典型高效視力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　摘要：為了滿足人們?nèi)找姘l(fā)展的視辦檢測需求，使用SPCE3200微控制芯片，外部擴(kuò)展TFT-LCD模塊和鍵盤輸入模塊，設(shè)計(jì)出一種基于測試人員自主檢測的視力檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在為視力的自主檢測提供方便可靠的幫助。經(jīng)實(shí)際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)簡單高效特點(diǎn)鮮明，測試者個(gè)人即可獨(dú)立完成視力檢測的全部步驟，避免了舞弊和人為失誤的情況發(fā)生。

　　人通過感官接受外界環(huán)境所表達(dá)的信息，并根據(jù)所得到的信息做出相應(yīng)的反應(yīng)，其中人們所最常使用的就是視覺。我們常說的視力指的是人眼對影像的分辨能力，比較經(jīng)典的解釋是指人眼鑒別兩點(diǎn)是否分開的能力，視力的好壞是由視網(wǎng)膜分辨影像能力的大小來判定。通常來說，為了給醫(yī)師判斷視力提供幫助，在醫(yī)學(xué)臨床上會使用視力檢測的數(shù)值來對視力進(jìn)行評估從而對視力好壞做出判斷。

　　在我國視力檢測的方法多種多樣，但歸結(jié)起來可分為以下2種：1）較為傳統(tǒng)的方式，即一測試人、一醫(yī)師、一根指示桿、一視力表。測試人在醫(yī)師的引領(lǐng)下，分辨指出指示桿所指示的視力表上視標(biāo)的方向。2）由傳統(tǒng)方式進(jìn)化演變而來，利用當(dāng)今先進(jìn)的電子投影設(shè)備，采用先進(jìn)的圖形影像技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的視力表，將檢測所需的圖像更加清晰的呈現(xiàn)給被測試人員完成視力檢測過程。但是上述介紹的檢測方法，都有固定的缺陷，因?yàn)闊o論在哪種檢測的全過程中，均需要一名醫(yī)師進(jìn)行協(xié)助工作，這樣就會造成多種后果。1）需要對驗(yàn)光人員進(jìn)行相關(guān)的培訓(xùn)并進(jìn)行考核，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；2）在大規(guī)模體檢中，不可避免會因?yàn)獒t(yī)師的不經(jīng)意甚至偏袒舞弊情況而造成的失誤，這將對測試結(jié)果的公平性造成不良影響。

　　為克服以上缺陷，有人提出了一種全新的檢測方法，即視力的自主檢測。文中以視力的自主檢測為研究對象，嘗試設(shè)計(jì)一種“由微型計(jì)算機(jī)全程控制、單人自主即可完成測試過程的光電視力自主檢測系統(tǒng)”。擬設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)全部測試控制過程均在微處理器控制下完成，測試結(jié)果準(zhǔn)確，使用控制極其方便，不會受到環(huán)境的影響。同時(shí)，在文章中對系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行了探究，對系統(tǒng)的硬秤部分相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)工作時(shí)所需的軟件程序進(jìn)行了仿真調(diào)試。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總路

　　1.1 系統(tǒng)所需解決問題

　　為了可以達(dá)到測試者在沒有醫(yī)師指示的情況下自主就可以完成整個(gè)視力檢測過程的目的，我們希望所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠需達(dá)到如下的設(shè)計(jì)要求：

　　1）在實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)要可以生成上下左右方向隨機(jī)的視標(biāo)給測試者進(jìn)行觀察；

　　2）當(dāng)測試者對給出的視標(biāo)進(jìn)行了判斷，系統(tǒng)要能對判斷的結(jié)果與視標(biāo)原有方向進(jìn)行比對，并根據(jù)對錯(cuò)進(jìn)行相關(guān)的體現(xiàn)；

　　3）若測試者對視標(biāo)方向判斷正確，則下個(gè)顯示出的視標(biāo)大小應(yīng)比本次顯示出的視標(biāo)大小小一號；

　　4）在測試過程中若視標(biāo)方向判斷均正確，系統(tǒng)要能一直顯示到碼數(shù)最小的視標(biāo)；

　　5）若測試者對視標(biāo)方向判斷錯(cuò)誤，則系統(tǒng)能結(jié)束試驗(yàn)并輸出上一次正確時(shí)視標(biāo)對應(yīng)的碼數(shù)大?。?/p>

　　6）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)長時(shí)間無信號輸入，可以自動(dòng)結(jié)束退出。

