基于藍牙通信的閱讀視力檢查儀設(shè)計

(浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023)

0 引言

國內(nèi)外眼科領(lǐng)域目前一般使用閱讀視力表來評估閱讀能力。傳統(tǒng)E字對數(shù)視力表使用字母“E”作為視標，而閱讀視力表則一般使用不同印刷大小的文字作為視標，可以檢查受測者適合閱讀哪種印刷大小的文字，反應(yīng)受測者進行日常閱讀時所需要的功能性視力。臨床上閱讀視力檢查可用來確定低視力患者近用助視器以及老視者配驗老視眼鏡時的配驗參數(shù)[1]；也用于比較低視力患者治療前后閱讀能力的變化，來評估視功能康復(fù)情況或手術(shù)效果[2-3]，選用合適的閱讀視力表，準確檢查閱讀視力，是眼科視功能檢查、視覺康復(fù)等領(lǐng)域的需要[4]。

國外最流行的閱讀視力表是明尼蘇達連續(xù)文本閱讀視力表，簡稱MNREAD[5]；國內(nèi)學(xué)者在MNREAD的基礎(chǔ)上開發(fā)了C-READ中文對數(shù)閱讀視力表等適用于中文本土閱讀者的檢查工具[1, 6-7]。但實際用于臨床檢查時，使用的均是紙質(zhì)版本的閱讀視力表，需要手工記錄數(shù)據(jù)，檢查效率低，且表存在光照度無法定量、文字難以逐行顯示等問題。需要一種專門的檢查儀器，優(yōu)化檢查流程，減少人工操作，自動記錄分析數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)直觀的檢查結(jié)果。除了上述功能需求，檢查儀的主要實現(xiàn)難點在于顯示最小視標所需像素密度(pixels per inch, ppi)遠高于主流平板電腦或手機屏幕的像素密度；例如C-READ中文對數(shù)閱讀視力表中，小數(shù)記錄2.0視力對應(yīng)的漢字視標高度約為0.29 mm，以一個漢字需要10*10的分辨率來計算，需要單位英寸像素點數(shù)達到874 ppi才能清晰顯示。而主流平板電腦或手機屏幕的像素密度一般不超過350 ppi，小數(shù)記錄視力、漢字視標高度和清晰顯示所需ppi對應(yīng)關(guān)系如表1所示。針對上述問題和難點，為滿足正常和低視力人群閱讀視力檢查的需要，本文基于STM8S105系列單片機，并配以BLE103藍牙4.2模塊、定制段式液晶顯示模塊和手機控制App設(shè)計了閱讀視力檢查儀。優(yōu)化數(shù)據(jù)收集效率的同時，也保證了文字視標顯示的清晰度。理論上本儀器可以通過定制來適用于多種臨床閱讀測驗。但本設(shè)計以C-READ中文閱讀視力測驗[7]為例，更好的適用于簡體中文閱讀者，以檢驗本儀器的有效性。

表1 小數(shù)記錄視力與漢字視標大小對應(yīng)表

1 閱讀視力檢查儀的總體設(shè)計

閱讀視力檢查儀總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由硬件端和上位手機App端兩部分組成。其中硬件端由STM8主控單片機、藍牙4.2透傳模塊、定制段式液晶顯示模塊和電源組成，手機App端的功能主要包括通過藍牙對單片機發(fā)送指令，通過語音識別判斷受測者閱讀內(nèi)容正誤，記錄閱讀數(shù)據(jù)和呈現(xiàn)分析結(jié)果。STM8單片機是硬件部分的主控核心，連接藍牙4.2透傳模塊對上位手機App端發(fā)送的數(shù)據(jù)進行解析，并驅(qū)動段式液晶模塊；段式液晶模塊是通過曝光、顯影、蝕刻、固化等高精度工藝將每行特定大小的文字與段位一一對應(yīng)，在單片機驅(qū)動下達到文字顯示或不顯示的效果；電源采用四節(jié)五號干電池，通過穩(wěn)壓電路分別給單片機、藍牙模塊和液晶模塊供電。使用本儀器進行閱讀視力檢查時，首先打開閱讀視力檢查儀電源，使檢查儀的單片機上電，喚醒藍牙模塊進入廣播狀態(tài)持續(xù)監(jiān)聽指令；再由醫(yī)生打開手機App連接檢查儀，并將控制指令通過藍牙串口發(fā)送至檢查儀的單片機模塊；接著定制液晶模塊在單片機的驅(qū)動下顯示屏幕上特定的漢字或符號，患者閱讀屏幕上出現(xiàn)的句子，手機App通過語音識別等方式記錄檢查數(shù)據(jù)；最終收集多組患者數(shù)據(jù)，形成檢查結(jié)果圖表。該儀器減少了人工成本，簡化了操作流程，且具有顯示效果清晰、數(shù)據(jù)記錄完整、功耗低等特點。

