視覺反應(yīng)時間測試系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

　　視覺是人和動物感知外界物體的大小、明暗、顏色、動靜的主要途徑，對機(jī)體生存具有重要意義。研究表明，在人腦所獲得的外界信息中，至少有70%以上來自于視覺。眼睛之所以能看見物體是由于光照射到物體上，再由物體把光反射到人的視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜上的感光換能系統(tǒng)將光線的刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)信息，通過神經(jīng)將這些信息傳遞給大腦，這樣就形成了視覺[1]。視覺延時所討論的即這段神經(jīng)通路從感受、自中樞傳入傳出至效應(yīng)階段所需的時間。而視覺的敏感程度指的是視神經(jīng)感受光量子刺激的最低閾值，即視網(wǎng)膜所能感受到的最低亮度。視神經(jīng)閾下刺激不能促使視網(wǎng)膜上的光換能系統(tǒng)發(fā)生作用，將光能轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動的形式傳遞給大腦[2]。

　　測試人視覺反應(yīng)的各項指標(biāo)，對于疾病診斷以及醫(yī)學(xué)研究都具有重要的意義。視覺延時直接反映了神經(jīng)沖動的傳導(dǎo)時間，人在疲勞、醉酒以及病理的神經(jīng)沖動傳遞阻滯時，都會使延時時間明顯增加[3,4]。所以視覺延時可以作為航天、駕駛等高危行業(yè)操作者的基本生理參數(shù)，綜合反映操作者的基本生理狀況，避免疲勞駕駛導(dǎo)致的事故。由于人體有些病理狀態(tài)的前期也會出現(xiàn)視覺延時增加[5,6]，所以這項指標(biāo)也可以作為體檢的基本測試項目，用于評估人體的亞健康狀態(tài)，為疾病的及早預(yù)防、治療提供部分依據(jù)的依據(jù)。而視神經(jīng)的閾值高低也直接反映了眼底的健康狀況，對于一些眼科疾病的預(yù)防具有積極的作用。

　　視覺自身所具有的諸多特點也對設(shè)計提出了特殊的要求。首先視覺自身具有明適應(yīng)及暗適應(yīng)的能力，及在不同的環(huán)境亮度下，使神經(jīng)的感受閾值并不相同。并且在不同亮度條件下視覺反應(yīng)時間也不盡相同。所以測試時要求有基本一致的環(huán)境亮度，即全黑的狀態(tài)。視覺的另一時間特點就是視覺暫留現(xiàn)象，動畫或電影的畫面刷新率在高于每秒24幀時，人眼就已不能顯著分辨畫面的單幀過程[1]。加上視覺大約200至400毫秒的延時時間，在亮度逐級增加的情況下變化速率必須進(jìn)行合理的控制。再者由于人眼，尤其是在弱光環(huán)境下，對亮度的分辨能力甚至可以達(dá)到光子數(shù)量級，所以對于系統(tǒng)亮度變化的最小單位也提出了較高的要求。

2 系統(tǒng)功能

　　本視覺反應(yīng)時間測試系統(tǒng)主要利用VHDL硬件描述語言并結(jié)合頂層原理圖進(jìn)行設(shè)計，并在Up3-1C6評估板上進(jìn)行測試后完成?？梢詼y試人體視覺反應(yīng)對不同亮度光線的延遲時間以及對亮度的敏感程度。

　　現(xiàn)已投入臨床使用的視覺反應(yīng)測試系統(tǒng)，如北京中儀金葉科技有限公司生產(chǎn)的BD-II-511型視覺反應(yīng)時測試儀，只能達(dá)到10ms的顯示精度，且延時需要手動設(shè)置。本文所介紹的視覺反應(yīng)時間測試系統(tǒng)設(shè)計利用多級分頻技術(shù)，去除時序中的干擾因素，使得視覺反應(yīng)時間測試精度達(dá)到0.01ms。為減少被試心理因素的干擾，特別添加隨機(jī)延時電路，使得測試更為準(zhǔn)確。利用PWM調(diào)節(jié)LED發(fā)光二極管的亮度，使得亮度可分為一萬級，根據(jù)人體對亮度較為敏感的特點，所測范圍設(shè)為前一百級(0-99)。用功能選擇鍵控制功能的切換，當(dāng)運(yùn)行其中一個功能時，另一功能模塊停止工作，這樣可以減少系統(tǒng)工作時所用到的資源，提高運(yùn)行效率。