　　1.2 系統(tǒng)工作過程設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上述所述需要實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)所需達(dá)到的要求，我們對系統(tǒng)在一個(gè)測試周期中的工作過程進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的設(shè)置，即對一個(gè)測試者獨(dú)立完成一次視力自主測試的實(shí)驗(yàn)工作流程進(jìn)行的設(shè)計(jì)。具體工作過程如下：

　　1）測試開始時(shí)，首先通電，系統(tǒng)初始化，為視力測試做好準(zhǔn)備；若出現(xiàn)錯(cuò)誤，則進(jìn)行相關(guān)提示，幫助工作人員進(jìn)行解決；

　　2）處理器讀取碼數(shù)最大方向隨機(jī)的圖片，并顯示在顯示器上；

　　3）系統(tǒng)等待測試者按鍵，并根據(jù)其按鍵所對應(yīng)的方向進(jìn)行判斷，若正確則進(jìn)行步驟4，若不正確則進(jìn)行步驟5;

　　4）系統(tǒng)生成比上一張測試圖片碼號小一號的方向隨機(jī)的圖片，并顯示在顯示器上，等待測試者進(jìn)行選擇，并根據(jù)其按鍵所對應(yīng)的方向進(jìn)行判斷，若正確則繼續(xù)循環(huán)步驟4）；若錯(cuò)誤則跳至步驟5）；

　　5）系統(tǒng)顯示最后一個(gè)判斷正確的圖片對應(yīng)的標(biāo)碼大小，將結(jié)果輸出到輸出設(shè)備；

　　6）本次視力檢測結(jié)束，系統(tǒng)結(jié)果清零，返回最初初始化以后的狀態(tài)，斷電，本次測試過程結(jié)束；

　　7）若實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)長時(shí)間無按鍵按下的狀態(tài)（在本實(shí)驗(yàn)儀器中設(shè)置時(shí)間為10 s），則強(qiáng)制結(jié)束，從試驗(yàn)狀態(tài)中跳出并顯示對應(yīng)結(jié)果。

　　其中，我們將系統(tǒng)的一個(gè)周期內(nèi)工作流程簡圖表示如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)工作簡圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2. 1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

　　為保證系統(tǒng)各功能的需求，我們根據(jù)系統(tǒng)所需完成的工作對整個(gè)硬件部分進(jìn)行了功能分塊處理，其中各個(gè)部分框圖關(guān)系如圖2所示，主要由SPCE3200主控板、TFT-LCD模塊、鍵盤輸入部分組成。其中，通過SPCE3200芯片來對TFT-LCD及鍵盤工作指令進(jìn)行控制，TFT-LCD模塊用于顯示測試，而測試開始、模式選擇以及判斷方向均通過鍵盤輸入部分來實(shí)現(xiàn)，微型打印機(jī)則做為未來擴(kuò)展的一個(gè)外設(shè)，用來打印最終結(jié)果。

　　圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　2.2 SPCE3200單片機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能

　　SPCE3200單片機(jī)系統(tǒng)擁有基于S+Core架構(gòu)32位處理器SPCE3200，擁有S+Core7內(nèi)核，內(nèi)部集成了MPEC-4的硬件編解碼、TV 解碼接口、TFT、SPI\UART\I2C\SPI標(biāo)準(zhǔn)串口、USB、SD卡等多種外設(shè)接口，擴(kuò)展方便，適用于PDA、便攜媒體播放器、監(jiān)控器、機(jī)器人等設(shè)備的開發(fā)。因此，該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的多媒體處理能力。

　　其具體特性如下：工作電壓：I/O端口的VDD 3.0~3.6 V.CPU內(nèi)核的VDD為1.62~1.98V;CPU工作頻率：27~162MHz;SDDRAM最大容量可達(dá)16 MB;具有32位/16位的SDRAM數(shù)據(jù)總線；可編程選擇顏色模式4/16/64/256/32768/65536;共6個(gè)16位CCP定時(shí)/計(jì)數(shù)器（具可編程自動(dòng)重載功能）；提供40個(gè)中斷源，分別為定時(shí)器、時(shí)基、外部輸入以及鍵喚醒等；支持鍵喚醒功能；USB功能：支持USB1.1主機(jī)或USB1.1外設(shè)；UART功能；具有通用異步接收機(jī)和發(fā)送機(jī)；提供串行外圍設(shè)備接口（SPI），具主/從模式；提供Sunplus串行輸入，輸出接口（SIO）；內(nèi)置Watchdog功能；提供LCD接口，具TFT方式/CSTN方式；支持CCIR-601/656 CMOS影像傳感器/TVE控制接口；支持SD卡和NAND型Flash，用于海量數(shù)據(jù)存儲。圖3為SPCE3200的結(jié)構(gòu)框圖。

