孫 晗，鄒遠(yuǎn)文，羅玉皓，夏 勛

(1.四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065;2.成都軍區(qū)總醫(yī)院神經(jīng)外科，四川 成都 610083)

0 引言

瞳孔動態(tài)特性的研究在國內(nèi)外一直是心理科學(xué)和生理科學(xué)研究的重要領(lǐng)域。許多疾病都會影響瞳孔對光的反應(yīng)，瞳孔對光刺激的反應(yīng)能夠反映腦力負(fù)荷狀態(tài)和顱腦損傷程度，通過定時動態(tài)測定瞳孔光反應(yīng)情況，分析其在急性顱腦損傷中的變化，可以判斷顱腦損傷的程度［1］。測定瞳孔對光刺激的動態(tài)反應(yīng)可以判斷糖尿病性植物神經(jīng)病變對瞳孔系統(tǒng)的影響［2］。實(shí)時的瞳孔參數(shù)檢測在判斷疲勞駕駛上也具有重要作用［3］。

近年來，有不少學(xué)者進(jìn)行了在動態(tài)瞳孔參數(shù)測量上的研究，通過動態(tài)采集瞳孔圖像，經(jīng)計算機(jī)處理計算得出瞳孔孔徑隨時間變化的曲線，尋找可表征瞳孔相關(guān)疾病的客觀特征參數(shù)，并設(shè)計了專用的光刺激器［4］;為更準(zhǔn)確地實(shí)時獲得瞳孔參數(shù)，也在進(jìn)行相關(guān)算法的研究改進(jìn)［5］?；谝陨媳尘昂脱芯炕A(chǔ)，本文為實(shí)現(xiàn)瞳孔動態(tài)變化設(shè)計更為靈活可靠的瞳孔光刺激系統(tǒng)，并能及時反饋光強(qiáng)數(shù)據(jù)，提供給PC機(jī)用戶界面，預(yù)留詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置接口，滿足不同系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

以PWM方式驅(qū)動LED(Light Emitting Diodes，發(fā)光二極管)時，PWM的脈沖周期的占空比決定了LED正向?qū)ǖ臅r間。由于人眼的視覺殘留效應(yīng)［6-7］，本系統(tǒng)選擇 PSoC芯片 CY8C5588作為 PWM的輸出與控制芯片，同時利用光強(qiáng)傳感器實(shí)時檢測光照的強(qiáng)度，并設(shè)計PC機(jī)應(yīng)用程序界面，使用戶方便可視地進(jìn)行光照參數(shù)設(shè)置和讀取光強(qiáng)數(shù)據(jù)等。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)包括PC端用戶界面、PSoC主控芯片、BH1750光強(qiáng)傳感器、LED驅(qū)動電路和LED燈，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)成圖

圖1中PSoC作為主控芯片，控制輸出PWM，以I2C連接光強(qiáng)傳感器，通過USB總線傳遞數(shù)據(jù)，與PC機(jī)約定操作命令，設(shè)計PC端程序。其中光強(qiáng)傳感器采用的是ROHM公司型號為BH1750FVI的光強(qiáng)芯片，此芯片為I2C接口，有著良好的光靈敏度，集成了信號放大和AD轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過光照后，直接輸出16位高精度的數(shù)字值［8］。

為了提高LED的最高光照強(qiáng)度，傳統(tǒng)方法是串聯(lián)多個或者并聯(lián)多個LED。本系統(tǒng)采用的10 W大功率LED為9個小LED燈3并3串，最大電流可以達(dá)到1 A。而PSoC的工作電壓為3.3 V，輸出電流不足以驅(qū)動，因此利用IRF640的N溝道MOS管搭建一個開關(guān)電路［9］，如圖2所示，PSoC輸出的PWM作為輸入控制信號，外接20 V電壓達(dá)到LED的工作電壓。

圖2 大功率LED驅(qū)動電路

2 PSoC系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件原理圖

在Cypress公司提供的PSoC開發(fā)環(huán)境Creator中，設(shè)計原理圖如圖3所示，包括一個時鐘源、2個PWM模塊并2個中斷源isr模塊、一個I2C模塊、一個USBFS模塊以及相應(yīng)輸出引腳。PWM輸出端所連接的LED_L、LED_R為輸出引腳，應(yīng)連接到LED驅(qū)動電路的信號輸入端。I2C的sda和scl分別與BH1750 的 sda和 scl引腳相連［10］。

圖3 系統(tǒng)的硬件原理圖

2.2 各模塊功能和設(shè)計

2.2.1 PWM 模塊

在原理圖3中放置了2個8位PWM模塊，共用一個時鐘源。PWM可通過時鐘分頻與分辨率共同確定脈沖周期，因此2路PWM可分別控制兩路LED，互不干擾。如需2個PWM脈沖對齊，則可對其發(fā)出清空計數(shù)器的命令，均從0起計數(shù)。

對于8位PWM模塊，其分辨率最大可為255。通過將在PWM模塊中的參數(shù)CMP Value(比較值)設(shè)為N，計數(shù)器將從0到255計數(shù)，小于N時輸出高電平，高于N時輸出低電平。通過函數(shù)更改比較值N即改變占空比，實(shí)現(xiàn)動態(tài)設(shè)定LED亮度［11］。

