基于嵌入式Linux的便携式超声仪的控制系统
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论...................................................................................................................1
§1.1 超声诊断仪产品现状和发展...........................................................................1
§1.2 便携式超声诊断仪需求分析...........................................................................2
§1.3 课题研究内容和任务.......................................................................................3
第二章 超声仪系统框架.................................................................................................5
§2.1 超声仪的系统架构及实现方案........................................................................5
§2.1.1 超声图像采集模块.................................................................................6
§2.1.2 视频合成缓冲模块.................................................................................7
§2.2 控制系统............................................................................................................7
§2.2.1 核心芯片选型及其介绍.........................................................................8
§2.2.2 控制系统结构框图.................................................................................9
§2.2.3 核心芯片与外设的接口设计.................................................................9
§2.3 控制系统与各个模块之间的接口设计.........................................................11
§2.3.1 控制系统与超声图像采集模块之间的接口........................................11
§2.3.2 控制系统与视频合成模块之间的接口...............................................12
第三章 控制系统的软件平台.......................................................................................14
§3.1 嵌入式操作系统的选型.................................................................................14
§3.1.1 嵌入式操作系统简介...........................................................................14
§3.1.2 嵌入式操作系统的选型.......................................................................15
§3.1.3 嵌入式 Linux 系统的一般结构设计 ................................................... 17
§3.2 嵌入式 Linux 的开发环境建立 ..................................................................... 18
§3.2.1 交叉编译环境.......................................................................................18
§3.2.2 串口终端的设置...................................................................................19
§3.2.3 宿主机 NFS 服务的配置 ..................................................................... 20
§3.2.4 TFTP 的配置及使用 ............................................................................. 21
§3.2.5 交叉编译过程.......................................................................................22
§3.2.6 Makefile 文件的介绍 ............................................................................ 23
§3.3 引导程序.........................................................................................................24
§3.3.1 引导程序简介.......................................................................................24
§3.3.2 启动流程...............................................................................................24
§3.4 内核的制作.....................................................................................................25
§3.4.1 内核源码介绍.......................................................................................26
§3.4.2 内核的移植的关键步骤.......................................................................26
§3.4.2 内核的裁剪与配置...............................................................................27
§3.5 根文件系统的制作.........................................................................................29
§3.6 CSI 模块驱动的开发 ...................................................................................... 30
§3.6.1 i.MX21 中CSI 模块的简介 ..................................................................30
§3.6.2 CSI 驱动程序的模块化设计 ................................................................ 31
§3.6.3 CSI 模块的驱动设计的关键代码 ........................................................ 33
第四章 控制系统的应用程序.......................................................................................36
§4.1 超声仪的人机界面设计..................................................................................36
§4.1.1 GUI 的选型 ........................................................................................... 36
§4.1.2 MiniGUI 的移植 ....................................................................................37
§4.1.3 人机界面的设计....................................................................................39
§4.1.4 MiniGUI 主程序的开发 ........................................................................41
