基于STM32的新犁視力儀的設(shè)計

宋丹　司夏巖

摘要：該文設(shè)計了一種新型的視力恢復(fù)儀器，該系統(tǒng)采用STM32F103ZET6芯片作為控制器件，LED點陣屏作為顯示器件，通過觀察顯示屏上的特殊圖形調(diào)節(jié)眼睛的緊張程度，緩解疲勞，恢復(fù)視力。該文對儀器的治療原理、硬件結(jié)構(gòu)、軟件編程方法都做了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：STM32芯片；LED點陣屏；恢復(fù)視力

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）13-0195-02

隨著信息化時代的到來，現(xiàn)代人的視力普遍下降，尤其青少年更為嚴(yán)重，這將直接影響到他們的學(xué)習(xí)、生活和工作。近年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種治療近視的方法，但這些方法都存在著一定的弊端，有的治療效果不顯著，有的則會對人眼造成傷害。本文所設(shè)計的新型視力恢復(fù)儀是以人眼的醫(yī)學(xué)理論知識和治療原理為研究基礎(chǔ)，利用ARM單片控制LED點陣屏顯示各種醫(yī)學(xué)中常用的遠(yuǎn)眺圖，利用這些圖形和屏幕發(fā)出的低強度光線來刺激視網(wǎng)膜，使視神經(jīng)中樞興奮，從而達(dá)到矯正視力的目的。

1系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)的主要組成部分包括：STM32F103ZET6微處理器、LED點陣屏、刷卡模塊、液晶顯示模塊、語音模塊、按鍵模塊等，如圖l所示。LED點陣屏用于顯示多種動態(tài)、靜態(tài)圖形，這些圖形都是醫(yī)學(xué)上用于恢復(fù)和保護視力的特殊圖形。STM32F103ZET6微處理器是系統(tǒng)的核心器件，其主要功能是存儲大量的圖形數(shù)據(jù)，控制LED點陣屏的顯示，和對其他模塊的控制。RFID刷卡器的設(shè)計使視力恢復(fù)儀具有自助的功能，既節(jié)省了人力成本又提高了儀器的使用效率。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1微控制器的選擇

當(dāng)點陣屏的像素點超過1024*128容量時，特別是顯示動態(tài)效果時，要求MCU運算速度快、代碼執(zhí)行效率高，51系列單片機硬件資源有限已不能適應(yīng)這種要求。因此，選用了基于ARM Cortex_M3內(nèi)核的32位微控制器STM32F103VET6，如圖2、3所示，其主頻可達(dá)到72MHZ，數(shù)據(jù)、指令分別走不同的流水線，確保CPU運行速度最大化。另外，芯片的存儲量大，512K片內(nèi)FLASH，64K片內(nèi)RAM，片內(nèi)FLASH支持在線編程。資源豐富，運算速度快，功耗低，具有這些特點STM32F103VET6完全可以滿足系統(tǒng)的控制要求。

2.2LED點陣屏的設(shè)計

LED顯示屏的總點數(shù)為128*128，是由8塊點陣單元屏構(gòu)成的，如圖5所示。每個點陣單元屏主要由32塊8*8LED模塊、32片74HC595、8片4593、2片74HC245、2片74HC138組成，如圖4所示。點陣單元屏按電路分為接口電路、驅(qū)動電路、譯碼電路。74HC138為譯碼芯片，將串行信號進(jìn)行譯碼，進(jìn)而將行點亮信號傳送至顯示模塊。74HC595為LED驅(qū)動芯片，可為發(fā)光二極管提供足夠的驅(qū)動電流和匹配的電平，并且能夠鎖存列掃描信號。74HC245為功放芯片，點陣顯示模塊是由多塊串接在一起的，而控制信號比較弱，在信號傳遞過程中需要進(jìn)行功率放M。

2.3SD卡的讀寫

系統(tǒng)的控制板中帶有SD卡接口，SD卡主要用來存儲LED點陣屏上所顯示的文字、圖形的字庫文件和操作的文本文檔，如圖5所示。STM32F103自帶的SPI接口，就可以讀取SD卡的內(nèi)容，最大通信速度可達(dá)18Mbps，可傳輸數(shù)據(jù)2M/s字節(jié)以上。SPI是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，在芯片的管腳上只占用4根線，節(jié)省了芯片的資源。

2.4R1FID刷卡器的設(shè)計

本文設(shè)計的視力恢復(fù)儀主要應(yīng)用于學(xué)校、醫(yī)院等公共場所，因此采用了刷卡的方式來實現(xiàn)對儀器的操作，每刷一次卡就可以完成一次眼部訓(xùn)練，不需要工作人員參與，操作者自己就可以獨立完成，既簡便，又快捷。本系統(tǒng)采用了RFID刷卡器，主要由RC522芯片、射頻識別天線及輔助電路組成，其功能是完成對IC卡識別、讀取卡中的數(shù)據(jù)。RFID刷卡器的核心器件是RC522集成射頻讀寫芯片，如圖6所示，它是NXP公司專門研制的用于讀寫卡芯片，工作頻率為13.56MHz，工作模式支持ISO 14443A標(biāo)準(zhǔn)，芯片內(nèi)部驅(qū)動器可以直接驅(qū)動閱讀器的天線，無需其他電路。RC522具有3種接口模式：SPI接口模式、UART模式和12C總線模式。其中SPI模式的通信速度最快，可達(dá)到10Mb/s，在本系統(tǒng)中RC522與STM32微處理器之間的通信接口采用的是SPI模式。STM32F103VET6的PA9、PAl0端口連接到RC522，實現(xiàn)了單片機與RC522的通信，RC522內(nèi)部接收器對信號進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到通信接口由微控制器進(jìn)行讀取。

2.5按鍵及LCD顯示電路

按鍵電路主要功能是完成把微處理器從低功耗模式喚醒并進(jìn)行讀卡操作。本系統(tǒng)的按鍵電路選用由1個電阻、1個電第13卷第13期（2017年5月）容和1個按鍵組成的簡易鍵盤，按鍵電路的輸出端接到微處理器具有邊沿中斷功能的端口，當(dāng)按鍵按下時，觸發(fā)單片機中斷，執(zhí)行讀卡操作。

LCD顯示模塊對卡號、余額、儀器功能設(shè)置、眼部訓(xùn)練的圖形等相關(guān)信息進(jìn)行顯示。考慮到系統(tǒng)的低功耗，選用了LCD12864芯片，如圖7所示。它可以在3V電壓下工作，不僅能顯示英文，還能顯示漢字，做到了信息的全中文顯示。

3智能視力儀的軟件設(shè)計

對于智能視力儀的具體操作，首先采用自助刷卡的形式進(jìn)入系統(tǒng)，同時液晶顯示屏和語音提示操作者查看以前記錄和調(diào)出圖形進(jìn)行當(dāng)前訓(xùn)練，這些功能的實現(xiàn)主要是靠軟件來完成，其程序流程如圖8所示：

4結(jié)束語

本文提出了一種基于雙色LED顯示屏的智能視力儀的設(shè)計與實現(xiàn)方法，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中用到的硬件模塊、LED點陣顯示模塊和編程流程圖。本設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、模塊性好、擴展容易的特點。采用該方法能清晰、靈活的顯示各種動靜態(tài)圖形，滿足了儀器的使用要求。