自助式視力檢測儀器的設計

許劍銳　何偉浩　葉銘銘

摘 要：本團隊致力于研制一套自助式視力測試儀器，以實現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行檢測。本設計采用STM32F103RCT6型單片機作為控制單元的核心芯片，結合屏幕顯示圖標輸出以及按鍵輸入進行儀器硬件整體的搭建，軟件采用C語言編程設計，實現了便捷進行視力檢測的效果，包括遠近視視力度數檢測、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。實驗測試與調查結果表明，該儀器體積小，使用方便、檢測結果準確、運行可靠；與傳統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象發生，同時節省了部分眼科醫護人力資源。

關鍵詞：自助式；視力測試；STM32；屏幕顯示；圖標

中圖分類號：TP273+.5

0 引言

視力是指視覺系統對影像的分辨能力，我國利用國際視力表和標準對數視力表的檢測方法對視力進行測試。但傳統的視力檢測方法在使用時并不方便，而當前市場上的視力檢測儀器價格昂貴、操作復雜也不利于視力檢測的順利實現。因此，設計一款價格低廉、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、關注自身視力，對緩解我國目前嚴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用目的，利用可調控的硬件器件、模塊進行搭建并結合可設計的軟件程序制作的系統平臺。硬件采用高性價比的STM32F103RCT6型單片機，在滿足系統基本控制要求的同時還能預留一定的擴展功能的接口，以備功能后續開發和完善[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準對數視力表GB 11533-2011 “E”字表為圖標，圖標共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象發生，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原理就是通過運用一系列電子器件模塊設計搭建一個智能化的電子產品，將傳統的視力檢測方案中的醫療人員取而代之。因此，本設計并沒有改變傳統的視力檢測視力的醫學原理，而是在測試形式方案上發展提供了新型設計。

上以該儀器中遠近視視力度數檢測功能板塊為例，把一整版國際標準對數視力表GB 11533-2011 “E”字符按大小有規律進行拆解，并逐一在液晶屏幕上給出顯示。屏幕上的“E”字符大小根據國標按測試距離進行計算，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境完成對視力情況的檢測。

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

針對上述工作內容，本設計選用了ARM先進架構的Cortex-M3內核的32位MCU --STM32F103RCT6型單片機芯片作為儀器系統的核心芯片設計STM32單片機控制模塊，STM32具有優異的實時性能、杰出的功耗控制和出眾及創新的外設[]。總體設計的系統框圖如圖1所示。

2 自助式視力檢測儀器模塊化電路設計

根據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行解析并展開相應的處理，根據軟件設計過程中定義的工作流程，將其轉換為編輯好的各種控制指令，通過藍牙通訊無線技術傳輸到液晶顯示輸出模塊，控制液晶顯示系統做出相應的顯示。微控制器最小系統電路如圖2所示。

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

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行給定視標圖像的顯示。電路接口按主控板相應位置連接即可。

在自助式檢測視力儀器設計中，重點需要使用液晶面板將被測試的圖標直觀地呈現給受檢者，而為達到最佳的人機交互效果，本設計采用了8寸屏、分辨率600*800屏上帶電阻式觸摸屏。Thin Film Transistor（薄膜場效應晶體管），是指液晶顯示器上的每一液晶像素點都是由設計集成在其后的薄膜晶體管來實現驅動，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

為達到人機交互并通過受檢者的判斷引領儀器測試進程的目的，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方向而給出研究展示的，功能按鍵的設計則是為了完成對整個系統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，一旦有實驗測試規定的按鍵動作發生，則鍵盤模塊動作的按鍵對應的引腳的電平立即降為低電平，微處理器即提取對應鍵位信息。

2.4 供電模塊

電源電路的設計原則是在滿足儀器系統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行整流，將交流電轉化為直流電；

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穩壓操作即可，該5V穩壓電路如圖4所示。

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

3 實現自助式視力檢測功能的軟件設計

自助式視力檢測儀器的軟件設計主要是按鍵切換圖片的規則程序設計

依據其功能板塊可分為兩大類。一類是遠近視視力度數檢測及小游戲板塊程序設計，一類則是除此之外其他的功能板塊程序設計。

其中，遠近視視力度數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、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，當測試者看到屏幕上顯示的字符、并在鍵盤上選按出相應的方向后，藍牙無線傳輸模塊將發送該采集參數給中央處理器進行處理，當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比劃手勢，以此循環。當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，測試者隨之更換另一只眼睛再次進行視力檢測，最終中央處理器結合2次檢測結果，生成特征綜合視力檢測報表，且將其在屏幕上有效呈現出來。

在此基礎上，小游戲的程序設計方案也是參考了圖5的設計方案，其他模塊的設計實現卻主要是運用了系統的按鍵切換圖片功能。

4 結束語

本次研究開發的基于STM32單片機控制技術及屏幕顯示技術的自助測視力儀器即是一套技術先進、操作方便、適用于大眾的高性價比的測試視力設備。自助式的檢測方案獨具特色，而且預期設計的基本功能都已實現。該儀器可用于學校等教育機構，以及公園等基礎建設，自助測視力設備在應用上不僅可獨自完成視力測試，同時還可獲得精準測試結果等特點。以往國民定期測試視力仍頗顯現實欠缺，這套自助測視力設備普及推廣使用將能大大改善這一現象，人們若能時時掌握自己的視力健康情況，必能優勢避免患上近視或者遠視等眼疾。這也將有效緩解國民視力健康的嚴峻問題，并使其進一步趨于合理改善。

參考文獻：

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

[2] 周江. STM32單片機原理及硬件電路設計研究[J].數控技術與應用，2015（11）：1.

[3] GB 11533-2011，標準對數視力表[S].北京：中國國家標準化管理委員會，2011.

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