蔡 群,黃金鵬,楊文珍,張 文,吳新麗,李俊峰,陳立翰

1(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,杭州 310018)

2(北京大學(xué) 心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院,北京 100871)

視覺(jué)通道和觸覺(jué)通道是人們認(rèn)知事物的主要方式.為揭示視覺(jué)通道和觸覺(jué)通道的融合感知機(jī)理,前人雖然開(kāi)展了系列物理心理學(xué)認(rèn)知研究[1–3],但是由于缺乏高性能的儀器設(shè)備,難以深入探究人的視觸覺(jué)融合感知特性[4,5].針對(duì)不同的研究目標(biāo),人們開(kāi)發(fā)了一些儀器設(shè)備[6–15],能夠提供視覺(jué)刺激或觸覺(jué)刺激,用于物理心理學(xué)的認(rèn)知研究.

在觸覺(jué)刺激的儀器設(shè)備方面,Zappe 等[9]研制了一個(gè)氣動(dòng)式點(diǎn)陣刺激裝置,在80×80 mm2的平面上,布置了8×8=64 個(gè)觸點(diǎn)陣列,行和列間距均為10 mm,觸點(diǎn)直徑為4 mm.此裝置可以提供1.3–2.7 N 作用力,最大刷新頻率是6 Hz,且有50 ms 延時(shí).Neuro Device Tacti ?公司也研制了一個(gè)氣動(dòng)式點(diǎn)陣刺激裝置[10],有6×4=24 個(gè)觸點(diǎn)陣列,行和列間距均為2.6 mm.此裝置體積比較大,必須配有一個(gè)230 V 供電的外接氣泵.Kim等[11]研制了一個(gè)吸氣式壓力刺激裝置,有一個(gè)6 ×6=36 mm2大小的吸氣孔,指尖覆蓋在吸氣孔上可以感受到5 種不同強(qiáng)度的吸力,用來(lái)研究手指的觸覺(jué)屬性.

在視覺(jué)刺激的儀器設(shè)備方面,da Silva Pinto 等[12]研制了一種便攜式低成本LED 燈視覺(jué)刺激裝置,包括6 V 電源、微控制器(MSP430F149)、LED 燈驅(qū)動(dòng)模塊和操作界面等,提供10 盞LED 燈,最大刷新頻率為500 Hz,重量約為525 g,能夠誘發(fā)穩(wěn)定、無(wú)污染的腦電圖反應(yīng).Mouli 等[13]設(shè)設(shè)計(jì)了一種緊湊型多功能的LED 燈視覺(jué)刺激裝置,能夠產(chǎn)生多種閃爍頻率,適用于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位.它的閃爍頻率范圍在5–50 Hz,有紅、綠、藍(lán)3 種顏色,需要3–12 V 的DC 電壓.Xie 等[14]設(shè)計(jì)了一個(gè)LED 燈的視覺(jué)刺激系統(tǒng),基于EEG 信號(hào)響應(yīng)研究人的空間選擇性注意,通過(guò)由FPGA 最小驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的二組LED 燈,在不同閃爍頻率和閃爍模式下,可以得到較好的穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位結(jié)果.

上述這些裝置雖然能夠提供一定的視覺(jué)刺激或觸覺(jué)刺激,但是不能同步提供視觸覺(jué)融合的感知刺激,在點(diǎn)陣密度、刷新頻率、便攜性等方面已經(jīng)難以滿足物理心理學(xué)認(rèn)知研究的需求.為此,本文設(shè)計(jì)了一種高密度的點(diǎn)陣刺激裝置,能夠同時(shí)生成視覺(jué)刺激和觸覺(jué)刺激,以便研究人的視觸覺(jué)融合感知特性.此裝置的視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊能夠提供多種顏色、多種明亮灰度值等級(jí)、多種閃爍頻率和閃爍模式的視覺(jué)刺激,其觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊能夠提供符合指尖皮膚觸覺(jué)感知分辨率的觸覺(jué)刺激.通過(guò)上位機(jī)控制平臺(tái),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者可以控制視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊和觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊中的一個(gè)或多點(diǎn)LED 燈或觸點(diǎn),設(shè)計(jì)視觸覺(jué)融合感知的實(shí)驗(yàn),開(kāi)展物理心理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究.