圖1 閱讀視力檢查儀總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊是整個閱讀視力檢查儀硬件的控制中心，負責(zé)與藍牙模塊進行數(shù)據(jù)交換，解析控制參數(shù)，驅(qū)動段式液晶面板顯示。本文使用STM8S105K6T6C單片機為閱讀視力檢查系統(tǒng)主控芯片。它是意法低功耗8位單片機，最高內(nèi)置32K閃存，嵌入130nm非易失性存儲器，提供EEPROM數(shù)據(jù)寫入操作，可達30萬次擦寫極限。片內(nèi)集成10位ADC、UART、SPI、I2C等多個外設(shè)接口?？梢詽M足本設(shè)計控制系統(tǒng)功能的全部需求。PD6和PD5兩個引腳與藍牙模塊的UART_TX、UART_RX相連，實現(xiàn)與藍牙的UART通信。PD7連接藍牙模塊的RST位，是用于控制藍牙復(fù)位的引腳。PD4連接藍牙模塊的WU位，用于藍牙低功耗喚醒。單片機與段式液晶模塊之間的通過引腳模擬特定的串行輸入信號進行通信，其中PC7連接液晶模塊的LCD_DATA串行數(shù)據(jù)輸入引腳，PC6連接LCD_CL1時鐘信號引腳1，PCPC5連接LCD_CL2時鐘信號引腳2，PD0用于控制LCD的背光強度，通過以不同占空比PWM驅(qū)動三極管將液晶模塊的背光負極間隙接通來達到控制亮度的需求。SWIM作為調(diào)試模塊接口，NRST作為復(fù)位接口。主控電路設(shè)計如圖2所示。

2.2 藍牙模塊

藍牙模塊是實現(xiàn)單片機與上位控制App之間通訊的關(guān)鍵。本設(shè)計選用目前主流的藍牙4.2解決方案，使用BLE 103 芯片，發(fā)射功率-19 dBm至+8 dBm，接收靈敏度-78 dBm。工作電壓1.7 V-3.6 V。具有超低功耗、體積小、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點[8]。通過藍牙透傳的工作方式傳輸數(shù)據(jù)，可以不對單片機與手機App之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行任何協(xié)議封裝上的處理，可以自己控制數(shù)據(jù)包的大小，只是將串口連接在單片機上，簡化了藍牙通訊的過程。BLE 103通過UART_TX、UART_RX引腳與單片機之間進行數(shù)據(jù)傳輸。藍牙模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 BLE103藍牙模塊原理圖

2.3 液晶顯示模塊

液晶是一種介于液體和晶體之間的物質(zhì)，液晶本身是不會發(fā)光，它可以通過電流來控制光纖的穿透度，從而顯示出圖像，按顯示方式分類有正顯、負顯，偏光片具有全透、半透模式。液晶顯示模塊是閱讀視力檢查儀設(shè)計的難點，普通筆段式液晶只能以較低的分辨率顯示數(shù)字和部分字母，要高清晰度顯示閱讀視力表的內(nèi)容，則需要定制段式液晶模塊。本設(shè)計正是采用了一種定制式的液晶模塊，該模塊由段式液晶顯示屏幕、2個NT7063驅(qū)動IC、LED背光源和外部連接端口等組成。液晶顯示屏幕前制程采用高精度烙板，通過曝光、顯影、蝕刻、固化等工藝將所要顯示的漢字及符號固定在指定的位置。線寬、線距可以精度可達10 μm，筆段理論形變量在1 μm以內(nèi)，具備清晰顯示中文閱讀視力表最小視標的能力。由于閱讀視力表的內(nèi)容需要長時間顯示，適用于引線總數(shù)較少的情況[9]，故采用靜態(tài)正顯驅(qū)動，占空比1/1，偏壓1/1。偏光片采用全透模式。NT7063驅(qū)動模塊一共有1個COM端，包括GND、VDD、DATA、CL1、CL2、M、BL+、BL-幾個引腳接口，其中每行中文句子為一個段落，與122個SEG端一一對應(yīng)相連。工作時，LCD驅(qū)動模塊與主控單片機通過DATA、CL1、CL2幾個接口進行SPI通信，接收從單片機輸入的數(shù)據(jù)字符串，驅(qū)動模塊再將字符串輸入LCD顯示存儲寄存器，就可以控制相映射段碼的顯示狀態(tài)。通過手機App上位控制，每次只改變一個段落的顯示狀態(tài)，就可以達到句子逐行顯示的效果。BL+,BL-是LED背光源的接口。電路原理如圖4所示。

