自助式視力檢測儀器的設(shè)計

許劍銳　何偉浩　葉銘銘

摘 要：本團(tuán)隊致力于研制一套自助式視力測試儀器，以實現(xiàn)使用者獨自在該智能儀器的輔助下可以對自身的視力狀況進(jìn)行檢測。本設(shè)計采用STM32F103RCT6型單片機作為控制單元的核心芯片，結(jié)合屏幕顯示圖標(biāo)輸出以及按鍵輸入進(jìn)行儀器硬件整體的搭建，軟件采用C語言編程設(shè)計，實現(xiàn)了便捷進(jìn)行視力檢測的效果，包括遠(yuǎn)近視視力度數(shù)檢測、色盲檢測、散光檢測等，同時擁有眼保健操、視力小游戲、視力小知識等功能板塊。實驗測試與調(diào)查結(jié)果表明，該儀器體積小，使用方便、檢測結(jié)果準(zhǔn)確、運行可靠；與傳統(tǒng)的檢測視力方式相比，該儀器的使用能夠有效地避免人為機械記憶視力表的現(xiàn)象發(fā)生，同時節(jié)省了部分眼科醫(yī)護(hù)人力資源。

關(guān)鍵詞：自助式；視力測試；STM32；屏幕顯示；圖標(biāo)

中圖分類號：TP273+.5

0 引言

視力是指視覺系統(tǒng)對影像的分辨能力，我國利用國際視力表和標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表的檢測方法對視力進(jìn)行測試。但傳統(tǒng)的視力檢測方法在使用時并不方便，而當(dāng)前市場上的視力檢測儀器價格昂貴、操作復(fù)雜也不利于視力檢測的順利實現(xiàn)。因此，設(shè)計一款價格低廉、操作方便的自助式視力檢測儀器，有助于普及全民檢測自身視力、關(guān)注自身視力，對緩解我國目前嚴(yán)重的視力問題具有重大意義。

自助式視力檢測儀器是以單人獨自檢測自身視力情況為主要應(yīng)用目的，利用可調(diào)控的硬件器件、模塊進(jìn)行搭建并結(jié)合可設(shè)計的軟件程序制作的系統(tǒng)平臺。硬件采用高性價比的STM32F103RCT6型單片機，在滿足系統(tǒng)基本控制要求的同時還能預(yù)留一定的擴展功能的接口，以備功能后續(xù)開發(fā)和完善[1-2]。軟件采用C語言編制，全部程序在單片機支持控制下研發(fā)完成。顯示部分采用彩色液晶（LCD）生成效果展示，主要功能檢測視力部分以國際標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表GB 11533-2011 “E”字表為圖標(biāo)，圖標(biāo)共14行，每屏隨機顯示一行中的一個，視力檢測距離為5m[3]。該儀器避免了人為機械記憶視力表的現(xiàn)象發(fā)生，檢測操作簡單，被檢測者只需選擇按鍵就能完成視力檢測結(jié)果，同時，儀器體積小，制作精密，制作成本低，使用范圍廣。

1 自助式視力檢測儀器原理及總體設(shè)計

自助式，即被檢測者能夠在獨自一人的情況下完成視力檢測。所以，自助式視力測試儀器的實現(xiàn)原理就是通過運用一系列電子器件模塊設(shè)計搭建一個智能化的電子產(chǎn)品，將傳統(tǒng)的視力檢測方案中的醫(yī)療人員取而代之。因此，本設(shè)計并沒有改變傳統(tǒng)的視力檢測視力的醫(yī)學(xué)原理，而是在測試形式方案上發(fā)展提供了新型設(shè)計。

上以該儀器中遠(yuǎn)近視視力度數(shù)檢測功能板塊為例，把一整版國際標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表GB 11533-2011 “E”字符按大小有規(guī)律進(jìn)行拆解，并逐一在液晶屏幕上給出顯示。屏幕上的“E”字符大小根據(jù)國標(biāo)按測試距離進(jìn)行計算，每屏隨機顯示一行中的一個，以人機交互的模式模擬真實測試環(huán)境完成對視力情況的檢測。