§4.2 超声图像采集及 SD 卡保存 ......................................................................... 44
§4.2.1 功能实现方案.......................................................................................44
§4.2.2 BMP 文件的构建.................................................................................. 45
§4.2.3 实现功能的关键代码............................................................................47
§4.2.4 与图形界面的接口...............................................................................49
§4.3 打印模块的设计.............................................................................................50
§4.3.1 打印方案的设计....................................................................................50
§4.3.2 Netpbm 的移植过程 ..............................................................................52
§4.3.3 Ghostscript 的移植过程 ........................................................................ 54
§4.3.4 Hpijs 的移植过程 ..................................................................................55
§4.3.5 功能调试以及与图形界面的接口.......................................................56
第五章 结论与展望.....................................................................................................59
参考文献.........................................................................................................................60
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................63
致 谢...........................................................................................................................64
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 超声诊断仪产品现状和发展
自上世纪 70 年代至今，超声技术在临床上的应用已经有几十年的历史，因其
直观，方便，无损，廉价，诊断快速，应用十分广泛，其普及程度为所有影像技
术之首。
目前的超声设备从功能和体积上大致可以分为两大类：大型超声诊断工作台
和便携式超声诊断仪。
大型超声诊断工作台具有完善的诊断功能，具有多种临床应用，不仅成像质
量高，而且还具有丰富的辅助功能。此类设备使用通用计算机[1-2]或者专用的高性
能计算机作为中央控制系统和图像处理平台，具有高性能的软硬件环境，因此能
实现较强的计算机图像处理功能，并且可以很方便的实现图像存储回放，档案管
理及远程传输，具备 DICOM3.0 接口等等，同时显示内容丰富，人机界面友好，
并配备大量的应用软件模块,如自动计算，病档管理等，能很好地提高工作效率和
诊断正确性。但是这一类超声诊断仪体积都比较庞大，携带性不强，图 1-1 为某公
司生产的超声诊断工作台外观图。
图1-1 超声诊断工作台外观图
便携式超声仪一般具有体积小，便于携带的特性，其外观图如图 1-2 所示。由
于受体积的限制，该类机型主要采用 8位/16 位的微控制器作为中央控制系统，虽
然可实现基本的成像以及一些简单的图像后处理功能，但其余功能往往比较欠缺。
基于嵌入式 Linux 的便携式超声仪的控制系统
2
图1-2 便携式超声诊断仪外观图
在便携式超声仪上实现大型超声诊断工作台所具有的完善功能是超声诊断仪
的一个重要发展趋势。随着微电子技术的发展，尤其是 32/64 位高性能嵌入式处理
器的广泛应用，使这一目标的实现成为可能。
§1.2 便携式超声诊断仪需求分析
本文研究的重点是利用高性能嵌入式处理器平台提高便携式超声诊断仪的性
能，使其尽量接近于大型工作台。
目前的 32/64 位高性能嵌入式处理器[3]可以很方便地实现嵌入式操作系统的移
植，嵌入式操作系统是根据成熟完整的操作系统根据应用裁剪而成的，因此可以
很方便的实现通用操作系统可以实现的功能，因此，本文中的控制系统软件平台
移植适当的嵌入式操作系统，就可方便地实现图像信息的存档回放等信息化管理，
开发网络功能以供远程会诊，同时可基于系统平台来开发人机交互 GUI 界面，这
些功能基于系统平台后可以大大地减少开发周期和开发成本。
根据高性能嵌入式微处理器的特点，在便携式超声仪上可以实现的功能有以
下这些：
1、图像采集 嵌入式控制系统采集成像系统传来的图像信息并进行保存，以
及将已保存的图像回放并进行后处理。
2、人机交互 设计友好的人机交互界面，并配备有相关的输入输出设备用来
进行人机对话。
3、文件系统 由于基于操作系统平台，因此可以方便地实现文件系统并进行
管理，同时可使信息无需经过再处理直接传递给通用操作系统查看并管理。
第一章 绪论
3
4、信息管理 文件系统的存在为信息管理提供了可能，信息管理包括图像文
件归档，并供随时调用查看或是打印输出。
5、存储 利用海量存储设备长期保存图像文件。
6、普通打印机图像输出 现在市场上的便携式超声仪限于其处理器的有限处
理能力，只配备标准视频(Video)接口作为其图像输出通道，因此只能使用视频打
印机(Video Printer)作为图像输出设备。这种配置带来若干缺点，首先视频打印机
通常价格昂贵而且必须使用专用打印纸，打印成本较高，这与小型 B超的低成本
诉求相矛盾；其次数字形式的图像信号必须经过一次 D/A 转换才能变换成模拟的
视频信号，这不仅增加了电路的复杂性而且容易引起图像质量下降。而外接普通
打印机可以解决这种打印的高成本耗费问题。
7、网络传输 随着医学影像信息学的发展和 PACS[4]（Picture Archiving &
Communication System）的应用，医学影像设备具有网络功能是一个必然的趋势。
配备网络接口，可实现远程会诊并且符合 DICOM[5]标准。
§1.3 课题研究内容和任务
本课题中研究的内容主要有以下几个方面:
1、选用适合的核心处理器
综合选型考虑，本课题采用 ARM9 为控制系统处理器，完成实时控制，信号
处理。以及对外挂 I/O 设备的控制，比如以太网、USB 总线、SD 卡、液晶屏等，
而且拥有了数据输入输出高速的吞吐能力。掌握如何通过 ARM 端的参数来完成对
超声图像采集模块的控制和他们之间的通讯。
2、选用适当的嵌入式操作系统，
嵌入式操作系统并不是简单嵌入的操作系统，它与通常意义上的操作系统有
一定的区别。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度
工作，控制协调并发活动，它必须体现所在系统的特征，能够通过装卸某些模块
来达到系统所要求的功能。本课题考虑采用嵌入式 Linux 作为嵌入式操作系统开发
平台，因为它具有开放的源码，丰富的软件资源功能强大的内核，性能高效、稳
定，多任务支持多种体系结构，如 X86, ARM, MIPS ,ALPHA, SPARC，价格低廉
等等优点。
3、建立软硬件开发平台
基于嵌入式 Linux 的便携式超声仪的控制系统
4
通过选型确认软硬件的平台为基于 ARM-LINUX 的嵌入式平台，嵌入式系统
的开发因其自身资源的有限，需要建立一套交叉编译环境来进行系统的开发。
4、设计开发选择合适的 GUI 开发工具
设计优秀的 GUI 软件，并掌握其开发方法，设计出高效稳定的 GUI 程序。
5、根据系统的控制要求，设计模块化的应用程序
系统基于 ARM-Linux 平台，完成对外围设备的控制。采用模块化的程序设计，
可以保证系统稳定有效的运行，方便系统的后续开发和升级。
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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论...................................................................................................................1§1.1超声诊断仪产品现状和发展...........................................................................1§1.2便携式超声诊断仪需求分析............................................................
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