单片机控制光源在瞳孔光反应技术中的应用

韦杰

（重庆大学，中国 重庆 400044）

【摘要】本文通过对目前国内外使用视觉电生理的检测的方法进行探讨，在现有的瞳孔检测技术的基础上，基于单片机技术设计出一种不接触人眼，用PC端直接控制，满足不同颜色、不同强度、不同频率的特定光刺激需求的装置，使得检测更加精确可靠。

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关键词 单片机开发；瞳孔检测；改进检测系统

0　引言

通过对瞳孔检测定位人眼，可以短时间内检测毒贩是否在近期吸食毒品，降低对罪犯的检查周期；可大大加强眼部手术的安全性和可靠性，在医疗器械辅助检查方面提供精确支持等。而目前国内外对瞳孔的检测主要基于视觉电生理理论，这一方法需要将仪器与人眼接触，会造成人体不适，而且检测结果是通过人直观地判断，不一定可靠。

针对以上问题，本文通过对其中一种视觉电生理的方法进行分析，在已有对瞳孔检测方法的研究基础上，改进并设计可用于瞳孔光反应检测系统的可控光源发生器。

1　基于眼电图（EOG）的瞳孔检测方法

眼电图是测量在视网膜色素上皮和光感受器细胞之间存在的视网膜电位，通过检测电位的变化来获取信息。单扬等在1985年提出的瞳孔检测法[1]就是基于眼电图的典型例子。该方法主要采用电极接触皮肤，然后记录视网膜电位差。他们根据诊断指标，如暗谷电位、暗谷时间、光峰电位等，对受监测者的信息进行分析。虽然此方法具有对不同的个体差异很大，对局部小面积病变不够敏感等，但是这方法属于定位性诊断，这是心理物理学达不到的。

而田桂芬等使用眼电图方法对不同人群进行实验[2]，他们发现不同年龄、不同疾病、不同性别的人对结果有着明显的影响，最终得出对该方法参数的判读标准。从而提高了使用眼电图法检测的准确性。

综上，虽然眼电图法具有操作简单等优点，但是其具有电极与皮肤接触过久易造成患者不适，判断依据主要是人主观想法等缺点，限制了该方法的大范围使用。

2　基于单片机控制光源的瞳孔检测技术

通过参考阴正勤对瞳孔检测应用发展的分析[3]，综合上述方法的缺点。我们改进并且设计了一种可用于瞳孔光反应检测系统的可控光源发生器。

2.1　硬件设计

由于本系统要求能够发出特定颜色、强度和频率的光，所以设计的光发生器是由一个以单片机STM32为主体的控制电路板、以tps器件为主体的电路稳定板块和LED构成的圆形发光器组成。

设计框图及其工作原理如图1所示。

图1　硬件设计及工作原理图

2.1.1　控制电路板

根据孙书鹰等对单片机STM32F103的介绍[4]，主控芯片采用的是STM32F103芯片，其具有内置128K闪存存储器、具有SPI等7个通信接口。本系统需要使用到相对较多的外设接口，而该芯片拥有满足该需求的GPIO接口个数，可以实现通过JTAG对芯片进行调试，也可以通过串口与PC端进行通信，所以选用STM32103芯片作为该系统的控制器件。控制电路板使用Candence软件进行设计。

2.1.2　电路稳定板块

经过实验发现，直接将发光器接在控制板块的输出端，发出的光源并不稳定，而本系统要求能够发出稳定的、所需的特定颜色、强度和频率的光，因此还需要增加一个电路稳定板块。根据余敏在2012年所提出的LED驱动设计方法[5]，我们采用TPS611195驱动芯片作为电路稳定板块的主体。由于电路中的电流并不是稳定的，所以在板块中接入多个电容以及二极管构成整流滤波电路，使得板块工作时输出的信号是稳定的。由于TPS器件有8个输出端，通过接入串口可将信号传递到发光器。

2.1.3　发光器

医学上对瞳孔检测时所需的光通常为红、蓝、白三种颜色，且要求发出的光在瞳孔接收的范围内达到均匀效果。对如白光，我们使用64个发出白光的LED灯，以8串8并的形式焊接在圆形的PCB板。对于不同颜色的光，将两种不同颜色的LED围绕着PCB板的圆形焊接，使同一种颜色的LED相对称，而发出的光能够达到对称的效果。

我们采用了以单片机STM32为主体的控制电路板来达到控制发光器发出所需颜色、光强和频率的光，以TPS器件为主体的电路稳定板块实现将信号稳定地输出到发光器中，而发光器中的每种颜色LED都是由64个LED根据8串8并的形式组成。

2.2　软件设计

该系统的软件部分主要是使用单片机开发工具Keli uVision3编写程序, 程序的主函数主要由串口子函数和光强判断函数组成，根据实际需求改变参数控制I/O管口以控制颜色，光强判断函数则确定所需光强，最后驱动光刺激模块发光，达到使用PWM信号控制电路电流、电压的变化从而使得灯光能够按照要求实现效果。此外，控制软件的可视化部分则由C++实现。程序流程图如图2所示。

图2　光源系统软件设计框图

3　实验结果

通过使用JTAG对光源系统进行多次调试，其实现了发出白色、红色、蓝色三种不同颜色的光；发光等级分为6个等级；间隔时间可以实现200ms和2000ms两个功能。

4　总结

本文在瞳孔检测技术发展多年的基础上，与经典的基于眼电图（EOG）的瞳孔检测方法进行分析，基于单片机技术，设计出一种可以实现不接触人眼，用PC端直接控制，并且满足不同颜色、不同强度、不同频率的特定光刺激需求的装置。为瞳孔检测的算法研究提供坚实的基础，使得眼科学更加精确可靠。

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参考文献

［1］单扬,吴德正,吴乐正.临床视觉眼电图检查法[J].国外医学:眼科学分册,1985(04).

［2］田桂芬,刘海华,甘晓玲.视觉眼电图的正确判读[J].中国斜视与小儿眼科杂志,2006,14(2):5.

［3］阴正勤.视觉诱发电位、视网膜电图及眼电图的临床应用进展[J].基础医学与临床,1991(04).

［4］孙书鹰,陈志佳,寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用,2010(12).

［5］余敏.可调光数字式LED驱动电源设计[D].浙江理工大学,2012.

［责任编辑：杨玉洁］