2.2.2 isr 中斷模塊

PWM的脈沖周期一般高于100 Hz，人眼看來沒有閃爍，在實(shí)際需求中，有時需要發(fā)生閃爍的光照刺激源，這種閃爍頻率由PWM的脈沖計數(shù)實(shí)現(xiàn)。方法如下:每個PWM脈沖觸發(fā)一個isr中斷，在中斷子程序中對脈沖個數(shù)記數(shù)，根據(jù)脈沖周期計算時間，如圖4所示，在一個脈沖周期中，計數(shù)n1期間，比較值N不變，在接下來的n2次計數(shù)中，比較值N設(shè)為0，熄滅LED。如此周期循環(huán)，達(dá)到閃爍目的。

圖4 LED的一個閃爍周期

2.2.3 I2C 模塊

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用到的2片BH1750只需占用PSoC的一個I2C模塊即可工作，將其中一片的地址腳ADDR接高電平，其地址為0x23，另一片接低電平，其地址為0x5c。PSoC通過不同地址訪問BH1750，設(shè)置工作模式為高精度連續(xù)測量，之后即可連續(xù)獲得當(dāng)前光強(qiáng)數(shù)據(jù)［12］。

2.2.4 USBFS 模塊

為了方便地調(diào)節(jié)LED的參數(shù)并獲得實(shí)時的光強(qiáng)數(shù)值，在PC端設(shè)計了用戶應(yīng)用界面，與PSoC的數(shù)據(jù)傳遞采用了USB的方式。PSoC具有全速USBFS模塊，通過USB Setup Wizard可設(shè)置好USB的各個端口配置及描述符等［10］，免去了開發(fā)USB設(shè)備的繁瑣步驟。作為自定義的USB設(shè)備，還需自行開發(fā)驅(qū)動程序，在Windows的操作系統(tǒng)中采用了WDM的驅(qū)動框架，利用Driver Studio工具包完成了驅(qū)動開發(fā)［13-15］。

2.3 PSoC主程序流程

在PSoC的Creator開發(fā)環(huán)境中，正確添加各模塊并通過編譯后，會生成各個模塊的頭文件和API函數(shù)，在main主函數(shù)中實(shí)現(xiàn)主程序，圖5為PSoC主程序流程圖［16］。(1)首先初始化各模塊 PWM、I2C、USB及isr中斷。(2)然后等待PC端對USB設(shè)備的枚舉和配置，PC端發(fā)出連接命令并連接成功后，程序繼續(xù)。(3)在進(jìn)入主循環(huán)之前，向BH1750發(fā)送啟動信號，并設(shè)置工作模式，在循環(huán)中讀取BH1750數(shù)據(jù)保存在緩存數(shù)組中。(4)如果收到USB端口傳來的LED參數(shù)，則以此為依據(jù)設(shè)置PWM，沒有收到則繼續(xù)使用之前的PWM設(shè)置。(5)如果收到USB輸入端口的讀取命令，則將在緩存區(qū)的光強(qiáng)測量數(shù)據(jù)通過端口1發(fā)送到PC端。

圖5 PSoC主程序流程圖

2.4 關(guān)鍵代碼

主要的程序設(shè)計工作是在main主函數(shù)中完成，以下省略中斷和模塊設(shè)置代碼，僅給出PSoC與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互部分的主要代碼。

PSoC根據(jù)USB端口得到的參數(shù)命令進(jìn)行設(shè)置，PC端通過這些約定的命令來設(shè)計滿足實(shí)驗(yàn)需求的應(yīng)用程序。

3 PC端用戶應(yīng)用程序

編寫應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)PC機(jī)與USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，程序框架用Visual Studio C++2008/MFC實(shí)現(xiàn)。

3.1 PC與PSoC的數(shù)據(jù)交互

PSoC的光刺激與測量系統(tǒng)作為自行設(shè)計的USB設(shè)備，提供了USB的驅(qū)動程序以及Windows系統(tǒng)下的讀寫操作碼，并約定了操作命令，調(diào)用Windows的API函數(shù)，可通過操作碼對USB設(shè)備發(fā)送操作命令。PC端因此可以通過操作命令靈活地設(shè)計應(yīng)用程序。

3.2 界面設(shè)計

圖6 PC機(jī)用戶程序界面

圖6是LED控制界面圖，對PWM模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，其中分辨率表示將LED的實(shí)際亮度進(jìn)行數(shù)字化，強(qiáng)度為小于分辨率的整數(shù);脈沖周期為只讀參數(shù)，通過時鐘分頻和分辨率設(shè)置。

LED參數(shù)設(shè)置中的頻率可為浮點(diǎn)數(shù)，其為閃爍頻率。如果設(shè)置較高，如大于100 Hz，則人眼不能分辨其閃爍。占空比為LED點(diǎn)亮?xí)r間占閃爍周期的百分比。

4 測試結(jié)果與分析

系統(tǒng)搭建完畢后，PSoC連接到PC機(jī)的USB接口，安裝驅(qū)動程序，打開用戶應(yīng)用程序，連接USB設(shè)備成功后進(jìn)行測試。