　　以LED顯示作為視覺刺激信號，測量被試者的反應(yīng)時間：在按鍵按下后，以0.01s為最小單位，在1s-5s之間產(chǎn)生一隨機(jī)延時后，點亮LED。被試者在LED點亮后，釋放按鍵，從LED點亮到按鍵釋放的時間間隔即為反應(yīng)時間，將測得的反應(yīng)時間以最小單位為0.01ms顯示在LCD上。LED燈亮度可調(diào)，可以完成不同亮度級別下的視覺延時。

　　以LED顯示作為視覺刺激信號，測量被試者對亮度的敏感性：在按鍵按下后，以0.01s為最小單位，在1s-5s之間產(chǎn)生一隨機(jī)延時后，逐漸點亮LED。以LED總亮度的萬分之一為單位，每一秒進(jìn)一級，顯示前一百級。被試者在看到燈亮后即釋放按鍵，在LCD上顯示被試者可看到的最低量度級別。

3 系統(tǒng)設(shè)計

　　系統(tǒng)框圖主要分為分頻、延時、計時、亮度調(diào)節(jié)及顯示等幾個模塊。48MHz外部時鐘經(jīng)過分頻電路，分別為各個電路提供時鐘信號。延時電路從按鍵按下開始，利用脈沖計數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)延時后分別點亮LED1并且啟動計時裝置。當(dāng)被測試者看到燈亮放開按鍵后LED1熄滅并且計時停止。亮度設(shè)置模塊用于置數(shù)，并通過LED亮度調(diào)節(jié)模塊控制燈的亮度，通過總線接至LCD顯示模塊，顯示亮度級別。

　　隨機(jī)延時模塊同樣可以啟動亮度漸變模塊。亮度漸變用于控制LED2的亮度逐漸增加并將所顯示的亮度級別通過總線形式接至LCD顯示，當(dāng)按鍵被放開時，亮度漸變隨即停止，屏幕上所顯示為被測試者可以觀察到的最低亮度。

　　為了便于功能的擴(kuò)展，所有模塊均具有清零和使能端，并將LED亮度調(diào)節(jié)模塊、計時模塊、亮度調(diào)節(jié)模塊和LCD顯示模塊均連接功能切換鍵，用于選通視覺測試和敏感度測試兩功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 反應(yīng)時間與亮度敏感性測試系統(tǒng)框圖

3.1 分頻電路

　　利用PWM方式設(shè)置參數(shù)可調(diào)的分頻電路，將48MHz占空比為50%的脈沖分為4.8MHZ和0.1MHz占空比為50%的脈沖信號。

3.2 延時電路

　　延時電路由按鍵開關(guān)控制，按下即開始工作，產(chǎn)生一最小單位為0.01s、1s-5s間的隨機(jī)延時。隨后輸出一“en”使能信號，控制之后的電路。隨機(jī)數(shù)在100-500的計數(shù)循環(huán)中產(chǎn)生，按鍵時將數(shù)字讀出，即為隨機(jī)數(shù)。將此數(shù)乘以1000，作為0.1MHz計數(shù)器的終止數(shù)，即可產(chǎn)生隨機(jī)延時。延時電路仿真波形圖如圖2。Clk為輸入的0.1MHz脈沖，start為開始信號，en為輸出信號，當(dāng)start為‘0’后，經(jīng)過一定時間的延時，en輸出高電平信號。當(dāng)start變?yōu)椤?’后，en同時變?yōu)椤?’。延時時間隨機(jī)產(chǎn)生。

3.3 計時器

　　由1MHz的脈沖信號作為時鐘，計數(shù)器的精度為0.01ms。由“en”信號和清零端控制，輸出五位數(shù)字，逐級進(jìn)位，輸出五位數(shù)字總線并連接至LCD顯示模塊，用于視覺反應(yīng)時間的計時。

