電磁式盲文點顯器的硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

敖發(fā)祥，高金鳳，楊文珍，吳新麗，趙 維

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院,浙江 杭州 310018)

中國是全世界盲人數(shù)量最多的國家，約占全球盲人總?cè)藬?shù)的21%[1].盲文是專為盲人設(shè)計，靠觸覺感知的文字[2].它由6個點組成，左側(cè)從上到下為1、2、3點，右側(cè)為4、5、6點，稱為一方，如圖1所示.國際上，把不認識盲文的盲人也稱為文盲.無論是生活還是就業(yè)，文盲都受到很大的限制.盲文點顯器是一種將普通文字動態(tài)顯示成盲文的機電設(shè)備，可為盲人提供無障礙且無窮無盡的盲文資源，讓盲人盡情享受讀書的樂趣[3-5].

圖1 盲文點

硬件電路是盲文點顯器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是動態(tài)生成盲文的重要部件.國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究[6-14]，包括電磁式盲文點顯器控制系統(tǒng)[7]、壓電陶瓷式盲文點顯器控制系統(tǒng)[8]、電刺激式盲文顯示控制系統(tǒng)[12]等.利用磁感應(yīng)原理，電磁式盲文點顯器控制系統(tǒng)給電磁線圈通電產(chǎn)生磁力，促使盲文點上下運動，可以動態(tài)生成盲文.利用壓電陶瓷形變機理，壓電陶瓷式盲文點顯器控制系統(tǒng)給壓電陶瓷通正向電壓時，盲文點會上升，通反向電壓時盲文點會下降，它具有響應(yīng)速度快、耗電量低、控制精度高等優(yōu)點，但是硬件電路復(fù)雜、制造成本較高[9].電刺激式盲文控制系統(tǒng)采用電極表示盲文點陣，通過脈沖發(fā)生器，在盲文點位所對應(yīng)的電極上生成電子脈沖，盲人手指感受這種電刺激信號來識別盲文，但電刺激會使指尖產(chǎn)生刺痛感，不適合盲人長期摸讀[12].

電磁式盲文點顯器的觸點空間分布緊湊、觸點數(shù)目多、刷新頻率高，給控制系統(tǒng)的硬件電路提出了很高的要求[14].文獻[15]和[16]都介紹了分層電磁式盲文顯示裝置的研制情況.文獻[7]利用51單片機開發(fā)盲文點顯裝置的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對120個盲文點的獨立控制.該控制系統(tǒng)存在的問題是硬件電路集成度低，可靠性和穩(wěn)定性不足.為此，本文采用ARM微控制器，開發(fā)一種電磁式盲文點顯器的硬件電路，以期精確且獨立驅(qū)動120個盲文點，動態(tài)生成盲文字符，提高硬件的集成度、可靠性和穩(wěn)定性.

1 硬件電路整體設(shè)計

硬件電路包括輸入模塊和輸出模塊，如圖2所示.硬件電路的輸入模塊由降壓電路、按鍵電路、外部存儲電路、SD卡(Secure Digital Memory Card)存儲電路和一鍵下載電路組成.硬件電路的輸出模塊由液晶顯示電路、120路功率放大電路和語音播報電路組成.其輸入模塊和輸出模塊均與中央微控制器(MCU)相連.

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)

硬件電路以STM32F103ZET6芯片作為中央微控制器(又稱主控制芯片)，包括復(fù)位電路、時鐘電路、電源供電和啟動模式等[17].其復(fù)位電路主要由按鍵、電阻和電容組成.按鍵的一端接地，另一端接在芯片的復(fù)位引腳RESET上.按鍵每按下一次，RESET與地線相連，即產(chǎn)生瞬間的低電平信號，產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖，由RESET引腳輸出.時鐘電路有兩個時鐘源，一個是實時時鐘(RTC)，晶振為32.769 kHz；另一個是整個控制系統(tǒng)時鐘，晶振為8 MHz.

STM32的啟動模式也稱為ISP(Internet Service Provide)程序下載.BOOT0和BOOT1的組合決定了采用的啟動模式.一般情況下，ISP程序下載要先啟動BootLoader，此時需要將BOOT1置低電平，BOOT0置高電平.在串口收到相應(yīng)信號后，通過主控芯片，在文件被下載到存儲器中.文件下載結(jié)束后，把BOOT0置低電平并手工啟動復(fù)位鍵，主控芯片收到相應(yīng)信號后會從Flash中啟動有關(guān)程序.