基于這一目標(biāo)的探討論述，隨即則提出如下研究工作內(nèi)容。首先，要求儀器能維持自身工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括對自我工作狀態(tài)、性能的檢測；其次，在中央處理器的調(diào)控處理下，系統(tǒng)具有按鍵控制輸入以及顯示輸出功能；最后，若系統(tǒng)長期沒有反應(yīng)或者因為不可知情況而崩潰，可以通過鍵入調(diào)整快速恢復(fù)或者能自動結(jié)束并退出。

針對上述工作內(nèi)容，本設(shè)計選用了ARM先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核的32位MCU --STM32F103RCT6型單片機芯片作為儀器系統(tǒng)的核心芯片設(shè)計STM32單片機控制模塊，STM32具有優(yōu)異的實時性能、杰出的功耗控制和出眾及創(chuàng)新的外設(shè)[]?？傮w設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 自助式視力檢測儀器模塊化電路設(shè)計

根據(jù)自助式視力檢測儀器所需的硬件器件條件，為了便于分析，將整個儀器系統(tǒng)硬件電路模塊化，主要分為4部分：STM32處理微控制器模塊、液晶顯示輸出模塊、按鍵輸入信號模塊及供電模塊。

2.1 STM32微處理控制器模塊

STM32微控制器模塊主要對按鍵輸入信號采集模塊傳來的鍵位信號進(jìn)行解析并展開相應(yīng)的處理，根據(jù)軟件設(shè)計過程中定義的工作流程，將其轉(zhuǎn)換為編輯好的各種控制指令，通過藍(lán)牙通訊無線技術(shù)傳輸?shù)揭壕э@示輸出模塊，控制液晶顯示系統(tǒng)做出相應(yīng)的顯示。微控制器最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

采用STM32系列芯片作為主芯片MCU，在有源進(jìn)品振蕩方面，利用STM32的外部時鐘源來對自主視力檢測儀器提供驅(qū)動系統(tǒng)時鐘（SYSCLK），并通過芯片組內(nèi)部PLL電路，最終為整個儀器系統(tǒng)的正常模式功能提供工作頻率；在調(diào)試接口方面，則利用STM32芯片組提供的UART調(diào)試接口對系統(tǒng)進(jìn)行必要的調(diào)試和開發(fā)工作。

2.2 液晶顯示輸出模塊

液晶顯示輸出模塊主要用于針對STM32微控制器模塊彈射的指令進(jìn)行給定視標(biāo)圖像的顯示。電路接口按主控板相應(yīng)位置連接即可。

在自助式檢測視力儀器設(shè)計中，重點需要使用液晶面板將被測試的圖標(biāo)直觀地呈現(xiàn)給受檢者，而為達(dá)到最佳的人機交互效果，本設(shè)計采用了8寸屏、分辨率600*800屏上帶電阻式觸摸屏。Thin Film Transistor（薄膜場效應(yīng)晶體管），是指液晶顯示器上的每一液晶像素點都是由設(shè)計集成在其后的薄膜晶體管來實現(xiàn)驅(qū)動，從而可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕圖像信息[4]。

2.3 按鍵輸入信號采集模塊

為達(dá)到人機交互并通過受檢者的判斷引領(lǐng)儀器測試進(jìn)程的目的，使用了按鍵輸入來確定檢測者的方向選擇。鍵盤部分分為上下左右四個方向按鍵和確定、選擇兩個功能按鍵。方向按鍵是在測試過程中，讓受檢者輸入自己所選擇的圖標(biāo)方向而給出研究展示的，功能按鍵的設(shè)計則是為了完成對整個系統(tǒng)運行的控制和使用模式的選擇。鍵位輸入模塊電路如圖3所示，一旦有實驗測試規(guī)定的按鍵動作發(fā)生，則鍵盤模塊動作的按鍵對應(yīng)的引腳的電平立即降為低電平，微處理器即提取對應(yīng)鍵位信息。

2.4 供電模塊

電源電路的設(shè)計原則是在滿足儀器系統(tǒng)的正常工作的情況下盡可能地減少儀器在使用中的功耗。大體來說，主要是為2部分供電：一個是STM32微控制器及鍵盤輸入模塊，二是可觸控液晶面板。

