基于CMOS图像传感器的内窥微机电系统设计毕业设计说明书.docx
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基于CMOS图像传感器的内窥微机电系统设计毕业设计说明书
学号：
毕业设计说明书
基于CMOS图像传感器的内窥微机电系统设计
DesignOfEndoscopicMEMSBasedOnCMOSImageSensor
本科毕业设计（论文）诚信承诺保证书
本人郑重承诺：
《基于CMOS图像传感器的内窥微机电系统设计》毕业设计（论文）的内容真实、可靠，是本人在陈英俊指导教师的指导下，独立进行研究所完成。
毕业设计（论文）中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。
学生签名：
年月日
专业负责人
批准日期
毕业设计（论文）任务书
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学号：
一、毕业设计（论文）课题基于CMOS图像传感器的内窥微机电系统设计二、毕业设计（论文）工作自2013年3月18日起至2013年5月31日止三、毕业设计（论文）进行地点四、毕业设计（论文）的内容要求
1、已知条件：
OV5116、OV7930、OV6920图像传感器，无线摄像头等。
2、设计要求：
（1）按要求写出开题报告；
（2）收集国内外有关情报资料，查阅有关文献资料15篇以上；
（3）翻译不少于5000单词的科技英语（英译中）；
（4）在分析、计算、选择和设计的基础上编写出不少于两万字的设计计算说明书；
（5）给出CMOS图像传感器（OV5116、OV7930、OV6920）的电路原理图，并验证电路。
3、工作进度：
（1）查阅资料，了解国内外无线内窥镜地发展现状，写出开题报告；
（2）外文翻译；
（3）了解图像传感器的分类及特点，比如CMOS和CCD图像传感器、模拟式图像传感器和数字式图像传感器，并选择合适的图像传感器；了解模拟图像的制式；
（4）根据图像传感器的说明书，设计图像传感器的外围电路；
（5）在老师的指导下，验证所设计的电路；
（6）整理编写设计计算说明书；
（7）准备和参加毕业答辩；
4、主要参考资料：
（1）方萍.电子内窥镜的技术进展.医疗卫生装备,2003
（2）吕平,刘芳,吕坤章,等.内窥镜发展史.中华医史杂志,2002,vol.32
（1）
（3）熊平.CCD与CMOS图像传感器特点比较.半导体光电,2004
（4）段杏林.浅谈彩色电视机制式.黄山学院学报,2004,6（3）
（5）萧泽新.工程光学设计.电子工业出版社,2003:
12-13
（6）宋贤杰,屠其非,周伟,等.高亮度发光二极管及其在照明领域中的应用.半导体光电,2002,23（5）
（7）张富鑫,林崇文.极高频生物医学电子学.电子科技大学出版社,1993
（8）陈英俊,李洁,黄平.人体胃肠道窥视微机电系统设计与研制.中国机械工程,2006,17（9）
（9）黄胜,黄平.基于ov7930芯片磁控人体胶囊式无线内窥镜的研究与实验.机电工程技术,2007,36（12）
（10）OmniVisionTechnologies.
（11）MicronTechnology,Inc.
指导老师
接受论文任务开始执行日期2013年3月4日
学生签名
基于CMOS图像传感器的内窥微机电系统设计
摘要
在分析原有技术资料的基础上，提出一种新型的模拟式内窥微机电系统设计方案，并希望在系统的尺寸，性能等方面有所改善。
主要介绍一种无线胶囊内窥镜诊断系统的原理与结构。
该系统主要基于OV7930图像传感芯片，RFMD公司的RF2510和RF2917射频发射芯片相结合的架构，实现将人体内胶囊内窥镜传输出的图像数据实时接收存储的功能。
集中探讨人体胶囊无线内窥镜系统设计中的结构设计。
系统尽可能地减少外围电路，从而严格控制体内无线胶囊的体积及功耗，减少由于胶囊体积过大对人体造成的不适及满足胶囊在人体中停留足够时间以便完成对病变部位的实时图像采集传输。
关键词：
图像传感器微机电系统胶囊内窥镜无线图像传输
DesignOfEndoscopicMEMSBasedOnCMOSImageSensor
Abstract
Basedontheanalysisoforiginaltechnicaldata,anewsimulationmodeloftheendoscopicmicroelectromechanicalsystemdesignschemeisgiven,hopingtoReducethesizeofthesystem,improveit’sperformanceetc..