圖4 液晶顯示模塊電路原理圖

3 軟件設(shè)計

3.1 單片機主程序設(shè)計

單片機主程序流程圖如圖5所示。采用外部事件中斷模式，上電后先初始化，然后進入低功耗模式，等待外部事件(接收到來自手機App的指令)中斷喚醒。處理完該事件后，單片機繼續(xù)進入低功耗模式。

數(shù)據(jù)傳輸是手機App與單片機直接能以一種可靠的方式進行數(shù)據(jù)交換的重要環(huán)節(jié)，因此兩者直接需要以一定的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)的打包和解碼操作。根據(jù)本設(shè)計的需要，制定了如表2的數(shù)據(jù)收發(fā)格式。

表2 數(shù)據(jù)收發(fā)格式

圖5 單片機主程序流程圖

單片機首先根據(jù)從藍牙模塊轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)長度找到校驗符，對整條數(shù)據(jù)進行校驗，再確認數(shù)據(jù)正確后對命令字進行判斷，根據(jù)命令字的內(nèi)容對控制數(shù)據(jù)做不同方式的解析，從而提取最終的控制數(shù)據(jù)來控制液晶屏段落的點亮和背光強度的控制。

3.2 手機App程序設(shè)計

由于微信小程序(以下簡稱小程序)具有跨機型的適配功能和完整的開發(fā)框架，可以調(diào)用藍牙API接口實現(xiàn)與藍牙設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸[10]，同時也可以調(diào)用語音識別接口實現(xiàn)語音的聽寫[11]。本文采用微信小程序v1.02開發(fā)上位控制手機App(以下簡稱小程序)。小程序主要功能包括：通過藍牙命令收發(fā)數(shù)據(jù)，控制屏幕句子逐行顯示，調(diào)節(jié)背光強度，語音識別閱讀內(nèi)容，收集分析閱讀數(shù)據(jù)。

小程序通過調(diào)用手機藍牙功能建立與單片機之間的藍牙通訊是實現(xiàn)上述功能、保證檢查儀屏幕正常顯示的關(guān)鍵。小程序啟動后，會直接查詢已經(jīng)記憶MAC地址的藍牙設(shè)備，如果沒有已存在的記憶地址，或無法跟已記憶的建立連接，則進入匹配狀態(tài)，查詢附近處于廣播狀態(tài)的藍牙設(shè)備，獲取并解析其特征值。鑒權(quán)成功后，訂閱該設(shè)備以建立連接狀態(tài)，同時小程序還會記憶該藍牙設(shè)備的MAC地址，以便下一次連接時直接訪問。連接成功的小程序?qū)恢碧幱诒O(jiān)聽狀態(tài)。當(dāng)操作小程序開始進行閱讀視力檢查時，小程序按照表2格式，對需要顯示的液晶字符段落、背光強度等控制信息進行整合之后調(diào)用藍牙通訊接口API將數(shù)據(jù)發(fā)送給藍牙模塊，藍牙模塊在接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給單片機，單片機將段碼映射表中相應(yīng)的字符數(shù)值傳輸并寫入檢查儀上的LCD顯示儲存器中，控制檢查儀逐行顯示相應(yīng)的段落的文字顯示。小程序與單片機之間建立藍牙通訊的邏輯流程圖如圖6所示。

圖6 小程序藍牙通訊流程圖

小程序總體流程圖如圖7所示。程序啟動后，首先通過藍牙配對連接閱讀視力檢查儀，然后醫(yī)生選擇相應(yīng)的檢查項目，開始對患者閱讀視力檢查。檢查中，要求受測者要又快又準地閱讀文字，當(dāng)一行句子出現(xiàn)時程序便開始計時，受測者停止閱讀時結(jié)束計時，程序通過調(diào)用語音識別接口聽寫閱讀內(nèi)容，以判斷受測者本行閱讀正確字數(shù)，醫(yī)生也可以手動修改正確字數(shù)，或者手動停止計時，防止語音識別誤判。小程序每一次發(fā)送控制句子顯示的指令時，只會開關(guān)一行句子的顯示，以達到逐行顯示的效果。若受測者報告完全無法看清屏幕上顯示的文字，該次檢查結(jié)束，程序會分析數(shù)據(jù)，生成結(jié)果圖表，并將結(jié)果表單及患者信息等發(fā)送至后臺服務(wù)器儲存。閱讀視力檢查儀處于閑置待機狀態(tài)時，小程序還可以通過背光控制按鈕調(diào)節(jié)背光亮度以節(jié)省電量。

