智能視力檢查表電路設(shè)計(jì)

蔣 成，周春梅

（四川工商學(xué)院電子信息工程學(xué)院，四川 成都 611745）

1 智能視力檢測(cè)系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計(jì)

1.1 軟件設(shè)計(jì)方案

如圖1 所示，軟件設(shè)計(jì)同硬件設(shè)計(jì)一樣，主分為三個(gè)模塊，是屬于整體設(shè)計(jì)的數(shù)字端，由紅外遙控接收遙控器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，做轉(zhuǎn)換，發(fā)給中心控制端，中心控制端做解析后，發(fā)給VGA 端，由VGA 接口將數(shù)據(jù)傳到顯示器，并顯示E。

圖1 軟件設(shè)計(jì)方案流程圖

1.2 算法設(shè)計(jì)

（1）算法模塊

視力檢測(cè)算法要求視力檢測(cè)時(shí)，使用者根據(jù)自己觀測(cè)到的視標(biāo)開(kāi)口方向提供反饋信息，F(xiàn)PGA 將對(duì)這些反饋信息進(jìn)行記錄和處理后，選擇下一個(gè)E 視標(biāo)進(jìn)行顯示。最后將這些結(jié)果進(jìn)行整理得到最后的視力檢測(cè)結(jié)果。反饋信息的處理和整理過(guò)程就是下面要介紹的視力檢測(cè)算法。

（2）判斷時(shí)間

在視力檢測(cè)時(shí)需要使用者對(duì)判斷方向提供反饋信號(hào)后再顯示下一個(gè)信息，正常情況下，在進(jìn)行視力檢測(cè)時(shí)，從看到視標(biāo)的那一刻起，人的大腦需要一段反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行方向的判斷，然后根據(jù)判斷結(jié)果按下對(duì)應(yīng)的方向按鍵。本設(shè)計(jì)就這段時(shí)間的長(zhǎng)短進(jìn)行了限制，使整個(gè)算法更為標(biāo)準(zhǔn)化和人性化，減少了人為誤差。

如圖2 中的延時(shí)計(jì)數(shù)器軟件設(shè)計(jì)圖所示的程序代碼表示，延時(shí)為2 秒，意思是需要在使用者按下按鍵后進(jìn)行下一個(gè)視標(biāo)的顯示，這段時(shí)間是由使用者的反應(yīng)判斷時(shí)間加上按鍵時(shí)間共同決定的。本設(shè)計(jì)將視標(biāo)的顯示時(shí)間設(shè)為2s，如果超出反應(yīng)時(shí)間段后使用者仍然沒(méi)有輸入按鍵信息則認(rèn)為使用者無(wú)法看清該視標(biāo)[1]。

圖2 延時(shí)計(jì)數(shù)器軟件設(shè)計(jì)代碼

1.3 紅外遙控模塊

（1）紅外遙控模塊整體設(shè)計(jì)

紅外遙控模塊的軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，只做數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，如圖3。

圖3 紅外遙控設(shè)計(jì)流程圖

按鍵信號(hào)（key_flag）包括功能命令和方向命令數(shù)據(jù)，由NEC 協(xié)議傳輸?shù)郊t外控制端，做數(shù)據(jù)解析，然后傳給中心控制芯片。

（2）NEC 協(xié)議算法

NEC 協(xié)議是紅外遠(yuǎn)程控制控制最常用的傳輸協(xié)議之一。當(dāng)遙控器按下按鍵時(shí)，會(huì)發(fā)出一幀的數(shù)據(jù)，這一幀的數(shù)據(jù)分別為引導(dǎo)碼、地址碼、地址碼反碼、數(shù)據(jù)碼、數(shù)據(jù)碼反碼；然后由HS0038B 紅外芯片接收。本次設(shè)計(jì)的遙控器所需的各個(gè)按鍵發(fā)送數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 遙控按鍵指示表

1.4 中心控制模塊

（1）中心控制模塊整體設(shè)計(jì)

如圖4 中心控制模塊是為FPGA 內(nèi)部運(yùn)算來(lái)控制，主要是分為判斷模塊、計(jì)數(shù)模塊和隨機(jī)數(shù)模塊。

圖4 中心模塊控制流程圖

（2）隨機(jī)數(shù)模塊

在FPGA 的電路設(shè)計(jì)中，$androm 只能在仿真是運(yùn)用，對(duì)于在系統(tǒng)綜合是無(wú)法編譯成功，而若是要是實(shí)現(xiàn)隨機(jī)，只能運(yùn)用偽隨機(jī)法，偽隨機(jī)法是屬于長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看有周期性的隨機(jī)算法。