Hereinthisthesiswemainlytalkabouttheprincipleandtheconstructionofthewirelesscapsuleendoscopysystem.Thesystem,mainlybasedontheconstructionofimagetransmissionchipOV7930andRFMDCorporation’sRF2510andRF2917chips,canreceiveimagedatasintimethatsentfromthecapsuleendoscopysystem.Inthethesiswemainlydiscusstheconstructiondesignofthecapsuleendoscopysystem.Torestrictthecapsuleendoscopysystem’ssizeandit’spowercost,theexternalcircuitshouldbelimitedasmuchaspossible.Thatwaythediscomfortablesensetohumanbodycausedbylargesizeofthesystem.Meanwhileitoffersthesystemenoughtimetostayinhumanbodysothatthesystemcangetenoughdatasabouttheabnormalorgansandsendthemtotheouterreceiverintime.
Keywords:
imagesensorMEMSSystemcapsuleendoscopywirelessimagetransmission
第一章绪论
1.1本课题研究的目的
消化道是人体的多发病区域，因此消化道疾病是一种比较常见的疾病，全球范围内无数的人受其困扰。
目前对于这类疾病最常用也是最直接的诊查措施就是采用医用内窥镜对病变部位进行检查。
尽管医用内窥镜技术取得了长足的进步，但是由于传统的医用内窥镜自身的缺陷，使其在实际应用中具有很大的局限性，并且这种局限性越来越明显。
例如在消化道的检查方面，传统的内窥镜使用机械插入插管的方式将摄像头和组织取样等装置深入到人体病变部位对其进行诊断，或组织取样，微型手术等。
由于这类内窥镜系统都带有引导插管，如对冠心病的治疗，需要将导丝或导管插入人体内以辅助治疗或进行诊断，因此这不仅给系统的操作带来很大的不便，给病人带来了不适和痛苦，有时甚至需要对病人进行麻醉手术，同时也导致内窥镜所能检查的部位受到了局限。
而且，受光学特性和视角的限制，对消化系统非形态性改变的隐性出血炎症等也难以明确诊断。
所以，很有必要研究新型的内窥镜系统以代替传统的导管内窥镜。
本课题旨在参考原有技术资料，对相关的内窥微机电产品的原理，性能等进行研究的基础上，设计一种模拟式的无线胶囊内窥镜诊断系统。
该系统主要采用OV7930图像传感器芯片，可以实现将人体内的图像数据传送到体外接收装置。
1.2内窥系统发展的历史
纵观内窥镜的发展历史，主要经历了旧式内窥镜，光导式纤维内窥镜，电子式内窥镜三个时期。
1.2.1旧式内窥镜
内窥镜发展的技术根源，最早要追溯到欧洲文艺复兴时期。
原始的旧式内窥镜也叫直管式内窥镜。
1795年德国人Bozzini将一根金属管沿纵向一分为二，以烛光为光源，一半管腔进光，一半管腔用于观察，首次观察到人体直肠及子宫内腔。
1826年德国的Segale制成了膀胱镜。
1843年Arery制成了喉镜和食道镜。
1881年Mikulicz制成了硬直管式胃镜。
旧式内窥镜照明多采用珠光或者煤油灯，直到1876年Nitze首先在膀胱镜及胃镜上用电热白金丝作光源，缺点是局部热量较大，需灌水冷却。
所以内窥镜的发展离不开光源的进展。
1880年美国的爱迪生发明了采用碳灯丝的电灯。
1895年，Rosenhein研制的硬管式内窥镜有三根管子呈同心圆设置，中心管为光学结构，第二层管腔内装上铂丝圈制的灯泡和水冷结构。
外层壁上刻有刻度以反映进镜深度。
1.2.2光导式纤维内窥镜
1954年，英国的Hopkins和Kapany发明了光导纤维技术。
1957年,Hirschowitz与助手在美国胃镜学会上展示了自行研制的光导纤维内窥镜。
60年代，日本的Olympus公司在光导纤维胃镜的基础上，加装了取活检装置和照相机。
1966年Olympus公司首创前端弯角结构。
1967年Machida公司采用外部冷光源，使光亮度大增，可发现小病灶，视野进一步扩大，可以观察到十二指肠。