1 裝置的整體設(shè)計(jì)

1.1 裝置的工作原理

本文設(shè)計(jì)的高密度點(diǎn)陣刺激裝置可分為上位機(jī)控制平臺(tái)和下位機(jī)執(zhí)行平臺(tái)兩部分,其工作原理如圖1所示.上位機(jī)控制平臺(tái)可運(yùn)行在PC 機(jī)或移動(dòng)設(shè)備上,通過(guò)USB 串口或無(wú)線藍(lán)牙與下位機(jī)執(zhí)行平臺(tái)進(jìn)行通訊.下位機(jī)執(zhí)行平臺(tái)由視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊、觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊以及下位機(jī)控制模塊等組成.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者通過(guò)上位機(jī)控制平臺(tái)經(jīng)下位機(jī)控制模塊,控制視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊和觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊上的LED 燈和觸點(diǎn),讓被試者感受到視覺(jué)刺激和觸覺(jué)刺激,開(kāi)展視觸覺(jué)融合感知的實(shí)驗(yàn)研究.

圖1 裝置的工作原理

1.2 裝置的物理樣機(jī)

裝置的3D 爆炸圖如圖2所示.視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊位于裝置的最上層,在其下面是觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊,下位機(jī)控制模塊位于裝置的最下層.圖3是裝置的物理樣機(jī),正處于工作狀態(tài),被試者手指可以感受到觸點(diǎn)的觸覺(jué)刺激,被試者眼睛可以感受到LED 燈的視覺(jué)刺激.圖4是拆除視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊后的裝置,可以清楚地看到觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊.

圖2 裝置的3D 爆炸圖

圖3 裝置的物理樣機(jī)

1.3 裝置的硬件電路

此裝置的硬件電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口通訊電路、藍(lán)牙通訊電路、電源穩(wěn)壓電路、視覺(jué)點(diǎn)陣行驅(qū)動(dòng)電路、視覺(jué)點(diǎn)陣列驅(qū)動(dòng)電路以及觸覺(jué)點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路等,硬件電路的組成體系如圖5所示.

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STC89C52RC 單片機(jī)、復(fù)位電路和晶振電路組成,采用11.0592 MHz 晶振頻率.串口通訊電路由CH340 總線轉(zhuǎn)接芯片和USB 串口組成,實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的串口通訊和程序燒入功能.藍(lán)牙通訊電路采用HC-05 藍(lán)牙模塊,實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間無(wú)線傳輸通訊.電源穩(wěn)壓電路有5 V 升壓穩(wěn)壓電路和過(guò)壓過(guò)流保護(hù)功能,保護(hù)電路正常運(yùn)行,還有充放電一體功能,可以給裝置的電池充電.

圖4 觸覺(jué)點(diǎn)陣的觸摸方式

圖5 硬件電路的組成體系

2 視覺(jué)點(diǎn)陣刺激

此裝置可以生成基于LED 燈的視覺(jué)刺激,由視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊、視覺(jué)點(diǎn)陣行驅(qū)動(dòng)模塊和視覺(jué)點(diǎn)陣列驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn).

