摘 要:为了降低无线内视镜系统的功耗以延长工作寿命,提出并实现了一种用于无线内线镜系统的数模混合的基带处理专用集成电路。该专用集成电路集成了准无损图像压缩、双向通信控制和电源管理等功能。由图像滤波器及JPEG-LS编码器组成的低功耗高性能的图像压缩算法能完成对原始Bayer彩色滤波阵列格式的图像的实时压缩。该数模混合芯片的设计通过了FPGA验证,并采用0.18μm的CMOS工艺流片。测试结果表明该芯片能有效地降低内视镜系统48%的整体功耗。
关键词:专用芯片;集成电路;无线内视镜;基带处理;图像压缩
胶囊式无线内视镜[1](以下简称内视镜)是一种可以用于全消化道检测的新型医疗装置。病人在吞服以后,内视镜采集体内消化道的图像,并把图像数据以无线的方式发送至体外供医生诊断。内视镜是一种典型的电池供电的通信系统。因此,内视镜的低功耗要求成为整个系统设计的关键。为了降低内视镜的功耗延长其工作寿命,本文提出并实现了一种数模混合的基带处理芯片,它集成了图像压缩、通信控制、电源管理的功能,有效地降低了系统功耗,延长了内视镜的工作寿命。
1 系统结构
数模混合基带处理芯片的系统结构框图如图1所示,它主要由数字基带处理及电源管理两部分组成。数字基带部分主要用于实现双向通信协议和图像压缩两大功能,而电源管理部分产生所需的电源电压和时钟信号。数字基带中的微控制器模块作为内视镜的主控模块负责实现双向通信协议并控制所有其他模块,而其他外围专用的接口模块和图像压缩模块作为微控制器的硬件加速单元。作为典型的电池供电的无线通信系统,内视镜系统的整体功耗是设计的关键。而射频收发机作为内视镜系统功耗最大的部分,其功耗优化十分困难。因此本文首次在基带处理结构中引入低功耗高性能的图像压缩算法。从图像传感器传入的图像数据经过图像压缩处理之后,由无线收发器发送至体外。图像压缩有效地减少了通信数据量以及相应的射频电路所消耗的能量,从而有效地降低了内视镜系统的整体功耗。
2 低功耗准无损图像压缩
2.1 图像滤波
本文的图像压缩算法由一个改进的图像滤波器[2]及一个标准的JPEG-LS[3]编码器组成,图像滤波算法是针对CMOS图像传感器采用的原始Bayer图像格式设计的。原始Bayer图像格式是一种未插值的彩色图像传感器阵列形式,如图2a所示。这种格式的当前像素和相邻像素属于不同的颜色分量,相关性低,相当于在图像空间引入了高频分量。这使得无论用基于预测的压缩方法还是基于变换的压缩方法,压缩性能都受到严重的影响。因此文[4-6]提出使用图像滤波作为JPEG-LS的预处理过程来提高压缩比。与文[4-6]的方法相比,本文提出的滤波算法更加适于硬件实现且易于实时计算。算法将滤波过程分为2步:像素变换和像素滤波。像素变换将G颜色分量和另外2种B、R颜色分量分开排列,以降低由于相邻像素的不同颜色属性而产生的高频分量,如图2b所示。这样大大提高了像素间的相关性,有利于提高JPEG-LS的压缩比。像素滤波进一步过滤图像中的高频分量,其算法可表示为
其中:G、B、R表示Bayer格式图像的原始像素值;G′、B′、R′表示对原始像素进行滤波后的计算结果; (m,n)表示当前像素的行列坐标。滤波过程不可避免地需要缓存相邻像素。由于B、R分量被视为相同颜色分量,滤波过程以一种更为一致的方式得以简化,这使得滤波过程仅需3行图像数据缓存即可实现实时计算。
2.2 JPEG-LS图像压缩
