基于SPCE3200的自主视力检测系统设计

摘要：为了满足人们日益发展的视办检测需求，使用SPCE3200微控制芯片，外部扩展TFT-LCD模块和键盘输入模块，设计出一种基于测试人员自主检测的视力检测系统。该系统的设计旨在为视力的自主检测提供方便可靠的帮助。经实际测试结果表明，该系统简单高效特点鲜明，测试者个人即可独立完成视力检测的全部步骤，避免了舞弊和人为失误的情况发生。
关键词：自主检测；视力表；微控制芯片；SPCE3200；TFT-LCD模块

    人通过感官接受外界环境所表达的信息，并根据所得到的信息做出相应的反应，其中人们所最常使用的就是视觉。我们常说的视力指的是人眼对影像的分辨能力，比较经典的解释是指人眼鉴别两点是否分开的能力，视力的好坏是由视网膜分辨影像能力的大小来判定。通常来说，为了给医师判断视力提供帮助，在医学临床上会使用视力检测的数值来对视力进行评估从而对视力好坏做出判断。
    在我国视力检测的方法多种多样，但归结起来可分为以下2种：1)较为传统的方式，即一测试人、一医师、一根指示杆、一视力表。测试人在医师的引领下，分辨指出指示杆所指示的视力表上视标的方向。2)由传统方式进化演变而来，利用当今先进的电子投影设备，采用先进的图形影像技术，代替传统意义上的视力表，将检测所需的图像更加清晰的呈现给被测试人员完成视力检测过程。但是上述介绍的检测方法，都有固定的缺陷，因为无论在哪种检测的全过程中，均需要一名医师进行协助工作，这样就会造成多种后果。1)需要对验光人员进行相关的培训并进行考核，费时费力；2)在大规模体检中，不可避免会因为医师的不经意甚至偏袒舞弊情况而造成的失误，这将对测试结果的公平性造成不良影响。
    为克服以上缺陷，有人提出了一种全新的检测方法，即视力的自主检测。文中以视力的自主检测为研究对象，尝试设计一种“由微型计算机全程控制、单人自主即可完成测试过程的光电视力自主检测系统”。拟设计出的实验系统全部测试控制过程均在微处理器控制下完成，测试结果准确，使用控制极其方便，不会受到环境的影响。同时，在文章中对系统的工作流程进行了探究，对系统的硬秤部分相关参数进行设计，并对系统工作时所需的软件程序进行了仿真调试。

1 系统设计总路
1．1 系统所需解决问题
    为了可以达到测试者在没有医师指示的情况下自主就可以完成整个视力检测过程的目的，我们希望所设计系统能够需达到如下的设计要求：
    1)在实验过程中，系统要可以生成上下左右方向随机的视标给测试者进行观察；
    2)当测试者对给出的视标进行了判断，系统要能对判断的结果与视标原有方向进行比对，并根据对错进行相关的体现；
    3)若测试者对视标方向判断正确，则下个显示出的视标大小应比本次显示出的视标大小小一号；
    4)在测试过程中若视标方向判断均正确，系统要能一直显示到码数最小的视标；
    5)若测试者对视标方向判断错误，则系统能结束试验并输出上一次正确时视标对应的码数大小；
    6)实验系统长时间无信号输入，可以自动结束退出。
1．2 系统工作过程设计
    根据上述所述需要实验仪器系统所需达到的要求，我们对系统在一个测试周期中的工作过程进行一个详细的设置，即对一个测试者独立完成一次视力自主测试的实验工作流程进行的设计。具体工作过程如下：
    1)测试开始时，首先通电，系统初始化，为视力测试做好准备；若出现错误，则进行相关提示，帮助工作人员进行解决；
    2)处理器读取码数最大方向随机的图片，并显示在显示器上；
    3)系统等待测试者按键，并根据其按键所对应的方向进行判断，若正确则进行步骤4，若不正确则进行步骤5；
    4)系统生成比上一张测试图片码号小一号的方向随机的图片，并显示在显示器上，等待测试者进行选择，并根据其按键所对应的方向进行判断，若正确则继续循环步骤4)；若错误则跳至步骤5)；
    5)系统显示最后一个判断正确的图片对应的标码大小，将结果输出到输出设备；
    6)本次视力检测结束，系统结果清零，返回最初初始化以后的状态，断电，本次测试过程结束；
    7)若实验中出现长时间无按键按下的状态(在本实验仪器中设置时间为10 s)，则强制结束，从试验状态中跳出并显示对应结果。
    其中，我们将系统的一个周期内工作流程简图表示如图1所示。