如圖5，當(dāng)給出load 信號(hào)后，由seed 左右種子數(shù)，然后rand_rom 循環(huán)移位，最后隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)2 字節(jié)的數(shù)據(jù)，分別為00、01、10、11，每個(gè)字節(jié)生成的概率相等，本次設(shè)計(jì)給出，判斷rand_num 的數(shù)據(jù)，定義rand_num=00 時(shí)視標(biāo)“E”方向?yàn)樯希瑀and_num=01時(shí)“E”方向?yàn)橄?，rand_num=10 時(shí)“E”方向?yàn)樽?，rand_num=11 時(shí)“E”方向?yàn)橛?，如?。（3）用戶判斷模塊

圖5 隨機(jī)數(shù)生成軟件示意圖

表2 隨機(jī)數(shù)功能示意表

用戶判斷模塊是一個(gè)比較復(fù)雜的模塊，主要是需要根據(jù)用戶按鍵判斷的方向和視標(biāo)“E”的方向是否匹配。由于紅外遙控模塊的NEC 協(xié)議傳輸?shù)陌存I方向數(shù)據(jù)不是00、01、10、11，故此，在進(jìn)行方向判斷之前，需要將NEC 傳數(shù)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方式為：將紅外遙控模塊的數(shù)據(jù)（hs0038b_data）進(jìn)行判斷，做一個(gè)按鍵判斷寄存器（key_judge_buff），并由狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；

如圖6 所示，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)送數(shù)據(jù)完成（hs0038b_en=1）狀態(tài)機(jī)進(jìn)入1 狀態(tài)，并且判斷hs0038b_data的 值，為h46 時(shí)，key_judge_buff 賦值為00；表示方向判斷為上，當(dāng)為hs0038b_data=h15 時(shí)，key_judge_buff 賦值為01，表示方向判斷為下；當(dāng)為hs0038b_data=h44 時(shí)，key_judge_buff 賦值為10，表示方向判斷為左；當(dāng)為hs0038b_data=h43 時(shí)，key_judge_buff 賦值為11，表示方向判斷為右；當(dāng)給key_judge_buff 賦值后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入3 狀態(tài)，為方向判斷，判斷語(yǔ)句為o_judge=key_judge_buff&&e_fx；表示當(dāng)key_judge_buff和e_fx 相同時(shí)，o_judge=1，否則為0。

圖6 用戶判斷軟件示意圖

1.5 VGA 接口調(diào)用模塊設(shè)計(jì)

需要顯示的內(nèi)容包括：E 視標(biāo)、和最后的檢測(cè)結(jié)果。設(shè)計(jì)程序按照功能分為時(shí)鐘部分設(shè)計(jì)、VGA 驅(qū)動(dòng)部分和VGA 顯示控制部分3 個(gè)模塊， 其模塊劃分結(jié)構(gòu)如圖7 所示。Div_2 是時(shí)鐘分頻模塊，將50Mhz 的時(shí)鐘作2 分頻，分為25Mhz，以提供輸入時(shí)鐘和復(fù)位時(shí)鐘。VGA_show 是顯示模塊。按時(shí)序描述VGA 顯示內(nèi)容，VGA_driver 是VGA 驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)時(shí)序及狀態(tài)進(jìn)行約束。

圖7 vga 顯示模塊設(shè)計(jì)圖

（1）分頻模塊設(shè)計(jì)

分頻模塊的設(shè)計(jì)是為了滿足VGA 顯示640×480分辨率所需時(shí)鐘的25Mhz，而本次設(shè)計(jì)所采取的系統(tǒng)時(shí)鐘為50Mhz，故此只需要將系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行二分頻；

二分頻極為簡(jiǎn)單，如圖8 所示，當(dāng)系統(tǒng)來(lái)一個(gè)時(shí)鐘上升沿，clk_25Mhz 取反，并且，將clk_25Mhz 作為輸出即可實(shí)現(xiàn)二分頻。

圖8 二分頻軟件示意圖

（2）VGA 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

在前面第三章介紹部分講了，VGA 若要實(shí)現(xiàn)顯示，則需要將有效數(shù)據(jù)送到顯示屏上，例如640×480 分辨率的VGA，其有效數(shù)據(jù)位是640×480，然而其實(shí)際數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為800×525，因此，需要將行計(jì)數(shù)器（h_cnt）和場(chǎng)計(jì)數(shù)器（v_cnt）的數(shù)據(jù)減去顯示前沿和顯示后沿；

如圖9 所示，表示對(duì)行、場(chǎng)同步計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，行同步計(jì)數(shù)器（h_cnt）計(jì)數(shù)到行同步周期800（H_TOTAL），場(chǎng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到525（V_TOTAL）。

圖9 VGA 驅(qū)動(dòng)模塊軟件示意圖

（3）VGA 顯示模塊設(shè)計(jì)

VGA 顯示模塊主要是接收來(lái)字隨機(jī)數(shù)模塊的數(shù)據(jù)和VGA 驅(qū)動(dòng)模塊的數(shù)據(jù)，并且調(diào)用內(nèi)部rom IP 核，將rom 內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸給顯示屏并顯示出來(lái)。

