无线胶囊内窥镜系统设计 第6页图像传感器的选型CCD与CMOS的比较
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW 以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS传感器存在差距，且仍处于样品阶段。
综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。与CCD相比,CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上,具有以下优点：
（1）体积小、重量轻、功耗低；
（2）编程方便、易于控制；
（3）平均成本低；
（4）技术成熟；
集合系统设计需求，低功耗易于开发。缩短开发周期的要求，最终选定使用OmniVision 公司的产品OV7660，该产品分辨率为664×492（640×480），电压为待机时40MW，电流小于10Ua，工作电压在2.45V到2.8V之间，可用适合于体内两节纽扣电池供电。输出图像格式为：VGA、CIF、QCIF、QQCIF等格式，每秒30帧、QVGA、QQVGA等格式，每秒60帧。
2.4.4 OV7660图像传感器的配置
在OV7660使用过程中配置，调整。摄像头配置端口SCCB总线程序编写，data数据的采集，接收识别存储。将OV7660配置的程序通过NRF24LE1烧写进SCCB。
SCCB 是OmniVision 公司定制的串行摄像头控制总线(Serial Camera Control Bus)，它用于对摄像头的寄存器进行读写，以达到对摄像头输出图像的控制。两线制SCCB 与I2C 总线类似，是一种双向二线制同步串行总线。SCCB 的数据传输由主器件控制，主器件能够发出数据传输启动信号、时钟信号以及传送结束时的停止信号。通常主器件都是微处理器，它寻址访问的设备称为从器件。为了进行通讯，每个接到SCCB 的设备都有一个唯一的地址(ID) ,使用软件来识别总线上的从器件，省去了从器件的片选。因此,只需要两根线(串行时钟线SIO_C 和串行数据线SIO_D) ,挂接到总线上的器件就能相互进行信息传递。
2.4.5 图像采集和数据转换传输部分设计
对于整个内窥镜胶囊来说,成像采集系统是其中最核心和关键的部分。如图2-1所示,主要由CMOS、透镜、LED发光二极管、微型电池、挪威的NRF24LE1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NRF24LE1采集,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、将采集到图像数据进行完整和快速地传输、通过磁控开关和电源控制电路进行低功耗设计。
本系统核心控制MCU部分采用挪威NORDIC公司09年最新推出的NRF系列射频集成芯片NRF24LE1，考虑的胶囊内窥镜微型化及低功耗的需要，NRF24LE1最大的优势是在很小的封装内集成了8051内核的MCU，成为本次设计控制，射频的主要核心部分。
设计中采用NRF24LE1 是世界上最小、集成度最高的单片超低功耗2.4GHz无线系统芯片。nRF24LE1是目前业界尺寸最小的单片无线解决方案，它把Nordic公司性能优异的2.4GHz收发器核（nRF24L01+）和一个增强型8051混合信号微控制器核与闪存集成在一块芯片上，采用QFN封装，尺寸只有4×4mm。与以前的8051器件相比，nRF24LE1上面所集成的增强型8051混合信号微控制器核执行一条指令的时钟周期较少。大多数指令只需要一个或者两个时钟周期，因而按照MIPS（每 秒百万条指令）测试标准，它的性能平均提高了8倍。
NRF24LE1的另一个特色是最大电流非常小，可以使用钮扣电池供电，真正地实现了超低功耗。
这部分主要包括并行数字彩色CMOS图像传感器OV7660、图象采集无线发射芯片（NRF24LE1）、具有两种波长的SMD贴片LED管等。在临床医学诊断中要求胶囊体积小、能观测出清晰高质量的彩色病变图像以及相应增加胶囊在体内的观察停留时间,从而提高疾病诊断的准确率。就整体而言,图像采集和数据转换传输部分在很大程度上决定了整体外观尺寸和采集图像的质量,而且也是系统工作中功耗最大的部分。因此,方案中采用如下的硬件设计:
(一) 在实验研究中发现, CMOS图像传感器是制约系统整体尺寸和功耗的瓶颈。在此,选用彩色数字输出的OV7660,具有体积小(4mm ×4mm×1mm),低功耗( 在1帧/s情况下1. 4mW )、可编程的特点,其默认输出为4: 2: 2 YUV格式。图2-10所示为改进后自行设计的外围控制电路图。同时,可利用NRF24LE1内嵌入的单片机通过芯片SCCB接口可对芯片内部寄存器值进行改写,从而控制输出图像的尺寸、亮度、饱和度和输出格式等可控项,满足现场采集不同情况下的要求。由于OV7660的I/O的供电电压是2. 8V，与一般CMOS的5V供电电压有很大不同，用常用51单片机难以满足要求。而NRF24LE1内嵌入的51单片机I/O电压范围可从2. 7~5. 5 V,适合作为控制电路的主控器件使用。同时NRF24LE1内部还内置无线发射模块NRF24L01，可以达到2Mdbs速率。
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