2 硬件電路的輸入模塊

2.1 降壓電路

STM32F103ZET6芯片工作電壓為3.3 V，而輸入電壓為5 V.因此，本文設(shè)計了圖3所示的降壓電路.在圖3中，BUTTON為開關(guān)電源，是整個電路板的開關(guān)按鍵；F1是熔斷器(保險絲)，其額定電流為500 mA，起保護電路的作用；電容C27的作用是增強降壓電路的穩(wěn)定性；C25和C26為輸出濾波電容.濾波電容的作用是抑制自身(內(nèi)部電路)的刺激振蕩，讓輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài).

圖3 降壓電路

2.2 按鍵電路

按鍵電路是盲文顯示裝置必不可少的輸入接口，用于實現(xiàn)盲文閱讀時的翻頁、確定和返回等功能，是盲人與盲文顯示裝置的人機交互樞紐.按鍵電路有4個按鍵，且在機械裝置的左右兩端各設(shè)置了上翻及下翻兩個功能.在圖4所示的按鍵電路中，每個按鍵都連接在MCU的一個引腳上.MCU通過檢測按鍵的脈沖，可實現(xiàn)相應(yīng)的功能.

圖4 按鍵電路

2.3 外部存儲電路

為了對漢字中文庫和盲文字庫進行快速讀取與存儲，外部存儲采用W25Q64存儲芯片(一種大容量的存儲芯片).其性能方面優(yōu)于其他大部分串行閃存芯片，它擁有64 Mb的存儲空間，最高傳輸速度可達40 M/s，支持SPI(Serial Peripheral Interface)總線傳輸，同時只占用主控芯片的4個引腳，工作電壓為2.7～3.6 V.在設(shè)計的外部存儲電路(圖5)中，只要將對應(yīng)的引腳相連，就可通過軟件讀取外部Flash芯片.

圖5 外部存儲電路

2.4 SD卡存儲電路

為了滿足盲人閱讀海量文本的需求，采用SD卡來存儲文本數(shù)據(jù).SD存儲卡具有體積小、傳輸速度快、可熱插拔、容量大等優(yōu)點[18].所設(shè)計的SD卡存儲電路如圖6所示.在SDIO(Secure Digital Input and Output Card)模式下，主控芯片的內(nèi)部總線自帶了驅(qū)動SD卡工作的總線接口，在設(shè)計SD卡存儲電路時，只要將其接口分別與主控芯片的總線接口對應(yīng)連接在一起，就能夠?qū)D卡進行軟件開發(fā).

圖6 SD卡存儲電路

2.5 一鍵下載電路

在ISP程序下載時，需要頻繁地撥動BOOT0和BOOT1上的跳冒線，這種重復(fù)操作是很繁瑣的.因此，本文設(shè)計了一鍵下載電路(圖7).

圖7 一鍵下載電路

該電路中USB轉(zhuǎn)串口CH340芯片的主要引腳為RTS和DTR.這兩個引腳都屬于輸出類型.使用一般的下載工具即可控制CH340的RTS和DTR兩個引腳的高低電平.通過這兩個引腳可控制STM32F103ZET6芯片的BOOT0引腳和RESET引腳.

3 硬件電路的輸出模塊

3.1 液晶顯示電路

為了方便使用盲文點顯器，本文開發(fā)了液晶顯示電路(圖8).它可以利用液晶屏的顯示方法[19]顯示出中文或盲文.液晶屏可以顯示具有不同功能的菜單選項，通過按鍵，可以進入不同的菜單，方便地管理和操作SD卡的文件.將LCD(Liquid Crystal Display)當(dāng)作一個外部存儲器時，可變靜態(tài)存儲控制器(Flexible Static Memory Controller,FSMC)的讀寫時序和LCD的讀寫時序很相似.利用FSMC在相應(yīng)地址讀寫相關(guān)數(shù)值時，STM32芯片的FSMC模式會在硬件上自動完成時序控制.因此，只要設(shè)置好讀寫相關(guān)時序的寄存器，就可以通過 FSMC完成時序控制.

圖8 液晶顯示電路

3.2 功率放大電路

分層電磁式盲文顯示裝置有120個盲文點，需要120個引腳.主控芯片的大多數(shù)引腳已被SD卡、LCD顯示電路、語音播報電路以及外圍電路所占用，可用的引腳只有40多個.為此，本文采用鎖存器擴展外圍引腳，并選擇ULN2803型達林頓管，設(shè)計了120路功率放大電路(圖9).它可以承受高負載電流，生成電磁力，驅(qū)動120個盲文點運動.