如圖10 所示，VGA 顯示模塊接收到來(lái)隨機(jī)數(shù)，做相應(yīng)的方向隨機(jī)變化，接受到驅(qū)動(dòng)模塊的數(shù)據(jù)，顯示再顯示屏上。

圖10 VGA 顯示模塊流程圖

2 智能實(shí)力檢測(cè)表測(cè)試

2.1 功能仿真測(cè)試

（1）時(shí)鐘分頻模塊仿真測(cè)試

時(shí)鐘分頻模塊是用來(lái)生成VGA 時(shí)序的，本次設(shè)計(jì)采用的VGA 分辨率是680*600，所需要的時(shí)鐘是25Mhz 的時(shí)鐘，即對(duì)50Mhz 的系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行二分頻，將輸出時(shí)鐘o_clk 作為VGA 的時(shí)序時(shí)鐘，其仿真圖如下；

如圖11 的仿真所示：當(dāng)使能信號(hào)拉高后，每來(lái)一次系統(tǒng)時(shí)鐘i_sys_clk 上升沿，o_clk 便拉高一次，而輸出的o_clk 便是25Mhz 的時(shí)鐘。

圖11 時(shí)鐘分頻仿真圖

（2）隨機(jī)模塊測(cè)試

隨機(jī)數(shù)模塊用來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的。每次產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)都代表下一次視標(biāo)的顯示方向，為了保證顯示視標(biāo)符合隨機(jī)顯示的需求，需要一個(gè)隨機(jī)數(shù)來(lái)確定方向。設(shè)計(jì)中定義了一個(gè)四位的循環(huán)移位寄存器，其中對(duì)這四位數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值，初始值為11，每次時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來(lái)后進(jìn)行一次循環(huán)移位處理。其中對(duì)視標(biāo)的四個(gè)顯示方向分別定義為上：00，下：01，左：11，右：10。每次需要提取隨機(jī)數(shù)進(jìn)行下次視標(biāo)顯示時(shí)就對(duì)寄存器的后兩位數(shù)值進(jìn)行提取。提取的時(shí)間由手持端按鍵按下的時(shí)間決定，每個(gè)操作的人間隔時(shí)間都不相同，因此具有隨機(jī)性。首先要證明上下左右的概率相同，都為1／4，這樣才能滿足各朝向數(shù)目均等的要求。其概率仿真圖如圖12 所示。

圖12 隨機(jī)模塊仿真圖

如圖12 的隨機(jī)模塊仿真圖所示，由seed 做為種子，通過(guò)循環(huán)移位后，再某個(gè)時(shí)鐘就會(huì)得到隨機(jī)數(shù)，而隨機(jī)數(shù)作為VGA 顯示模塊隨即便換的驅(qū)動(dòng)。

2.2 功能測(cè)試

圖13 初始界面顯示

圖13 顯示視標(biāo)“E”

初始界面顯示為START，當(dāng)JTAG 驅(qū)動(dòng)之后，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)作，顯示器顯示，如圖12 所示的START。

如圖14 顯示的第一級(jí)時(shí)標(biāo)“E”，是當(dāng)測(cè)試者按下遙控器中心鍵后的顯示。

圖14 遙控按鍵判斷圖

如圖14 所示，為測(cè)試中按下遙控鍵的圖，其中等亮表示此次判斷正確。如圖15 所示，為測(cè)試者再次按下遙控的中心鍵后的顯示，當(dāng)測(cè)試這第二次按中心鍵表示系統(tǒng)運(yùn)作結(jié)束，并且顯示測(cè)試者此次測(cè)試的視力數(shù)據(jù)。

圖15 結(jié)束界面視圖

3 結(jié)語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)是一個(gè)基于FPGA 實(shí)現(xiàn)的智能視力檢測(cè)系統(tǒng)，改善了傳統(tǒng)的使用視力表檢測(cè)時(shí)需要人工輔助的弊端，實(shí)現(xiàn)了更加智能人性化的視力檢測(cè)過(guò)程。設(shè)計(jì)通過(guò)介紹標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)視力表的優(yōu)勢(shì)和原理，說(shuō)明了選擇其作為智能視力測(cè)量參考的原因。然后按照設(shè)計(jì)流程，分幾個(gè)模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了從方案選擇到軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)描述。顯示端使用FPGA 作為控制核心，與液晶顯示屏進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)VGA 的顯示，與無(wú)線接收模塊相連接收發(fā)送的按鍵信息。模型系統(tǒng)在借助了開(kāi)發(fā)板的情況下，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)視力檢測(cè)的模擬過(guò)程，并進(jìn)行了仿真測(cè)試和整機(jī)實(shí)測(cè)。模型系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)需求，取得比較滿意的設(shè)計(jì)效果。