割選單，見(jiàn)圖11，可以實(shí)現(xiàn)圖像的閾值分割，將圖像改變?yōu)楹诎變煞N顏色，灰度級(jí)為0 和255，即所謂的‘圖像二值化’。

限于篇幅，上述功能僅僅是本裝置的部分功能。

3 該裝置特點(diǎn)

該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖9 邊緣檢測(cè)

圖10 局部放大

（1）綜合了醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)分析儀器、醫(yī)用傳感器技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、嵌入式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)、DSP技術(shù)和高級(jí)編程語(yǔ)言等課程，通過(guò)一些綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將各門(mén)課程緊密地聯(lián)系起來(lái)，可加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)；

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊化、系統(tǒng)化，強(qiáng)調(diào)理論課程間相互關(guān)系，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難易結(jié)合，既保留了原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，又開(kāi)發(fā)了大量綜合性實(shí)驗(yàn)，能適應(yīng)各層次、各年級(jí)學(xué)生的教學(xué)需要；

（3）在本實(shí)驗(yàn)裝置上也可開(kāi)展課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目研究［10－12］。

圖11 閾值分割

4 結(jié)束語(yǔ)

本裝置綜合了多門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)解決了這些課程在授課方式和課程安排上的原來(lái)弊端，使學(xué)生在學(xué)習(xí)上達(dá)到舉一反三的目的。該裝置不僅可以用于生物醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以用于其他與視頻有關(guān)的領(lǐng)域。

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