2.1 視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊

LED 燈是一種高性能二極管發(fā)光器件[15].其控制性能良好,使用壽命長(zhǎng),視覺(jué)效果穩(wěn)定[16],因此,本文采用LED 燈作為視覺(jué)刺激源.視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊由19×12=228 盞LED 燈陣列組成,每盞燈橫向間距為1.05 mm,縱向間距為1.1 mm,面積約49.95×50.02=2500 mm2,如圖6(a).本裝置的LED 燈有4 種型號(hào)可選擇,見(jiàn)表1,LED 燈最大封裝尺寸為3.2×1.6 mm,LED 燈最小封裝尺寸為1.0×0.5 mm,可選用紅、白、黃、藍(lán)4 種顏色.我們?cè)O(shè)計(jì)了10 個(gè)等級(jí)明亮灰度值(7.6,14.9,22.3,29.8,39.5,44.7,52.9,61.2,68.1,75.8 lux),LED 燈最高刷新頻率為85 Hz.采用足夠大的掃描頻率,人眼視覺(jué)暫留效應(yīng)就可觀察到持續(xù)點(diǎn)亮的視覺(jué)刺激[17].且可輸出多種閃爍頻率和閃爍模式的視覺(jué)刺激.228 盞LED 燈陣列按照掃描驅(qū)動(dòng)方式連接,其每一行正極連接在一起、對(duì)應(yīng)的每一列負(fù)極連在一起,其電路圖如圖6(c).圖6(b)為L(zhǎng)ED 燈的PCB 板.

圖6 視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊

表1 LED 燈的封裝尺寸

2.2 視覺(jué)點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)長(zhǎng)ED 燈陣列以掃描驅(qū)動(dòng)方式連接,所以其驅(qū)動(dòng)電路由視覺(jué)點(diǎn)陣行驅(qū)動(dòng)模塊和視覺(jué)點(diǎn)陣列驅(qū)動(dòng)模塊組成.視覺(jué)點(diǎn)陣行驅(qū)動(dòng)模塊接收單片機(jī)MCU 的行控制指令,可以輸出高電平控制視覺(jué)點(diǎn)陣LED 燈正極的通斷.圖7(a)為視覺(jué)點(diǎn)陣行驅(qū)動(dòng)電路圖.

圖7 視覺(jué)點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)模塊

視覺(jué)點(diǎn)陣行驅(qū)動(dòng)模塊采用74HC595 位移緩存器作為行驅(qū)動(dòng)芯片,其引腳可輸出高低電平且輸出強(qiáng)度可調(diào),控制速度快功耗非常較低,能夠驅(qū)動(dòng)數(shù)量較多的LED 燈,并且具有鎖存功能.74HC595 位移緩存器支持級(jí)聯(lián)方式,數(shù)據(jù)可以通過(guò)上一片位移緩存器的數(shù)據(jù)輸出端直接輸送到下一片位移緩存器的數(shù)據(jù)輸入端,節(jié)省數(shù)據(jù)輸入端口與時(shí)鐘線控制端口,從而節(jié)省單片機(jī)I/O 口資源.

視覺(jué)點(diǎn)陣列驅(qū)動(dòng)模塊接收單片機(jī)MCU 的列控制指令,可以輸出低電平控制視覺(jué)點(diǎn)陣LED 燈負(fù)極的通斷.圖7(c)為視覺(jué)點(diǎn)陣列驅(qū)動(dòng)電路圖.

視覺(jué)點(diǎn)陣列驅(qū)動(dòng)模塊采用74HC573 鎖存器作為列驅(qū)動(dòng)芯片,有高電平、低電平和高阻態(tài)的三態(tài)輸出,可以兼容視覺(jué)點(diǎn)陣列的控制和驅(qū)動(dòng)功能,其使能輸入端和8 路輸入端口可以加入PWM 脈寬調(diào)制波形信號(hào),可以控制其輸出端口的輸出電壓變化,輸出2.0 V～5.0 V電壓,滿足LED 燈不同明亮灰度值的電壓要求.圖7(b)為視覺(jué)點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路PCB 板.