　　圖3 SPCE3200結(jié)構(gòu)框圖

　　2.3 圖像顯示及按鍵輸入模組介紹

　　TFT-LCD中文全稱為薄膜場效應(yīng)晶體管液晶顯示器，是有源矩陣類型液晶顯示器（AM-LCD）中的一種，是在目前唯一在亮度、對比度、功耗、壽命、體軹和重量等綜合性能上全面趕超CRT的顯示器件，擁有性能優(yōu)良、大規(guī)模生產(chǎn)特性好、自動(dòng)化程度高、原材料成本低廉、發(fā)展空間廣闊等優(yōu)良特點(diǎn)。

　　而本系統(tǒng)所選用的TFT-LCD圖像顯示模塊是內(nèi)置于SPCE3200系統(tǒng)中的，擁有多種輸入格式下的接口控制；該LCD顯示屏大小為5.7寸，支持色彩65536色、分辨率為640（水平像素）x480（垂直像素）的圖像顯示。

　　該模塊組擁有良好的顯示效果，完全能滿足我們儀器的設(shè)計(jì)要求；采用開放的SPCE3200接口連接，使實(shí)驗(yàn)測試方便可靠。同時(shí)，在main主程序中集成了對圖像進(jìn)行操作的TFT函數(shù)集，可以方便快速地對信號中圖像位置及寬度等信息進(jìn)行調(diào)試。

　　按健輸入模塊則利用了SPCE3200系統(tǒng)自帶的4x4陣列式按鍵，初步定義使用6個(gè)按鍵，并通過Key.h對測試過程中所需的方向鍵、開始鍵及結(jié)束鍵來進(jìn)行定義，圖4為陣列式按鍵的電路圖。

　　圖4 陣列式按鍵的電路圖

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)為達(dá)到設(shè)想的工作目標(biāo)，根據(jù)各部分功能需求對軟件控制程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，程序主要是用于指令控制和方向判斷。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)程序模塊：

　　1）main主程序函數(shù)模塊對整個(gè)程序部分進(jìn)行控制并根據(jù)需要調(diào)用各個(gè)子函數(shù)（如：TFT_PutPicture、show_PIC、Key_Show函數(shù)等），是一個(gè)循環(huán)函數(shù)。主函數(shù)作用是總體協(xié)調(diào)各個(gè)模塊。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各函數(shù)間合理有序的配合，完成測試所需的目的。

　　2）TFT_PutPicture子程序函數(shù)模塊對顯示圖像進(jìn)行控制，控制圖片在屏中顯示的內(nèi)容、位置、大小及分辨率等信息。

　　3）show_PIC子程序函數(shù)模塊在測試進(jìn)行中，該函數(shù)會得到一個(gè)隨機(jī)數(shù)，并由此隨機(jī)數(shù)來通知TFT_PutPieutre函數(shù)，調(diào)用所需圖像并將其顯示在LCD顯示器上，提供給測試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　4）Key_Scan子程序函數(shù)模塊 該函數(shù)會對測試中所用到的按健進(jìn)行設(shè)置，對程序中所使用的每個(gè)鍵都會給出一個(gè)賦值，并提供給main主程序，使主程序可以通過按健賦值對測試者進(jìn)行操作和方向選擇進(jìn)行判斷，最終達(dá)到控制實(shí)驗(yàn)過程的目的。

　　其中編譯后的主要控制程序如下（節(jié)選）：

　　4 結(jié)束語

　　經(jīng)實(shí)際測試試驗(yàn)，該系統(tǒng)的工作性能穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，圖像顯示效果良好，經(jīng)過本系統(tǒng)測試出的視力結(jié)果判斷準(zhǔn)確，最終各項(xiàng)功能都能夠滿足實(shí)際的需要。

　　隨著人們對健康問題的越來越關(guān)注，對自身視力重視程度也會越來越在意。因此，對小型化、簡潔化的自主視方檢測系統(tǒng)的要求呼之欲出。本項(xiàng)目基于SPCE3200的自主視力檢測系統(tǒng)即提供一個(gè)良好的解決方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視力檢測方面的不足，且系統(tǒng)使用簡單、性能穩(wěn)定、便于推廣，具有一定的社會價(jià)值和市場前景。