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基于FPGA硬件JPEG压缩器的无线胶囊内窥镜系统

发布时间:2017-09-25 09:03

  本文关键词:基于FPGA硬件JPEG压缩器的无线胶囊内窥镜系统


  更多相关文章: 无线胶囊内窥镜 便携式接收器 JPEG压缩算法 FPGA 无线供能


【摘要】:随着消化道疾病逐渐成为困扰人们健康的一大主要原因,消化道疾病的检测技术也随之快速发展。无线胶囊内窥镜克服了传统探头内窥镜检测过程及其痛苦、存在创伤等弊病,成为消化道疾病的检测和治疗的发展趋势。自2000年Given Image公司推出全球第一款无线胶囊内窥镜,无线胶囊内窥镜在姿态控制、胶囊定位、能量供给、图像采集等各方面都有很大的发展。但无线内窥镜应用于消化道疾病诊断和治疗还需要进一步提高其功能性和性能。本文依托于国家自然科学基金项目(No.31271069)、国家自然科学基金青年基金(No.30800235)和上海交通大学医工(理)交叉基金(No.YG2013MS24),针对无线胶囊内窥镜图像采集和能量供给两个方面进行了深入研究,研制出一种基于FPGA硬件JPEG压缩器的无线胶囊内窥镜系统原型样机。该系统一方面通过采用体外无线供能的方式,消除现有无线胶囊内窥镜工作时间短的缺陷,另一方面通过FPGA内部集成硬件JPEG压缩器,提高了无线胶囊内窥镜的图像采集帧率,能够达到8~10帧的采集帧率。理论上可用于消化道连续视频采集,为研制诊疗胶囊系统提供了可靠试验平台。论文从以下几个方面对无线胶囊内窥镜系统进行了阐述:首先针对整个系统涉及的关键技术如图像采集、无线传输和能量供给等进行理论分析,提出合理的设计方案。其次根据系统方案设计,从硬件和软件方面详细介绍无线胶囊内窥镜系统的实现。硬件部分设计要包括体内图像胶囊和便携式接收器的设计以及无线供能的实现。按照功能模块进行划分,具体介绍了CMOS图像采集模块、NRF无线传输模块、SD卡存储模块、FT245_USB传输模块和无线供能模块等主要模块。软件部分从三大部分体内图像胶囊控制系统、便携式接收器软件系统和PC端MFC应用软件进行介绍。并具体介绍了系统内部模块实现和控制流程。针对无线胶囊内窥镜系统涉及的关键算法:基于FPGA的JPEG压缩算法,本文从算法原理和FPGA实现两个方面进行了详细阐述。算法具体涉及了二维离散余弦变换器、频率量化器、游程编码器、变长编码器、哈弗曼编码器等子模块。最后对系统进行试验测试,开展了三个实验:无线供能实验、JPEG压缩验证实验和图像采集实验。经实验,无线供能模块最大能够实现1000mw的能量供给,JPEG压缩器最大能够实现95%的压缩比,整个系统能够实现8~10fps的图像采集帧率。
【关键词】:无线胶囊内窥镜 便携式接收器 JPEG压缩算法 FPGA 无线供能
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TH776.1;TN791
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-12
  • 第一章 绪论12-20
  • 1.1 课题研究背景与意义12-14
  • 1.2 无线胶囊内窥镜的研究现状14-18
  • 1.2.1 无线胶囊内窥镜的主动控制技术14-16
  • 1.2.2 无线胶囊内窥镜的供能研究16-17
  • 1.2.3 无线胶囊内窥镜的定位技术研究17
  • 1.2.4 提高无线胶囊内窥镜成像质量的研究17-18
  • 1.3 课题主要研究内容18
  • 1.4 本文结构18-20
  • 第二章 系统方案设计20-27
  • 2.1 系统总体设计20
  • 2.2 图像采集方案20-21
  • 2.3 数字图像压缩解决方案21-23
  • 2.4 无线通信方案23-24
  • 2.5 系统能量供给方案设计24-25
  • 2.6 低功耗方案25-26
  • 2.7 微型化方案26-27
  • 第三章 系统硬件设计27-40
  • 3.1 体内图像胶囊硬件设计27-32
  • 3.1.1 FPGA核心控制模块设计27-28
  • 3.1.2 CMOS图像采集模块28-30
  • 3.1.3 NRF无线传输模块30-31
  • 3.1.4 电源管理模块31-32
  • 3.2 便携式图像接收器硬件设计32-36
  • 3.2.1 STM32核心控制模块32-33
  • 3.2.2 SD卡存储模块33-34
  • 3.2.3 LCD触屏显示控制模块34
  • 3.2.4 FT245_USB传输模块34-35
  • 3.2.5 电源管理模块35-36
  • 3.3 无线供能模块设计36-39
  • 3.3.1 无线供能模原理概述36-38
  • 3.3.2 无线供能模块电路设计38-39
  • 3.4 本章小结39-40
  • 第四章 系统软件设计40-53
  • 4.1 软件总体设计40-41
  • 4.2 图像胶囊内部软件模块41-45
  • 4.2.1 CMOS图像采集控制器42-43
  • 4.2.2 NRF无线收发控制器43-45
  • 4.3 便携式接收器软件模块45-49
  • 4.3.1 ucos-ii操作系统46
  • 4.3.2 FATFS文件系统及其移植46-47
  • 4.3.3 用户任务设计47-49
  • 4.4 基于MFC的应用软件49-52
  • 4.4.1 VS2010与MFC49-50
  • 4.4.2 FT245_USB数据读写50
  • 4.4.3 ACCESS数据库存储50-52
  • 4.4.4 应用程序操作流程52
  • 4.5 本章小结52-53
  • 第五章 基于FPGA的JPEG压缩算法硬件实现53-71
  • 5.1 JPEG压缩算法描述53-62
  • 5.1.1 算法总体结构53-54
  • 5.1.2 图像预处理54-55
  • 5.1.3 二维离散余弦变化55-57
  • 5.1.4 频率量化57-58
  • 5.1.5 差分编码58
  • 5.1.6 游程编码58-59
  • 5.1.7 变长编码59-60
  • 5.1.8 哈弗曼编码60-62
  • 5.2 JPEG算法在FPGA中实现62-70
  • 5.2.1 输入预处理器62-65
  • 5.2.2 JEPG压缩核65-68
  • 5.2.3 输出控制器68
  • 5.2.4 复位控制器68-69
  • 5.2.5 逻辑综合69-70
  • 5.3 本章小结70-71
  • 第六章 系统实验测试71-77
  • 6.1 JPEG压缩算法验证实验71-74
  • 6.1.1 压缩算法评价标准71-72
  • 6.1.2 压缩实验及其结果分析72-74
  • 6.2 图像采集实验74-75
  • 6.3 无线供能模块验证实验75-77
  • 第七章 总结与展望77-79
  • 7.1 系统工作总结77-78
  • 7.2 工作展望78-79
  • 参考文献79-86
  • 致谢86-87
  • 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文87-88
  • 攻读硕士学位期间申请专利88-89
  • 攻读硕士学位期间科技竞赛获奖89-90
  • 附件90

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本文编号:916514

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