2.3 視覺(jué)點(diǎn)陣刺激的生成

視覺(jué)點(diǎn)陣刺激由上位機(jī)控制平臺(tái)和下位機(jī)執(zhí)行平臺(tái)共同完成.例如,實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)亮視覺(jué)點(diǎn)陣中LED 燈和調(diào)節(jié)LED 燈的明亮灰度值,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者在上位機(jī)控制平臺(tái)首先輸入需要點(diǎn)亮LED 燈的行數(shù)(1–19 行),然后輸入需要點(diǎn)亮LED 燈的列數(shù)(1–12 列),最后通過(guò)灰度等級(jí)按鈕來(lái)控制LED 燈明亮灰度值變化.

采用掃描方式控制LED 燈的亮滅,調(diào)節(jié)PWM 波占空比來(lái)控制LED 燈的明亮灰度值.基于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象,人眼識(shí)別連貫的圖像若超過(guò)24 幀/s 約25 Hz,人眼所看到的圖像變化就不會(huì)出現(xiàn)明顯卡頓,因此掃描速度足夠快,頻率足夠高就可以產(chǎn)生良好的視覺(jué)刺激.同時(shí)掃描頻率受到程序和硬件電路的制約,也不能不斷增加給系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān).因此設(shè)置合理的PWM 周期即合理的掃描頻率對(duì)視覺(jué)刺激是十分必要的.在LED 評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)里面,當(dāng)控制LED 剛好使人眼觀察不到閃爍時(shí)候的掃描頻率稱為臨界閃爍頻率(Critical Flicker Frequency,CFF).在不同環(huán)境條件下,理論計(jì)算CFF 只要大于60 Hz 人眼就不會(huì)看到明顯的閃爍現(xiàn)象[18].目前市場(chǎng)上的LED 顯示屏幕掃描頻率多數(shù)100 Hz[19].基于實(shí)際使用情況,掃描頻率由LED 本身發(fā)光亮度與環(huán)境共同所決定[20],環(huán)境更亮掃描頻率也應(yīng)越高效果才越好.本裝置為離散化LED 視覺(jué)刺激點(diǎn),因此其發(fā)光密度小于LED 顯示屏,且滿足不同環(huán)境下的使用,頻率應(yīng)設(shè)置為60～100 Hz 之間.根據(jù)LED 電子產(chǎn)品實(shí)際使用情況若LED 燈的掃描頻率低于85 Hz,人眼能夠感知到LED 燈的閃爍現(xiàn)象.排除裝置本身硬件誤差,程序運(yùn)行時(shí)間和滿足簡(jiǎn)化程序使定時(shí)器初值設(shè)置合理等諸多考慮,進(jìn)行如下掃描頻率計(jì)算.

此裝置MCU 時(shí)鐘電路的晶振頻率為f=11.0592 MHz,時(shí)鐘周期為T=1/f=0.09 μs,則它的機(jī)器周期t為:

本文應(yīng)用的STC89C52RC 單片機(jī)計(jì)數(shù)器最大值為65 536.我們?cè)O(shè)置計(jì)數(shù)器初值為65 036,以500 次計(jì)數(shù)產(chǎn)生一次溢出,完成一次掃描中斷,因此,單片機(jī)完成一次中斷服務(wù)時(shí)間t中為:

設(shè)置20 個(gè)t中為一次掃描周期,PWM 周期TPWM為:

LED 燈的掃描頻率為:

因此,設(shè)置本文LED 燈的理論掃描頻率為fLED理論=92.2 Hz.

為了驗(yàn)證理論LED 燈的掃描頻率和明亮灰度值是否符合預(yù)期,我們開(kāi)展電子電路的電性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量,通過(guò)北京普源數(shù)字示波器(型號(hào)DS1204B)和蘇州特安斯數(shù)字照度計(jì)(型號(hào)TA8133)測(cè)量此裝置LED 燈的實(shí)際掃描頻率fLED實(shí)際和實(shí)際明亮灰度值(LuLED實(shí)際),測(cè)量結(jié)果如表2所示.