距離固定后，LED最大強(qiáng)度確定為N。設(shè)置分辨率為200，即將強(qiáng)度N劃分為200個等級，測量光強(qiáng)值如圖7所示。

圖7 分辨率為200、距離為5 cm時，光強(qiáng)測量值與光強(qiáng)設(shè)定值的關(guān)系

在實(shí)時瞳孔參數(shù)檢測實(shí)驗(yàn)中，固定瞳孔、LED與攝像頭的距離，參數(shù)檢測平臺以5幀/秒的速度采集瞳孔圖像，對每幀圖片進(jìn)行預(yù)處理、瞳孔定位、瞳孔區(qū)域分割和參數(shù)計算等步驟，最后得到瞳孔面積。以其中一組實(shí)驗(yàn)為例，瞳孔在暗環(huán)境下大小穩(wěn)定后給予頻率1 Hz、強(qiáng)度1141 lux的光照刺激，連續(xù)10秒測量計算得到的瞳孔面積變化曲線如圖8所示。

圖8 瞳孔面積在10秒內(nèi)的變化曲線

測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)基本滿足瞳孔動態(tài)參數(shù)測量平臺的實(shí)驗(yàn)需求，光照強(qiáng)度在其范圍可基本線性調(diào)節(jié)，達(dá)到所需強(qiáng)度，動態(tài)實(shí)時改變LED參數(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)及時、穩(wěn)定可靠。由于采用了8位的PWM，LED的強(qiáng)度分辨率最高為255，精度不夠高。但瞳孔的分辨能力不高，在本次實(shí)驗(yàn)中只將光強(qiáng)劃分了10個等級，因此系統(tǒng)滿足要求。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)已用于光刺激條件下瞳孔面積變化的實(shí)驗(yàn)研究中，設(shè)定光照亮度和閃爍頻率，在一定距離下對瞳孔進(jìn)行光刺激，同時采集瞳孔在光刺激下的動態(tài)反應(yīng)進(jìn)行處理與分析。本系統(tǒng)的LED光照波形為方波，即閃爍中的亮度為固定值，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步擴(kuò)展功能，例如呈三角波形的亮度動態(tài)變化、紅光LED光源、更高分辨率的PWM、更高的光強(qiáng)設(shè)置精度等，以滿足醫(yī)學(xué)上瞳孔光反應(yīng)研究的需求，提供更全面的支持。

［1］姜超，劉士平，曾凡舉，等.急性中-重型顱腦損傷患者瞳孔曲線變化觀測的臨床應(yīng)用［J］.中國臨床神經(jīng)外科雜志，2009，14(12):751-753.

［2］朱治人，陳道瑜，陶圻，等.糖尿病性植物神經(jīng)病變對瞳孔系統(tǒng)的影響——瞳孔對光動態(tài)反應(yīng)的測定［J］.眼科新進(jìn)展，1982，2(2):74-77.

［3］熊興良，張琰，陳萌夢，等.利用自發(fā)瞳孔波動下的瞳孔直徑變異性客觀評價駕駛疲勞［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2013，30(2):239-244.

［4］淮賢，甘平，陳龍聰，等.光刺激下瞳孔圖像動態(tài)采集系統(tǒng)的研發(fā)［J］.激光雜志，2011，32(5):22-24.

［5］羅玉皓，鄒遠(yuǎn)文，夏勛.運(yùn)用OpenCV實(shí)現(xiàn)紅外圖像的瞳孔參數(shù)實(shí)時檢測［J］.計算機(jī)與現(xiàn)代化，2013(6):71-75.

［6］程安寧，王晉，尚相榮.白光LED的PWM驅(qū)動方式分析［J］.電子設(shè)計工程，2010，18(2):109-111.

［7］王聲學(xué)，吳廣寧，蔣偉，等.LED原理及其照明應(yīng)用［J］.燈與照明，2006，30(4):32-35.

［8］ROHM.BH1750FVI光強(qiáng)度傳感器數(shù)據(jù)手冊［EB/OL］.http://www.rohm.com，2012-02-07.

［9］周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.LED驅(qū)動電路設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［10］Cypress Semiconductor Corporation.PSoC Programmer User Guide［DB/OL］.http://www.cypress.com/?rID=47002，2013-01-03.

［11］郭帥，何永義.PSoC的動態(tài)配置能力及其實(shí)現(xiàn)方法［J］.單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003(1):23-26.

［12］王建，毛騰飛，陳英革.基于BH1750芯片的測光系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.常熟理工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，25(2):117-120.

［13］Cypress Semiconductor Corporation.USB Full Speed Device Datasheet［DB/OL］.http://www.cypress.com/?docID=44245，2013-05-31.

［14］張克非.Windows環(huán)境下的USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計［J］.計算機(jī)與現(xiàn)代化，2004(7):5-8，12.

［15］鐘志彬.基于單片機(jī)的USB設(shè)備的研究與設(shè)計［D］.合肥:安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

［16］朱明程，李曉濱.PSoC原理與應(yīng)用設(shè)計［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.