近十年来随着附属装置的不断改进，如手术器械，摄影系统的发展，使纤维内窥镜不但可用于诊断也可以用于手术治疗。
1.2.3电子内窥镜时代
1983年美国WelchAllyn公司研制并应用电荷耦合器件代替了内窥镜的光导纤维导像术，宣告了电子内窥镜的诞生——内窥镜发展史上的一次历史性的突破。
电子内窥镜主要由内窥镜，电视信息系统和电视监视器三个主要部分组成，另外还配备一些辅助装置，如录像机，照相机吸引器以及用来输入各种信息的键盘和诊断治疗所用的各种器具。
它的成像主要依赖于镜身前端设备的图像传感器，就像一台微型摄像机，将图像经过图像传感器处理后显示在电脑屏幕上，这比普通光导纤维内窥镜的图像清晰，色泽逼真，分辨率高，而且可以供多人同时观看。
电子内窥镜的问世给百余年来内窥镜的诊断和治疗翻开了历史新篇章，在临床，教学和科研中发挥出它巨大的优势。
随着近年来新材料，新器件，新技术特别是微机电系统技术的迅速发展，新型内窥镜尺寸越来越微型化，精度也越来越高。
胶囊式内窥镜便是其中最具代表性的一种。
这得追溯到上世纪八十年代。
曾在以色列国防部光电部门工作的机械工程师GavrielIddan博士受智能导弹上的遥控摄像装置启发而产生了一个创意：
用小型的“人体侦察机”对人体整个消化道进行探测。
后来他和怀有同样构想的英国人PaulSwain成立了GivenImaging公司专门开发这种探测设备。
1999年这种探测设备开发成功，命名为M2A胶囊内窥镜。
这就是世界上第一部真正意义的胶囊内窥镜系统。
1.3本课题的研究现状
1.3.1国外研究现状
人们对内窥机电系统进行过不少的研究。
早在20世纪50年代，科学家为了研究消化道机能，采用了吞服式无线电发送器来向体外传送消化道器官中的各类生理和生化信息。
由于这种微型无线电发送器外形酷似医用胶囊，因而通常称为医用无线电胶囊。
目前这种无线电胶囊已广泛应用于消化道内的PH值，压力，温度，酶活性以及出血部位的测定。
这种技术除已用来诊断疾病外，对研究分析消化道的药物吸收作用，劳动防护及环境保护等方面都有积极的作用。
在这方面较为成功的应用研究是由以色列Given公司制造的M2A型胶囊式内窥镜。
该系统由内置短焦镜头，发光二极管和CMOS集成电路，电池，发射器和天线等组成。
近年来日本的无线系统实验室推出用于医疗检测的“NORIKA3”系列胶囊内窥微机电系统，采用CCD摄像机，所需电力由外界传送，其运动可由体外控制。
日本长野市的RF系统实验室研制的人体内窥系统—Sayaka胶囊内窥镜会随着消化管的自然蠕动边旋转边拍照，再将所有肠内壁的高清视频图像通过无线的形式传送出去。
医生通过检查此视频图像来诊断患者肠道是否有肿瘤或者其他问题。
美国的Smartpill公司开发了两种胶囊内窥镜。
一种适用于图像检测的胶囊内窥镜。
另一种可用于测量消化道蠕动压力，PH值和检测时间。
后者的续航时间可达到72个小时。
此外，韩国的IntelligentMicro中心，英国的Glasgow大学等研究机构也在积极进行胶囊内窥镜的研究。
随着技术的不断进步，无线胶囊内窥镜的整体性能将逐渐完善。
在图像传感器技术，能源供给技术方面具有较为成熟的技术。
在其他方面也有研究进展，如研究驱动的主动控制方式而不仅仅依靠肠道的自身蠕动，为医生带来更大的主动性；除内窥功能外，还包括药物释放机构和组织采样机构以及温度传感与PH值测量，压力检测及激光治疗等功能。
1.3.2国内研究现状
国内在胶囊内窥镜方面的研究相对国外起步要晚很多。
但在国家相关政策的扶持下，也取得不少的成果。
如重庆金山公司研制出具有实时摄像功能的胶囊内窥镜；中国科学院合肥智能机械研究所研制了“基于CMOS图像传感器的胶囊内窥镜系统”。
重庆大学也进行了定点释放药丸微系统与消化道采样药丸微系统研究。
上海交通大学开展了“人体全消化道微型介入式检查系统”研究，研发了用于检测压力，温度，PH值的胶囊内窥镜。
目前，国内研究的关键点在于研发专用芯片实现胶囊系统的无线图像传输和微型化。
具备了基本的图像摄取功能和压力等信号检测功能。
也在释药，主动驱动等方面做了不少优异的探索。
1.4本课题研究的意义
对于消化道疾病的检查往往会采用内窥镜，然而传统的有线内窥镜系统带有引导式插管，不仅会给病人带来较大痛苦，而且系统操作很不方便而且检查部位有限。
传统内窥镜使用插入导管的方式，存在着诸多弊端，例如操作困难；属于有创检测，给病人带来了很大的肉体痛苦；诊察范围有限，仅限于诊断上消化道及大肠的病变，而对小肠疾病的诊断存在很大的盲区。
因此，近十年来，随着微电子技术的发展，无线技术开始应用于内窥镜。