從表2中可知,在4.3 V 電壓下,我們調(diào)節(jié)PWM波的占空比,可以得到不同的明亮灰度值.在1 級(jí)明亮灰度等級(jí)(5%占空比)情況下,LED 燈可以產(chǎn)生7.6 lux的視覺(jué)刺激,在10 級(jí)明亮灰度等級(jí)(50%占空比)情況下,可以產(chǎn)生最高75.8 lux 的視覺(jué)刺激.數(shù)字示波器實(shí)際測(cè)得的LED 燈掃描頻率約為85 Hz,接近于我們?cè)O(shè)計(jì)的理論掃描頻率92.2 Hz,LED 燈掃描頻率的誤差率ferror約為:

由于電子元器件在使用過(guò)程中不可避免會(huì)受到周圍環(huán)境電磁波等電子干擾,fLED理論和fLED實(shí)際存在偏差是必然的.ferror<10%在電子產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)許可范圍之內(nèi),表明此視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊能夠可靠工作,人眼觀測(cè)無(wú)頻閃無(wú)不良發(fā)應(yīng),產(chǎn)生性能穩(wěn)定的視覺(jué)刺激.

3 觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激

3.1 觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊

觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊由4 方尺寸相同的點(diǎn)陣單元,按2 行2 列的矩形排布組成,如圖8(a)所示.每方點(diǎn)陣單元有3 行2 列的6 個(gè)直徑為1.5 mm 的觸點(diǎn),如圖8(b)所示,以2.6 mm 行和列間距均布,每個(gè)觸點(diǎn)的凸起高度為0.40±0.05 mm.最大刷新頻率約為10 Hz,觸點(diǎn)凸起后處于自鎖位置,能夠承受約10 N 的指尖按壓力.與本文所引用國(guó)內(nèi)外觸覺(jué)研究裝置相比,本文刺激裝置點(diǎn)數(shù)更加密集,在更小的刺激面上所集中觸覺(jué)點(diǎn)數(shù)更多.同時(shí)與氣動(dòng)觸覺(jué)刺激等裝置相比,其所需功率更小驅(qū)動(dòng)電路更為簡(jiǎn)潔,并且在較小的功率下滿足了更高的刷新頻率.

觸點(diǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖8(c)所示,每個(gè)觸點(diǎn)都有一個(gè)電磁線圈,在不同電流方向作用下,可以產(chǎn)生不同極性的磁場(chǎng),讓永磁鐵橫向來(lái)回運(yùn)動(dòng),從而推動(dòng)觸點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng).當(dāng)永磁鐵與左鐵片相吸引,觸點(diǎn)處于凸起狀態(tài),指尖可以觸摸到觸點(diǎn).當(dāng)永磁鐵與右鐵片相吸引,觸點(diǎn)處于非凸起狀態(tài),指尖觸摸不到觸點(diǎn).

表2 LED 燈的掃描頻率和明亮灰度值

3.2 觸覺(jué)點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)電路

點(diǎn)陣單元為功率器件,其功率參數(shù)決定了觸覺(jué)點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì).觸點(diǎn)的電磁線圈電阻為34Ω±10%,工作電壓在3.6 V～5.5 V 之間,工作電流為150 mA.

觸覺(jué)點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路模塊包括74HC595 位移緩存器和MS3111 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,如圖9(a)所示.采用74HC595 位移緩存器可以節(jié)省單片機(jī)IO 口,通過(guò)單片機(jī)3 個(gè)IO 口就可以實(shí)現(xiàn)24 個(gè)觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng).但是,由于74HC595 端口輸出電流小于20 mA,無(wú)法驅(qū)動(dòng)大功率電子器件,包括本文中的點(diǎn)陣單元.為此,我們采用MS3111 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片作為點(diǎn)陣單元的外部驅(qū)動(dòng)器件.MS3111 是一款高性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,可以輸出800 mA 電流,足夠驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣單元正常工作,并且其輸入端口可以接入PWM 脈寬調(diào)制波形信號(hào)來(lái)控制輸出電流的頻率和大小,從而控制觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)頻率以及運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度.