2 系统硬件设计
2. 1 系统硬件整体设计
    为保证系统各功能的需求，我们根据系统所需完成的工作对整个硬件部分进行了功能分块处理，其中各个部分框图关系如图2所示，主要由SPCE3200主控板、TFT-LCD模块、键盘输入部分组成。其中，通过SPCE3200芯片来对TFT-LCD及键盘工作指令进行控制，TFT-LCD模块用于显示测试，而测试开始、模式选择以及判断方向均通过键盘输入部分来实现，微型打印机则做为未来扩展的一个外设，用来打印最终结果。

2．2 SPCE3200单片机系统的特点及功能
    SPCE3200单片机系统拥有基于S+Core架构32位处理器SPCE3200，拥有S+Core7内核，内部集成了MPEC-4的硬件编解码、TV 解码接口、TFT、SPI＼UART＼I2C＼SPI标准串口、USB、SD卡等多种外设接口，扩展方便，适用于PDA、便携媒体播放器、监控器、机器人等设备的开发。因此，该系统最大的特点是具有较强的多媒体处理能力。
    其具体特性如下：工作电压：I／O端口的VDD 3．0～3．6 V。CPU内核的VDD为1．62～1．98V；CPU工作频率：27～162MHz；SDDRAM最大容量可达16 MB；具有32位／16位的SDRAM数据总线；可编程选择颜色模式4／16／64／256／32768／65536；共6个16位CCP定时／计数器(具可编程自动重载功能)；提供40个中断源，分别为定时器、时基、外部输入以及键唤醒等；支持键唤醒功能；USB功能：支持USB1．1主机或USB1．1外设；UART功能；具有通用异步接收机和发送机；提供串行外围设备接口(SPI)，具主／从模式；提供Sunplus串行输入，输出接口(SIO)；内置Watchdog功能；提供LCD接口，具TFT方式／CSTN方式；支持CCIR-601／656 CMOS影像传感器／TVE控制接口；支持SD卡和NAND型Flash，用于海量数据存储。图3为SPCE3200的结构框图。

2．3 图像显示及按键输入模组介绍
    TFT-LCD中文全称为薄膜场效应晶体管液晶显示器，是有源矩阵类型液晶显示器(AM-LCD)中的一种，是在目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体轵和重量等综合性能上全面赶超CRT的显示器件，拥有性能优良、大规模生产特性好、自动化程度高、原材料成本低廉、发展空间广阔等优良特点。
    而本系统所选用的TFT-LCD图像显示模块是内置于SPCE3200系统中的，拥有多种输入格式下的接口控制；该LCD显示屏大小为5.7寸，支持色彩65536色、分辨率为640(水平像素)x480(垂直像素)的图像显示。
    该模块组拥有良好的显示效果，完全能满足我们仪器的设计要求；采用开放的SPCE3200接口连接，使实验测试方便可靠。同时，在main主程序中集成了对图像进行操作的TFT函数集，可以方便快速地对信号中图像位置及宽度等信息进行调试。
    按健输入模块则利用了SPCE3200系统自带的4x4阵列式按键，初步定义使用6个按键，并通过Key.h对测试过程中所需的方向键、开始键及结束键来进行定义，图4为阵列式按键的电路图。

3 系统软件设计
    本系统为达到设想的工作目标，根据各部分功能需求对软件控制程序进行了设计，程序主要是用于指令控制和方向判断。本系统的软件设计包括以下几个程序模块：
    1)main主程序函数模块对整个程序部分进行控制并根据需要调用各个子函数(如：TFT_PutPicture、show_PIC、Key_Show函数等)，是一个循环函数。主函数作用是总体协调各个模块。实现系统各函数间合理有序的配合，完成测试所需的目的。
    2)TFT_PutPicture子程序函数模块对显示图像进行控制，控制图片在屏中显示的内容、位置、大小及分辨率等信息。
    3)show_PIC子程序函数模块在测试进行中，该函数会得到一个随机数，并由此随机数来通知TFT_PutPieutre函数，调用所需图像并将其显示在LCD显示器上，提供给测试者进行实验。
    4)Key_Scan子程序函数模块 该函数会对测试中所用到的按健进行设置，对程序中所使用的每个键都会给出一个赋值，并提供给main主程序，使主程序可以通过按健赋值对测试者进行操作和方向选择进行判断，最终达到控制实验过程的目的。
    其中编译后的主要控制程序如下(节选)：

   

4 结束语
    经实际测试试验，该系统的工作性能稳定，系统响应速度快，图像显示效果良好，经过本系统测试出的视力结果判断准确，最终各项功能都能够满足实际的需要。
    随着人们对健康问题的越来越关注，对自身视力重视程度也会越来越在意。因此，对小型化、简洁化的自主视方检测系统的要求呼之欲出。本项目基于SPCE3200的自主视力检测系统即提供一个良好的解决方法，弥补了传统视力检测方面的不足，且系统使用简单、性能稳定、便于推广，具有一定的社会价值和市场前景。