圖7 小程序總體流程圖

4 測試結(jié)果與分析

本設(shè)計尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，長寬高分別為25 cm，20 cm，3.5 cm。小數(shù)記錄2.0視力對應(yīng)的中文漢字視標在日本PEAK帶刻度15倍放大鏡下可以清晰顯示，沒有鋸齒或污點，筆段形變量小與1 μm，位置誤差小與5 μm。LED背光源的平均亮度約為300 cd/m2，達到閱讀視力表100 cd/m2以上的要求。本設(shè)計外觀如圖8所示，在15倍放大鏡下顯示效果如圖9所示。其中“她們在身后留下堅實的腳印”、“我們都來畫一畫家鄉(xiāng)的景物”、“隊員們脫去了厚厚的防寒服”分別對應(yīng)小數(shù)記錄視力1.25，1.6，2.0下的視標。小程序部分界面截圖如圖10所示。其中圖10(a)是小程序主界面截圖，從上到下依次是別光亮度調(diào)節(jié)按鈕，用戶名輸入框，閱讀視力表類型選擇按鈕，開始按鈕，藍牙連接按鈕，近視力表展示按鈕，ABC表展示按鈕。圖10(b)是進行閱讀視力檢查過程中的頁面截圖，由上到下依次是倒計時框，指導(dǎo)語，計時器，手動停止按鈕，錯誤個數(shù)選擇框，以及提交按鈕。圖10(c)是結(jié)束當(dāng)前檢查后，結(jié)果呈現(xiàn)頁面的截圖。包含檢查結(jié)果折線圖以及完成每個句子時記錄的錯誤個數(shù)，閱讀時間等數(shù)據(jù)。

圖8 閱讀視力檢查儀實物圖

圖10 小程序部分程序界面

圖9 十五倍放大鏡下最小漢字視標

20名18～25歲視力正常的在校大學(xué)生在知情同意的前提下自愿參加了閱讀視力檢查測試。測試前，先對每位大學(xué)生進行了裸眼或矯正視力檢查，20名學(xué)生裸眼或矯正視力均在4.6～5.0之間，無眼科病史。閱讀視力表具有ABC 3種平行測驗，每位學(xué)生都以隨機的順序進行了測試，以排除練習(xí)效應(yīng)帶來的影響。且在前一張視力表測試完，下一張視力表測試開始前會給每位學(xué)生2分鐘的放松時間，緩解眼部疲勞，以排除疲勞效應(yīng)對實驗結(jié)果的影響。受測者的數(shù)據(jù)以：“編號-年齡-性別-視力-句子編號-對應(yīng)尺寸-錯誤個數(shù)-閱讀時間-閱讀個數(shù)”的格式進行收集，使用SPSS軟件分析結(jié)果如下表3所示。

表3 閱讀視力檢查表ABC的相關(guān)性

數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，表A與表B之間的相關(guān)系數(shù)高0.817，表A與表C之間的系數(shù)為0.794，表B與表C之間的相關(guān)系數(shù)為0.791，三張表格之間的測試結(jié)果均為高相關(guān)。表明儀器的數(shù)據(jù)記錄穩(wěn)定可靠，符合檢查標準。3個平行測驗的一致性信度高。

5 結(jié)束語

閱讀視力檢查儀硬件結(jié)構(gòu)簡單，采用極高分辨率的定制段式液晶顯示模塊，顯示效果良好；基于藍牙通信和手機APP對中文閱讀視力表進行控制，具有測試方便、自動分析檢查結(jié)果等齊全的功能。且產(chǎn)品的適用性強，具有較大的拓展空間，將來可以用于繁體中文、英文以及其他語言版本的閱讀視力自動檢查。測試結(jié)果表明，符合視力檢查標準、達到設(shè)計開發(fā)要求。為普通人和低視力患者的閱讀視力檢查提 供了準確且方便快捷的途徑，具有向醫(yī)院和普通家庭推廣的良好前景。本研究仍有一定的欠缺，將來進一步研究可以聚焦于收集正常視力人群和低視力人群的閱讀視力數(shù)據(jù)常模，在視力疾病早期篩查，視力康復(fù)治療領(lǐng)域的效果比較方面具有良好的推廣前景。