基于STM32的新型视力仪的设计

基于STM32的新型视力仪的设计

摘要：本文设计了一种新型的视力恢复仪器，该系统采用STM32F103ZET6芯片作为控制器件，LED点阵屏作为显示器件，通过观察显示屏上的特殊图形调节眼睛的紧张程度，缓解疲劳，恢复视力。本文对仪器的治疗原理、硬件结构、软件编程方法都做了详细的介绍。关键词：STM32芯片；LED点阵屏；恢复视力

中图分类号：TFP23 文献标识码：A

0 引言

随着信息化时代的到来，现代人的视力普遍下降，尤其青少年更为严重，这将直接影响到他们的学习、生活和工作。近年来，国内外出现了多种治疗近视的方法，但这些方法都存在着一定的弊端，有的治疗效果不显著，有的则会对人眼造成伤害。本文所设计的新型视力恢复仪是以人眼的医学理论知识和治疗原理为研究基础，利用ARM单片控制LED点阵屏显示各种医学中常用的远眺图，利用这些图形和屏幕发出的低强度光线来刺激视网膜，使视神经中枢兴奋，从而达到矫正视力的目的。

1 系统总体设计方案

系统的主要组成部分包括：STM32F103ZET6微处理器、LED点阵屏、刷卡模块、液晶显示模块、语音模块、按键模块等[1]，如图1所示。LED点阵屏用于显示多种动态、静态图形，这些图形都是医学上用于恢复和保护视力的特殊图形。STM32F103ZET6微处理器[1]是系统的核心器件，其主要功能是存储大量的图形数据，控制LED点阵屏的显示，和对其它模块的控制。RFID刷卡器的设计使视力恢复仪具有自助的功能，既节省了人力成本又提高了仪器的使用效率。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 微控制器的选择

当点阵屏的像素点超过1024﹡128容量时，特别是显示动态效果时，要求MCU运算速度快、代码执行效率高，51系列单片机硬件资源有限已不能适应这种要求。因此，选用了基于ARM Cortex_M3内核的32位微控制器STM32F103VET6[2]，如图2、3所示，其主频可达到72MHZ，数据、指令分别走不同的流水线，确保CPU运行速度最大化。另外，芯片的存储量大，512K片内FLASH，64K片内RAM，片内FLASH支持在线编程。资源丰富，运算速度快，功耗低，具有这些特点STM32F103VET6完全可以满足系统的控制要求[3]。

图2 STM32F103VET6芯片图3 STM32F103VET6引脚

2.2 LED点阵屏的设计

LED显示屏的总点数为128*128，是由8块点阵单元屏构成的，如图5所示。每个点阵单元屏主要由32块8*8LED模块、32片74HC595、8片4593、2片74HC245、2片74HC138组成[4,5]，如图4所示。点阵单元屏按电路分为接口电路、驱动电路、译码电路。74HC138为译码芯片，将串行信号进行译码，进而将行点亮信号传送至显示模块。74HC595为LED 驱动芯片，可为发光二极管提供足够的驱动电流和匹配的电平，并且能够锁存列扫描信号。74HC245为功放芯片，点阵显示模块是由多块串接在一起的，而控制信号比较弱，在信号传递过程中需要进行功率放[6,7]。

图4 LED模块

图5 点阵单元屏（32块LED）图6 SD卡接口电路

2.3 SD卡的读写

系统的控制板中带有SD卡接口，SD卡主要用来存储LED点阵屏上所显示的文字、图形的字库文件和操作的文本文档，如图6所示。STM32F103自带的SPI接口，就可以读取

SD卡的内容，最大通信速度可达18Mbps，可传输数据2M/s字节以上。SPI是一种高速的、全双工、同步的通信总线，在芯片的管脚上只占用4根线，节省了芯片的资源。

2.4 RFID刷卡器的设计

本文设计的视力恢复仪主要应用于学校、医院等公共场所，因此采用了刷卡的方式来实现对仪器的操作，每刷一次卡就可以完成一次眼部训练，不需要工作人员参与，操作者自己就可以独立完成，既简便，又快捷。本系统采用了RFID刷卡器，主要由RC522芯片、射频识别天线及辅助电路组成，其功能是完成对IC卡识别、读取卡中的数据。RFID刷卡器的核心器件是RC522集成射频读写芯片[8]，如图7所示，它是NXP公司专门研制的用于读写卡芯片，工作频率为13.56MHz，工作模式支持ISO 14443A标准，芯片内部驱动器可以直接驱动阅读器的天线，无需其他电路。RC522具有3种接口模式：SPI接口模式、UART 模式和I2C总线模式。其中SPI模式的通信速度最快，可达到10Mb/s，在本系统中RC522与STM32微处理器之间的通信接口采用的是SPI模式。STM32F103VET6的PA9、PA10端口连接到RC522，实现了单片机与RC522的通信，RC522内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理，然后把数据发送到通信接口由微控制器进行读取[9]。

2.5 按键及LCD显示电路

按键电路主要功能是完成把微处理器从低功耗模式唤醒并进行读卡操作。本系统的按键电路选用由1个电阻、1个电容和1个按键组成的简易键盘，按键电路的输出端接到微处理器具有边沿中断功能的端口，当按键按下时，触发单片机中断，执行读卡操作。

LCD显示模块对卡号、余额、仪器功能设置、眼部训练的图形等相关信息进行显示。考虑到系统的低功耗，选用了LCD12864芯片[8]，如图8所示。它可以在3V电压下工作，不仅能显示英文，还能显示汉字，做到了信息的全中文显示。

图7 RC522电路图图8 LCD显示电路

3 智能视力仪的软件设计

对于智能视力仪的具体操作，首先采用自助刷卡的形式进入系统，同时液晶显示屏和语音提示操作者查看以前记录和调出图形进行当前训练，这些功能的实现主要是靠软件来完成，其程序流程如图9所示[10]：

图9 软件流程图

4 结束语

本文提出了一种基于双色LED显示屏的智能视力仪的设计与实现方法，详细介绍了系统中用到的硬件模块、LED点阵显示模块和编程流程图。本设计具有结构简单、模块性好、扩展容易的特点。采用该方法能清晰、灵活的显示各种动静态图形，满足了仪器的使用要求。参考文献：

[1] 马取,李瑞金,刘会钊.基于ARM在LED屏中的综合应用[J]. 煤矿械, 2012,33(03):220-223.

[2] 刘凯. ARM嵌入式接口技术应用[M]. 北京：清华大学出版社，2009.

[3] 刘志龙，吴昊. STM32F103ZET6芯片在LED显示屏控制应用中的探索[J]. 科技创新与应用, 2014,4:30-31

[4]吴友明. LED应用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2011.

[5]张玉杰,马立云,张贺艳. 基于ARM和FPGA的LED显示屏控制系统的设计[J]. 计算机

测量与控制，2009,17(12):2429-2431.

[6]郑雅伟. LED电子显示屏的设计[J]. 山西科技，2012,27(2):75-76.

[7]李晓颖,蒋东方,李云娇.仪器仪表点阵式LED显示屏设计[J]. 液晶与显示，

2011,26(6):764-767.

[8]彭赟,邓志良. 基于2.4G射频技术的远距离考勤读卡器的设计[J]. 电子设计工程，