JPEG-LS算法是基于预测的无损图像压缩算法,是目前的ITU/ISO标准[7]。它压缩性能优异、算法复杂度较低,可用于有较高功耗要求的医学图像处理中。算法包括上下文建模、预测器、编码器、参数更新4个部分,且具有regular和run 2种编码模式。其中regular模式和run模式的中断状态是JPEG-LS算法复杂度最高的部分。本文使用了3条并行流水线结构的数据通路来提高数据吞吐率,其结构如图3所示。3条流水线分别用于regular模式, run模式的中断状态以及run模式的正常状态。对于每个像素只有一条流水线根据模式判决的结果被打开。这样避免了另外2种模式的电路进行不必要的计算,因而降低了电路的功耗。实验表明对于不同的模式和状态,采用独立的数据通路可以明显减少电路节点的翻转,特别是对于平坦度高的图像,大量的像素将被run-normal流水线以非常简单的计算过程处理。通过独立流水线的设计, run模式的功耗相对于regular模式将减小90%。另外,流水线对于一些共同的计算进行了资源复用以减小面积,如图3中的Golumbus参数K计算和Golumbus编码器电路。
此外,门控时钟作为电路级的低功耗技术被大量地在设计中使用。仿真表明门控时钟降低了数字电路26%的功耗。通过电源管理模块集成的低压差稳压器调节电源电压,可以在不影响电路性能的前提下使电压从1.8 V降至1.1 V,降低了电路的动态功耗。
3 通信控制
双向通信是提高内视镜系统可控性的重要手段,可以通过有限状态机的方法实现双向的通信协议。然而使用有限状态机进行通信控制的缺点是灵活性差,难以对通信协议进行修改和扩充,不易于实现复杂的通信过程。因而本文采用了简单的微控制器和专用硬件加速单元来分别实现双向通信协议中通用和专用的部分。对于通信协议底层通用的物理操作,专用加速单元不仅效率高而且功耗低。而高层次的通信流程则以微代码的结构通过精简的微控制器来实现。对于不同的通信协议只需要改变ROM中的程序代码即可,非常易于修改和扩充。
4 电源管理
内视镜系统由2节串联的1.5 V锂电池供电。基带芯片的电源管理部分集成了2个低压差稳压器(LDO)分别用于为数字部分的内核及I/O供电。为数字内核供电的LDO可以在微控制器的控制下调节电源电压,实现可控的电压缩放功能。通过控制电源电压,电源管理模块可以控制内视镜系统使之处于省电模式,关闭不必要的模块来降低功耗。另外,为了使发光LED提供恒定的照明强度,电源管理模块也集成了电荷泵电路提供3.6 V的LED驱动电压。此外,电源管理模块还集成了片上振荡器为系统提供时钟信号。整个电源管理模块只使用了4个片外电容元件,满足内视镜小尺寸、高集成度的要求。
5 VLSI实现及测试结果
该芯片使用0.18μm的CMOS工艺实现。芯片的数字基带包含1.97万等效二输入与非门数,另外集成了23.9 kb SRAM用于图像压缩算法。与文[8-10]中的VLSI实现结果相比,本文的JPEG-LS编码器的等效门数和使用的片上存储单元最少。数字基带芯片可以在20MHz的时钟频率下以15帧/s的速度实时地压缩VGA Bayer格式的图像。系统在全速工作时,基带芯片的平均功耗为1.8mW,其中图像压缩模块的功耗约占60%,微控制器的功耗约占25%,其他模块的功耗占15%;进入休眠时基带芯片的平均功耗小于20μW。为了测量集成了图像压缩功能的基带处理芯片对于减小系统功耗的影响,本文采用了每传输一幅图像系统所消耗的能量作为指标。测试结果表明,打开图像压缩模块虽然使基带处理的数字部分增加了2%的能耗,但却可以使系统能量消耗减少48%,对于降低系统总体的能量消耗有非常明显的效果。
5 结束语
本文提出并实现了一种用于无线内视镜系统的基带处理数模混合专用芯片。该芯片集成了包括图像压缩在内的基带处理功能和电源管理功能,有效地降低了内视镜系统的整体功耗。该芯片已采用0.18μm的CMOS工艺流片验证。
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