刘建青;黄平
【摘 要】基于微型CMOS图像传感器OV6920,以微型化、低功耗为原则,对人体无线胶囊内窥镜胶囊进行了设计和实验研究.开发了OV6920外围电路PCB,并按设计组装成磁控无线胶囊式内窥镜胶囊,成像试验验证该系统能采集到清晰的图样,证明了该系统设计的可行性.根据总电路串联阻值与电压、电流和发射功耗之间的关系,对无线发射电路进行了优化设计,降低了其功耗和尺寸.组成工作系统后.整体直径仅10mm,不带照明电路整体功耗最低约100mW.高纯度的氧化铜
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2010(000)006
【总页数】3页(P183-185)
【关键词】OV6920;胶囊内窥镜;磁控;无线发射
【作 者】刘建青;黄平
【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广州,510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州,510640
【正文语种】中 文
【中图分类】TH789
1 引言
近年来，随着微创、无创医学新理念的普及，用于体内生理、生化参数测量及疾病诊疗的体内胶囊获得了飞速的发展，而无线胶囊式内镜是该类系统的典型代表。它将内窥镜封装成普通药丸的形状，病人吞服后可对胃肠道的病变区进行图像取样，同时通过无线传输的方式将病变区观测图像实时传输至体外接收装置，供医生作为诊疗依据。2000 年，Iddan 等在国际著名的期刊《Nature》上发表了关于胶囊内镜的文章[1]，在同年5 月的美国加利福尼亚举行的消化道疾病会议上，PaulSwain 博士报告了应用胶囊内镜检查胃肠病变的结果，引起了消化内镜界极大的关注。以列GivenImaging 公司最早于2001 年推出了名为M2A 的无线内窥镜，外形就像一般病人吞服用的胶囊，并于2004 年改进推出了PillCam系
列胶囊内窥镜[3-5]。之后各国均有相关研究报道，其中日本的RF SYSTEMLAB 于2001 年底报道研制出名为NORIKA3 胶囊内窥镜系统最为著名[6-7]。在国内，胶囊内窥镜的研究也取得一定的成绩，由重庆金山科技有限公司经过3 年科技攻关研制成功的名为OMOM 的胶囊内窥镜在重庆通过国家“863”专家组的验收[8]。
基于目前国际最新的微型CMOS 图像传感器OV6920，对人体无线胶囊内窥镜胶囊进行了设计和实验研究开发了OV6920 外围电路PCB，并按设计组装成磁控无线胶囊式内窥镜胶囊。成像试验验证该系统能采集到清晰的图样，证明了该系统设计的可行性。
2 图像传感器开发与系统设计
2.1 原理性试验
OV6920 采用BGA 封装，只有九个引脚，只需要3.3V 的直流供电电压，就能在低功耗状态下运行工作。按照OV6920 引脚描述[9]，设定A1引脚AVDD和C2引脚接电源正极，B1引脚接地，在B3和C3之间接上三点式晶振电路，便可在C1引脚输出NTSC 制式的复合视频信号。其他引脚设定默认值，可以得到OV6920 的外围控制电路图，如图1 所示。OV6920 芯片及引脚图，如图1 所示。
图1 外围电路图
在芯片应用于胶囊设计之前我们需要对它的图像采集功能进行试验调试。由于该芯片尺寸极小，引脚布置在芯片的底部，所以实验前需用0.11mm 漆包线将各脚引出连接相应的元件。按芯片外围电路图，做出原理性实验板，如图3 所示。
图2 OV6920 芯片及引脚图
图3 OV6920 实验电路板
图像传感器电路共引出三条线，一是电源正极，二是电源负极，三是信号线。如图4 所示，系统电路结构图。
蒸压砖设备将图像传感器信号线接入无线发射电路信号输入端，同时两模块负极相连，正极分别接适当电压，系统就可工作，图像传感器的视频信号经无线发射电路以模拟调频方式发射至外部接收装置和视频监视器，以连续视频格式保存在电脑上。
2.2 CMOS 模块设计
电路设计好以后还需要将整个模块融入内镜胶囊的系统中，这就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，镜头和干簧管结合在一个PCB板上形成一个模块，模块的结构原理图，如图5 所示。
图4 磁控式无线内窥镜的电路结构
图5 CMOS 模块结构图1.短焦镜头2.CMOS 芯片3.LED 4.PCB 板5.干簧管