圖8 觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊

圖9 觸覺(jué)點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路模塊

3.3 觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激的生成

觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激由上位機(jī)控制平臺(tái)和下位機(jī)執(zhí)行平臺(tái)共同完成.例如,實(shí)驗(yàn)要凸起觸覺(jué)點(diǎn)陣中某一個(gè)觸點(diǎn)或多個(gè)觸點(diǎn),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者在上位機(jī)控制平臺(tái)輸入觸點(diǎn)編號(hào)并發(fā)送給下位機(jī)執(zhí)行平臺(tái).74HC595 位移緩存器串行接收單片機(jī)MCU 數(shù)據(jù),并行輸出給MS3111 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,進(jìn)而控制觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng).

我們以不同周期發(fā)送數(shù)據(jù),控制觸點(diǎn)的刷新速度,可以產(chǎn)生不同的觸覺(jué)刺激.為了探明觸點(diǎn)的最大刷新頻率,我們開(kāi)展電子電路的電性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量,通過(guò)北京普源數(shù)字示波器(型號(hào)DS1204B)測(cè)量觸點(diǎn)的刷新頻率f觸點(diǎn).在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中,我們?cè)O(shè)定數(shù)據(jù)的發(fā)送周期T觸點(diǎn)分別1000 ms、200 ms、100 ms 和10 ms,測(cè)量電磁線圈的電壓波形頻率,得到觸點(diǎn)的刷新頻率,測(cè)量結(jié)果的如圖10所示.

圖10(a)顯示當(dāng)T觸點(diǎn)=1000 ms 時(shí),觸點(diǎn)刷新頻率為f觸點(diǎn)=996 mHz;圖10(b)顯示當(dāng)T觸點(diǎn)=200 ms 時(shí),觸點(diǎn)刷新頻率為f觸點(diǎn)=4.9 Hz;圖10(c)顯示當(dāng)T觸點(diǎn)=100 ms 時(shí),觸點(diǎn)刷新頻率為f觸點(diǎn)=9.8 Hz;圖10(d)顯示當(dāng)T觸點(diǎn)=10 ms 時(shí),觸點(diǎn)刷新頻率還是f觸點(diǎn)=10.2 Hz.

因此,我們得出此點(diǎn)陣單元的觸點(diǎn)最大刷新頻率為10 Hz.

4 裝置的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.1 裝置控制程序

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)由于性能良好得到了越來(lái)越多的關(guān)注[21].本裝置應(yīng)用嵌入式開(kāi)發(fā)知識(shí),設(shè)計(jì)控制程序包括上位機(jī)人機(jī)交互程序與下位機(jī)MCU 驅(qū)動(dòng)程序.上位機(jī)人機(jī)交互程序提供人機(jī)交互界面,實(shí)驗(yàn)者可以在數(shù)據(jù)發(fā)送界面輸入視覺(jué)點(diǎn)陣的行列序號(hào)、觸覺(jué)點(diǎn)陣的點(diǎn)序號(hào),可以在灰度控制界面調(diào)整LED 燈的明亮灰度等級(jí),可以選擇定時(shí)自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)方式或者手動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)方式,通過(guò)USB 串口或者無(wú)線藍(lán)牙,把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)控制模塊.此外,上位機(jī)人機(jī)交互程序還有通訊端口配置、數(shù)據(jù)文件管理等功能.

下位機(jī)控制模塊接通電源后,下位機(jī)MCU 驅(qū)動(dòng)程序首先執(zhí)行單片機(jī)初始化程序,完成定時(shí)器時(shí)鐘、標(biāo)識(shí)符等參數(shù)的初始化工作,然后接收并校檢上位機(jī)控制平臺(tái)傳來(lái)的數(shù)據(jù),接著解析和分配數(shù)據(jù)給視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊和觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊,實(shí)現(xiàn)LED 燈的亮滅、LED 燈的不同明亮灰度值以及觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng).圖11為下位機(jī)MCU 驅(qū)動(dòng)程序的流程圖.