圖9 功率放大電路

3.3 語音播報電路

語音播報模塊可提供人工合成的語音[20]，實時播放語音文件，讓盲人聽到聲音，以方便盲人操作盲文點顯器.在圖10所示的語音播報電路中，MCU通過串口給語音芯片發(fā)送文件，語音合成后輸送給耳機或者咪頭.

語言播報電路的VS1053芯片包括時鐘電路、音頻輸出電路和復(fù)位電路，對應(yīng)主時鐘的工作頻率為12.288 MHz.該時鐘由內(nèi)部時鐘晶振(XTAL0和XTAL1)產(chǎn)生.語音播報電路的語音輸出有兩種模式，即采用耳機或者咪頭輸出.語音播報的具體流程如圖11所示.VS1053芯片是一種音頻解碼器，具有高性能、低功耗等優(yōu)點，擁有串行控制接口、輸入數(shù)據(jù)接口和多個可用的I/O口，并且具有可變采樣率的優(yōu)質(zhì)立體聲和耳機功放功能.

圖10 語音播報電路

圖11 語音播報流程

4 實驗測試

把輸入模塊和輸出模塊的各個電路集成到一張PCB(Printed Circuit Board)板上，各電路既相互獨立又相互聯(lián)系，做成硬件電路的主板(圖12).它具有液晶顯示、SD卡讀取、USB下載、語音播報以及120路大功率輸出等功能.其布線應(yīng)盡可能與電路原理圖走線方向一致.

圖12 硬件電路的主板

這里對主板溫度穩(wěn)定性和LED盲文顯示進行實驗，以驗證所設(shè)計硬件電路的正確性、穩(wěn)定性和可靠性.

4.1 主板溫度穩(wěn)定性測量

采用最大功耗方法，即120個盲文點滿方顯示，來測試主板的穩(wěn)定性和可靠性.在室溫22 ℃時通過按鍵進入滿方顯示選項，所有盲文點全部處于工作狀態(tài)，保持20 min后，測量主板的溫度，檢查主板是否有異常現(xiàn)象，以確認主板能否正常工作.此外，通過顯示數(shù)字、文字和字母(區(qū)別在于盲文點的數(shù)量不同)， 分別測量主板的溫度(表1). 通過溫度穩(wěn)定性測試實驗，發(fā)現(xiàn)主板運行良好，沒有出現(xiàn)過熱、短路或線路熔斷現(xiàn)象.

表1 主板的溫度

注：工作時間為20 min.

4.2 LED盲文顯示實驗

為了驗證硬件電路的正確性，采用120個LED燈代替120個盲文點，顯示盲文.LED燈顯示板的第一組接口控制每方的1,6點；第二組接口控制每方的3,4點；第三組接口控制每方的2,5點.通過燈亮和燈滅組合出盲文字符，可以方便地檢測控制信號，以判斷硬件電路是否正常工作.

首先把貼片式LED燈焊接在顯示板上，并與主板進行連接，然后把測試程序下載到中央微控制器中，通過按鍵操作，開展數(shù)字、文字、字母閱讀等盲文顯示實驗，以驗證硬件電路中各模塊的工作狀態(tài).LCD顯示屏能夠正確顯示“床前明月光，疑是地上霜”的中文和盲文，也能聽到相應(yīng)的語音，同時LED燈一一對應(yīng)地顯示出了盲文點(圖13).

實驗結(jié)果表明，所設(shè)計硬件電路中各模塊均能正常工作，性能穩(wěn)定.

圖13 盲文LCD和LED顯示的對照

5 結(jié)束語

在互聯(lián)網(wǎng)時代，盲文點顯器能夠滿足廣大盲人朋友的閱讀需求，提高盲人知識水平.本文設(shè)計的電磁式盲文點顯器的硬件電路，由降壓電路、按鍵電路、外部存儲電路、SD卡存儲電路、一鍵下載電路、液晶顯示電路、120路功率放大電路和語音播報電路組成.通過主板溫度穩(wěn)定性測量和LED盲文顯示實驗，該硬件電路沒有出現(xiàn)過熱、短路或斷電現(xiàn)象，各電路模塊之間能協(xié)調(diào)工作，其硬件的集成度較高，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性.本設(shè)計為驅(qū)動大面積觸覺點陣以及顯示盲人觸覺圖形研究奠定了一定基礎(chǔ).