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Φ10mm 左右。在直径为Φ10mm 的圆形PCB板面上尽可能的布置下OV6920 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0603 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。如图6 所示，利用DXP2004 绘制的双面PCB 电路板图。
该PCB 的设计原则是：尽量减小线路的拐弯，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。
在板的边缘有两个通孔，是用来安放干簧管的，它们位于一条直径线上，这样布置刚好空间距离最大。干簧管通孔没有接任何导线和元件的一端接电源的负极，另一端接CMOS 电路和发射电路的负极。当干簧管导通时整个电路导通开始工作。选用MKA-07101 型号的干簧管其尺寸为Φ1.8mm×7mm，灵敏度为（7～35）AT，最大开关电流0.1A，最大接触电阻200mΩ。
图6 OV6920 芯片PCB 原理图
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3 无线发射模块优化设计
无线发射模块是内窥镜胶囊中重要的一环，其关键在于图像传输的质量、射频发射电路的尺寸和功耗能否符合要求。
如图7 所示，射频发射模块电路图，采用的是放大器的集电极调制方式。其原理为信号依次通过分压、滤波、稳压和放大电路，将图像信号从发射端发送出去。其功耗和尺寸要符合系统微型化、低功耗[11]的原则，所以需要对其尺寸和功耗进一步优化设计。
图7 发射电路原理图
在根据其发射电路原理图的基础上，实验利用直流电压电源对电路进行测试时，把发射电路和可调频的信号接收器之间的距离固定为1m。实验前测得其额定电压为9V，因此将工作电压从9V 逐渐下调，同时在总电路中串联一个电阻，达到降低电路总电流的要求，从而降低发射电路的总体功耗；额定电压下电路初始电流为35mA，空旷发射距离达到一百米，增加电阻后电压、电流和功耗的变化趋势（图略）。实验证明，随着能量的逐渐消耗，当输入电压降低至4.5V 时仍然可以从接收到清晰的信号。此时电路电流为约1mA，如果电压再降低，图像将出现雪花。
改进前，实验测得视频发射模块最大功耗为：
发射电路改进后的功率为：甲类功率放大器
改进后功率损耗降低了：
值得指出的是随着功耗的降低发射距离也随之降低，而实际上我们只需在大约一两米的范围内发射接收，实验证明在功耗40mW 时能够完全满足要求。在试验板成功的基础上，利用DXP2004 将其设计成双面PCB，考虑整体装配尺寸的一致性，该模块直径控制为Φ10mm，从而达到微型化的目的。
4 系统试验
三维网页模块无负载电流为20mA，带75 欧负载电流为30mA，采用3V 锂锰电池供电，那么功耗最低为60mW。发射模块前面试验证明只需40mW，因此两模块总功耗约100mW。如图8 所示，为采用直流稳压电流供电的系统连接图。给图像传感器模块，无线发射电路接入适当稳压电源，两模块负极相连，电路开始工作。由于OV6920额定电压为3.3V，允许偏差在5%以内，当电压为3.3V 时图像较清晰，逐渐降低供电电压，3V 时图像仍然清晰，当低于3V 时其清晰度也逐渐降低，当电压降至2.6V 时，图像已模糊看不清。
图8 系统连接图
本系统可以通过无线发射的内窥摄像装置与外部的便携式无线接收装置及计算机（或监视器）联合工作，可将图像保存下来进行图像处理从而进行专门诊断。发射电路将采集到的视频信号以30 帧/S 无线方式向外发射，通过外置高增益天线，内置1.2G高频头及调谐器的接收器将无线视频信号转换为复合视频信号，直接接驳监视器或者计算机视频采集卡。如图9 所示，相机拍摄的图像和采集的图像对比，图像的解析度为320×240 像素。
由透镜成像公式可知，在焦距一定的情况下，物距越小，像距越大。考虑到无线内窥镜近距离取像的环境特性，假设取像位置就在系统的外壁，即物距就是系统外壳与透镜的距离，物距相当小，又因为无线内窥镜的微型化要求，像距也必须控制在一定的范围内，本实验选取5mmOV6920 专用短焦镜头。
图9 拍摄图像
皮卷尺5 结论
通过对OV6920 芯片及其外围电路的原理性实验研究，设计开发了用于微型胶囊内镜的PCB 模块。该模块包括照明单元，镜头，外围电路以及磁控开关，体积小（直径仅10mm），功耗低（不带照明仅20mA）。对发射模块进行了优化设计，降低了其功耗和尺寸，为胶囊的微型化奠定了基础，并按设计组成系统，实验成功采集到清晰图像。