圖10 觸點(diǎn)刷新頻率測(cè)量結(jié)果

圖11 MCU 驅(qū)動(dòng)程序流程

上位機(jī)控制界面由VS (Microsoft Visual Studio)軟件應(yīng)用C#語(yǔ)言編寫,用戶界面框架搭建過(guò)程中實(shí)現(xiàn)界面與程序分離,簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì),秉持人機(jī)交互原則使操作界面與使用方法一目了然.下位機(jī)編寫語(yǔ)言為C 語(yǔ)言,應(yīng)用keil 開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行52 系列嵌入式程序開(kāi)發(fā).

4.2 視覺(jué)刺激實(shí)驗(yàn)

在此實(shí)驗(yàn)中,我們通過(guò)上位機(jī)的人機(jī)交互界面,輸入LED 燈的行列數(shù),調(diào)整明亮灰度值等級(jí),來(lái)驗(yàn)證此裝置的視覺(jué)刺激生成功能.表3羅列了部分視覺(jué)刺激生成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,視覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊工作可靠性能穩(wěn)定,能夠以不同明亮灰度等級(jí)點(diǎn)亮不同的LED燈點(diǎn)陣,生成視覺(jué)刺激,由實(shí)驗(yàn)證明實(shí)時(shí)響應(yīng)速度良好.

表3 視覺(jué)刺激生成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3 觸覺(jué)刺激實(shí)驗(yàn)

在此實(shí)驗(yàn)中,我們通過(guò)上位機(jī)的人機(jī)交互界面,輸入觸覺(jué)點(diǎn)陣的點(diǎn)序號(hào),驅(qū)動(dòng)每方點(diǎn)陣單元的觸點(diǎn),驗(yàn)證此裝置的觸覺(jué)刺激生成功能.表4羅列了部分觸覺(jué)刺激生成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,觸覺(jué)點(diǎn)陣刺激模塊工作可靠性能穩(wěn)定,能夠觸動(dòng)不同的觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng),生成觸覺(jué)刺激,由實(shí)驗(yàn)證明實(shí)時(shí)響應(yīng)速度良好..

5 總結(jié)

人們通常由視、聽(tīng)、觸、嗅、味等多個(gè)通道,融合感知和認(rèn)知環(huán)境.探明人的多通道感知特性是物理心理學(xué)研究的重要目標(biāo),其中,能夠提供多通道感知刺激的儀器設(shè)備是物理心理學(xué)研究必不可少的工具.本文設(shè)計(jì)了一種視覺(jué)和觸覺(jué)融合感知的點(diǎn)陣刺激裝置,可以同步給指尖提供觸覺(jué)刺激,給眼睛提供視覺(jué)刺激,為物理心理學(xué)研究人的視觸覺(jué)融合感知特性提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備.

相對(duì)于前人研究成果,此裝置的主要?jiǎng)?chuàng)新有:1)能夠提供更高密度、更高刷新頻率的觸覺(jué)刺激;2)能夠提供不同顏色、不同微小封裝尺寸、不同明亮灰度值等組合的LED 燈點(diǎn)陣視覺(jué)刺激;3)能夠同步產(chǎn)生視覺(jué)刺激和觸覺(jué)刺激;4)裝置的電子元器件集成度更高、裝置的體積更小且重量更輕,并且能夠遠(yuǎn)程操控.借助此裝置,人們可以感受到溫和不刺眼的視覺(jué)感知,也能夠獲得清晰辨識(shí)的觸覺(jué)感知.

表4 觸覺(jué)刺激生成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此裝置的不足之處在于:1)觸點(diǎn)的凸起高度不可調(diào);2)觸點(diǎn)凸起時(shí),指尖必須離開(kāi)觸點(diǎn);3)控制程序較復(fù)雜.