研究可知，電源電路的功能實現(xiàn)過程可闡析概述如下：

1）利用變壓器將輸入220V電壓變換成12V電壓；

2）通過整流二極管對電源電流進(jìn)行整流，將交流電轉(zhuǎn)化為直流電；

3）利用一個3300UF的電解電容器過濾掉無用的多余信號；

4）使用集成模塊LM2596S穩(wěn)壓操作即可，該5V穩(wěn)壓電路如圖4所示。

其中，STM32微處理器的額定工作電壓（VDD）為2.0～3.6V，在設(shè)計過程中使用AMS117-3.3穩(wěn)壓芯片后輸出恒定的3.3V電壓作為一個直流穩(wěn)壓的電源而為其供電。

3 實現(xiàn)自助式視力檢測功能的軟件設(shè)計

自助式視力檢測儀器的軟件設(shè)計主要是按鍵切換圖片的規(guī)則程序設(shè)計

依據(jù)其功能板塊可分為兩大類。一類是遠(yuǎn)近視視力度數(shù)檢測及小游戲板塊程序設(shè)計，一類則是除此之外其他的功能板塊程序設(shè)計。

其中，遠(yuǎn)近視視力度數(shù)檢測板塊整體上主要可劃定為4個部分，展開來說就是：獲取隨機數(shù)、圖片切換、圖片判斷、判斷錯誤。

具體的工作流程簡圖如圖5所示，當(dāng)測試者看到屏幕上顯示的字符、并在鍵盤上選按出相應(yīng)的方向后，藍(lán)牙無線傳輸模塊將發(fā)送該采集參數(shù)給中央處理器進(jìn)行處理，當(dāng)識別的按鍵方位與屏幕顯示字符的方向相符合時，屏幕隨機顯示出下一級字符，測試者觀察字符后繼續(xù)比劃手勢，以此循環(huán)。當(dāng)識別的按鍵方位與屏幕顯示字符的方向不相符合時，中央處理器指令操縱屏幕顯示所測眼睛視數(shù)，測試者隨之更換另一只眼睛再次進(jìn)行視力檢測，最終中央處理器結(jié)合2次檢測結(jié)果，生成特征綜合視力檢測報表，且將其在屏幕上有效呈現(xiàn)出來。

在此基礎(chǔ)上，小游戲的程序設(shè)計方案也是參考了圖5的設(shè)計方案，其他模塊的設(shè)計實現(xiàn)卻主要是運用了系統(tǒng)的按鍵切換圖片功能。

4 結(jié)束語

本次研究開發(fā)的基于STM32單片機控制技術(shù)及屏幕顯示技術(shù)的自助測視力儀器即是一套技術(shù)先進(jìn)、操作方便、適用于大眾的高性價比的測試視力設(shè)備。自助式的檢測方案獨具特色，而且預(yù)期設(shè)計的基本功能都已實現(xiàn)。該儀器可用于學(xué)校等教育機構(gòu)，以及公園等基礎(chǔ)建設(shè)，自助測視力設(shè)備在應(yīng)用上不僅可獨自完成視力測試，同時還可獲得精準(zhǔn)測試結(jié)果等特點。以往國民定期測試視力仍頗顯現(xiàn)實欠缺，這套自助測視力設(shè)備普及推廣使用將能大大改善這一現(xiàn)象，人們?nèi)裟軙r時掌握自己的視力健康情況，必能優(yōu)勢避免患上近視或者遠(yuǎn)視等眼疾。這也將有效緩解國民視力健康的嚴(yán)峻問題，并使其進(jìn)一步趨于合理改善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳鑫，秦宏偉，陳春麗，等.基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器研究與電路設(shè)計[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報，2013，33（6）： 44-47.

[2] 周江. STM32單片機原理及硬件電路設(shè)計研究[J].數(shù)控技術(shù)與應(yīng)用，2015（11）：1.

[3] GB 11533-2011，標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表[S].北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2011.

[4] 王波. 基于STM32單片機的數(shù)碼相框顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（17）：241-242.