世界各国有不少科研机构在从事人体消化道无创检测设备的研究开发工作，而本文所提到的无线胶囊内窥镜系统就是其中有代表性的设备之一。
胶囊内窥镜在消化道检查方面克服了传统医用内窥镜的诸多缺点，具有操作简单，检查方便，无创伤，无痛苦，无交叉感染，不影响患者的正常工作等优点，填补了胃镜，肠镜检查的盲区，扩展了医生的消化道检查视野，尤其对人的可疑小肠病变具有很高的诊断价值，被医学界誉为21世纪内窥镜发展的革命与方向。
胶囊内窥镜这一全新技术的出现，标志着消化道内窥镜技术发展史上又一新的里程碑的诞生，是消化道无损伤性诊断的一个革命性的技术创新。
在众多的胶囊内窥镜产品中，又以以色列的M2A胶囊内窥镜最具代表性。
该胶囊内窥镜尺寸为11×24mm，重量不足4g，有微型照相机，led闪光灯，天线及两节微型氧化银电池构成。
M2A可以以每秒两幅照片速度进行拍摄，通常检查过程需要8到12小时，也就是说，整个检查过程需要拍摄约6000幅照片。
这些照片通过胶囊内部的天线发射至外部接收装置。
之后，医生通过软件可将这些照片制成约20分钟的视频，并因此分析出异样。
内窥镜在微创手术中有非常重要的应用。
而无线内窥镜作为内窥镜的一种，相对于传统内窥镜更是有无创检测，检查全面和诊断方便的性能优势。
内窥镜的广泛应用，促进了管腔医学的发展。
内窥镜既可以诊断疾病，也可以治疗疾病。
内窥镜的临床诊断具有直观，准确，快速，经济的优点。
特别是配合超声内窥镜，激光内窥镜及钳取活检，大大提高了对疾病的确诊率。
由于起步时间较短，此类设备在技术上尚有很多难题需要解决，以内窥镜为例，如何让其停留在某一指定位置进行拍摄，图像分辨率，功耗，价格等，都是需要解决的问题。
但不管怎样，此类设备的前景是非常光明的。
巨大的市场需求驱使厂家不断推出性能更高且价格更低的产品。
第二章系统总体方案拟定
在着手内窥系统的具体设计之前，为使研究工作得以顺利开展，避免不必要的曲折，应该先对系统的功能需求，总体硬件组成等方面进行拟定，制定一个大体框架。
以后具体设计时，以此框架一步步展开工作。
2.1系统功能要求分析
首先，对本内窥微机电系统最基本的功能要求是能够捕获人体内病变部位的清晰图像。
所以，图像采集模块是必不可少的。
其次，还要将拍摄到的图像传送到体外接收装置，以供医生查看，宜采用无线传输模式。
这是内窥镜系统的两个基本功能。
内窥微机电系统要求能在体内逗留足够长的时间以便搜集到足够的样片，因此，对系统的功耗要求也比较高。
人体内的环境比较幽暗，要能拍到符合要求的样片，对光照要求也不能马虎。
LED灯发光强度高，功耗也较低，所以采用LED照明。
胶囊微机电内窥镜系统按运动方式可分为两种：
被动式和主动式。
被动式主要是依靠人体肠道的自身蠕动而带动胶囊内窥镜运动，这种方式的优点是：
功耗较低，结构简单，易于设计；主动式内窥镜系统是依靠系统本身的动力，可在人体内实现自主运动。
这种系统设计比较复杂，功耗也较大。
考虑到知识储备等方面的限制，本课题的研究目标是能够做出一个满足基本摄像功能的胶囊内窥镜样品，所以力求系统的结构简单，功能单一，只着重对内窥系统的图像模块进行研究。
因此，本设计采用被动式方案，以简化系统结构，降低设计难度。
因此，本课题目标定位为：
设计一个被动式无线图像传输内窥微机电系统，该系统采用LED光源照明。
2.2系统总体硬件组成
根据以上功能分析，确定内窥系统组成部分有：
（1）图像采集模块
（2）无线发射模块
（3）电源供电模块
（4）照明模块
系统组成框图如下所示：
图2.1内窥系统组成示意图
2.3系统硬件布局
为了将整个模块融入内窥镜胶囊的系统中，需要规划好元器件的位置和线路，尽量缩小体积，减少干扰。
本设计将LED，图像传感器电路，镜头结合在一个PCB板上。
根据内窥镜胶囊的圆柱外形设计，将模块的PCB外形图设计成圆形，直径控制在10mm左右。
在直径为10mm的圆形PCB板面上尽可能的布置下OV7930芯片的外围电路元件，需要采用双面板结构，且电容和电阻元件都采用较小封装的贴片形式。
在PCB的正面放置CMOS芯片和LED，而将外围电路元件和输出接口设计在背面，以节省空间，芯片的引脚通过导线引出再由过孔连接至背面。
该PCB的设计原则是：
尽量减少线路的拐弯，元件摆放方向一致，电源线和底线尽量加粗，减少晶振引线的长度，尽量靠近芯片。
经过反复的比较，初步选择如下的系统布局。
图2.2内窥系统硬件布局
由上面布局图可看出，系统主要由CMOS传感器，透镜，LED发光二极管，微型电池，无线图像发射芯片和微型发射天线组成，完成对外部环境彩色图像的采集，将光信号转换为电信号，通过图像采集发射模块采集，并以无线的发射方式将图像信号发送出去。
