1、 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Design Of Endoscopic MEMS Based On CMOS Image Sensor 学院 专业 班级 班学生 指导教师（讲师） 完成时间 年 月 日至 年 月 日本科毕业设计（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
2、 月 日毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书院（系）： 专业： 班级： 学生： 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
3、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； 专 业 负 责 人批 准 日 期（7）准备和参加毕业答辩
4、； 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
5、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）OmniVision Technologies. http:/ （11）Micron Technology, Inc. http:/ 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
6、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 Design Of Endoscopic MEMS Based O
7、n CMOS Image SensorAbstractBased on the analysis of original technical data, a new simulation model of the endoscopic micro electromechanical system design scheme is given, hoping to Reduce the size of the system, improve its performance etc. Here in this thesis we mainly talk about the principle an
8、d the construction of the wireless capsule endoscopy system .The system,mainly based on the construction of image transmission chip OV 7930 and RFMD Corporations RF2510 and RF 2917 chips ,can receive image datas in time that sent from the capsule endoscopy system.In the thesis we mainly discuss the
9、construction design of the capsule endoscopy system.To restrict the capsule endoscopy systems size and its power cost, the external circuit should be limited as much as possible. That way the discomfortable sense to human body caused by large size of the system.Meanwhile it offers the system enough
10、time to stay in human body so that the system can get enough datas about the abnormal organs and send them to the outer receiver in time. Key words: image sensor MEMS System capsule endoscopy wireless image transmission 目录 I目录第一章 绪论 .- 1 -1.1 本课题研究的目的 .- 1 -1.2 内窥系统发展的历史 .- 1 -1.2.1旧式内窥镜 .- 1 -1.2.2
11、 光导式纤维内窥镜 .- 2 -1.2.3 电子内窥镜时代 .- 2 -1.3 本课题的研究现状 .- 2 -1.3.1 国外研究现状 .- 2 -1.3.2 国内研究现状 .- 3 -1.4 本课题研究的意义 .- 3 -第二章 系统总体方案拟定 .- 5 -2.1 系统功能要求分析 .- 5 -2.2 系统总体硬件组成 .- 5 -2.3 系统硬件布局 .- 6 -第三章 图像采集模块设计 .- 8 -3.1 图像传感器选型 .- 8 -3.1.1 CCD图像传感器 .- 8 -3.1.2 CMOS图像传感器 .- 9 -3.1.3 CCD和 CMOS传感器比较 .- 10 -3.1.4
12、图像传感器具体型号选择 .- 12 -3.2 OV7930外围电路设计 .- 16 -第四章 图像无线传输模块设计 .- 18 -4.1 无线传输技术的原理 .- 18 -4.2. 图像无线传输模块的设计要点 .- 21 -4.3 芯片选型 .- 21 -4.3.1 射频芯片分类 .- 21 -4.3.2 发射器芯片选型原则 .- 22 -4.3.3 接收器芯片选型原则 .- 22 -4.4 载波频率 .- 24 -4.5 电路参数的确定 .- 25 -4.5.1 发射端电路之基准振荡器 .- 25 -4.5.2 压振振荡器 .- 26 -4.5.3 锁相环电路 .- 27 -4.5.4 分频
13、系数的设置 .- 28 -第五章 光学及电源照明系统的设计 .- 29 -5.1 光学系统设计 .- 29 -5.2 电源照明系统设计 .- 29 -致谢 .- 32 -参考文献 .- 33 -第一章 绪论 - 1 -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
14、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
15、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
16、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。XXXXXX 本科毕业(设计)论文：基于 CMOS 图像传感器的内窥微机电系统设计 - 2 -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,Hirscho
17、witz 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 Welch Allyn 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
18、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
19、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 Gavriel Iddan 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 Paul Swain 成立了 Given Imaging 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