整个系统中存在着几个比较关键的技术：
合理选择透镜使得能够采集到体内病变部位高分辨率的清晰图像，将采集到的图像数据进行完整和快速的传输。
内窥镜胶囊直径约为1CM，长度只有2CM多，体积很小，却要将成像元件，图像传感器，射频发射模块，天线以及芯片外围电路和机械结构集成在其内部，因此要严格的限制各个功能模块的尺寸。
尺寸的限制使得系统的设计必须以尽量简单的光路，电路和机械结构完成必要的功能。
所说的简单不是一味的追求简单，而是在能够实现所期望的系统功能的前提下，在系统的性能和系统尺寸，功耗等指标指间达成一个最佳的方案。
简单的光路可以减少光能损耗从而降低对照明系统的光强要求；简单的电路可以降低功耗，简单的机械结构则意味一定程度的降低制造工艺要求。
遵循简单这样一个原则，对胶囊内窥镜的设计具有很大的意义。
第三章图像采集模块设计
如前所述，图像采集模块部分是本课题设计的核心，因此，对于各方面的考虑都不能马虎。
下面，对图像采集部分进行分析。
3.1图像传感器选型
目前，图像传感器只要分为两种类型：
CCD型和CMOS型。
这两种传感器在结构方面有很大不同，原理基本相同。
为了选出合适的图像传感器，有必要从它们的原理，分类等展开介绍，最后比较选出最佳的传感器。
下面，逐一分析这两种传感器的特点。
3.1.1CCD图像传感器
＊CCD传感器原理结构
CCD是电荷耦合组件（ChargeCoupledDevice）的简称，它内部的半导体材料能把光线转变成电荷，转换成数字信号压缩以后保存起来就变成我们存储卡中的照片了，中间的过程非常复杂，在这里不再详解，下面是原理简图。
CCD
光信息电脉冲
脉冲只反映一个光敏元的受光情况
脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱
脉冲输出的顺序可以反映一个光敏元的位置
完成图像传感
图3.1电荷耦合组件工作原理
简单点来说，CCD基本工作原理分为四个阶段：
（1）信号电荷的产生；
（2）信号电荷
的存储；（3）信号电荷的传输；（4）信号电荷的检测。
CCD基本结构分为以下两部分：
（1）MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列：
电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。
（2）读出移位寄存器。
CCD是由规则排列的金属—氧化物—半导体（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容阵列组成。
CCD就像传统相机的底片一样的感光系统，是感应光线的电路装置，可以将它想象成一颗颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方，当光线与图像从镜头透过、投射到CCD表面产生电流，将感应到的内容转换成数码资料储存起来。
CCD像素数目越多、单一像素尺寸越大，收集到的图像就会越清晰。
＊CCD传感器的分类
CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD
a.线阵CCD传感器
线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。
光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位寄存器组成。
读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一个串行输出过程。
b．面型CCD图像传感器
面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。
目前存在三种典型结构形式。
一种结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。
行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。
这种结构易于引起图像模糊。
另一种结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。
在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光
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