3.4 LED亮度調(diào)節(jié)

　　用PWM方式改變0.1MHz的頻率以及占空比，占空比為0-1，每0.1一級，將不同占空比的脈沖信號輸出至LED燈，即可調(diào)節(jié)燈的亮度，用于測試不同亮度下的視覺反應(yīng)時間。LED亮度調(diào)節(jié)模塊波形仿真圖如圖3。Clk為輸入的0.1MHz脈沖，level為輸入的不同等級的數(shù)據(jù)，en為使能端，clkout為根據(jù)不同level值得到的不同占空比的脈沖。有些level下的波形有些毛刺，但對整體的效果沒有影響。

圖2 延時電路仿真波形圖

圖3 LED亮度調(diào)節(jié)模塊波形仿真圖

3.5 亮度設(shè)置模塊

　　為循環(huán)計數(shù)器，脈沖信號由亮度設(shè)置鍵提供，每經(jīng)過一個下降沿計數(shù)器加一，并輸出亮度級別“l(fā)evel”信號以及兩個需顯示的數(shù)字，輸出至LCD顯示。

3.6 亮度漸變模塊

　　由于正常人眼存在視覺暫留現(xiàn)象，且視覺延時多在0.2-0.4秒之間，所以利用PWM方式改變4.8MHz脈沖的占空比，使得亮度每秒增加一級，步長為萬分之一，可以基本排除人眼視覺延時的干擾[7]。

　　另外，該設(shè)計還包括數(shù)據(jù)選擇器、按鍵防抖電路、LCD顯示等其它設(shè)計。

4 系統(tǒng)基本操作

　　LED1：視覺敏感測試燈；
　　LED2：視覺反應(yīng)時間測試燈，設(shè)置不同等級有不同的亮度。
　　LCD顯示：受功能選擇鍵控制，高電平時為視覺反應(yīng)時間測試功能，屏幕顯示“000.00 ms/Level 00”,記錄不同等級下反應(yīng)時間。低電平時為視覺敏感測試功能，開始后，隨著燈亮度增加而數(shù)字增加，顯示燈的亮度等級。

按鍵說明：

　　En鍵（使能端）：控制整個器件的運(yùn)行，en =‘1’時開，可以運(yùn)行各個功能，en =‘0’，整個系統(tǒng)關(guān)閉。
　　Control鍵（功能選擇鍵）：控制功能切換，control =‘1’時為視覺反應(yīng)時間測試功能，control =‘0’時為視覺敏感測試功能。
　　Ldset鍵（亮度設(shè)置鍵）：用于亮度等級設(shè)置，按一下，亮度等級加一。
　　Start鍵：測試開始鍵，視覺反應(yīng)時間測試時，設(shè)置好等級，等級顯示在LCD屏幕上，當(dāng)start按下，經(jīng)過延時，LED燈亮，釋放start鍵，屏幕顯示反應(yīng)時間。
　　Reset鍵（清零端）：按下后，屏幕顯示清零。

5 誤差分析

　　雖然設(shè)計精度較高，但是由于實現(xiàn)方法本身以及硬件條件的限制使得系統(tǒng)仍然存在誤差和改進(jìn)的余地。延時模塊送出高電平后，計時模塊直接開始計時，此信號要經(jīng)過LED亮度調(diào)節(jié)模塊才能使D4燈亮，這兩者之間有LED亮度調(diào)節(jié)這一模塊的幾個納秒的延時。從人眼睛感覺到光的存在到手釋放Start鍵，這之間也有反映時間，所以我們測量到的是人視覺反應(yīng)時間和人手反應(yīng)時間的總和。但是由于視覺反應(yīng)時間處于百毫秒數(shù)量級，所以這些誤差基本可以忽略，如需更高精度的測試，設(shè)計仍需改進(jìn)。

6 結(jié)論

　　各模塊設(shè)計均用VHDL硬件描述語言進(jìn)行編寫，模塊之間用頂層原理圖繪制。測試視覺反應(yīng)時間時，將亮度分為10級，當(dāng)設(shè)置不同的亮度等級，可以測試不同亮度下的視覺反應(yīng)時間，得到光強(qiáng)與視覺反應(yīng)的關(guān)系。在測試視覺反應(yīng)時間的基礎(chǔ)上增加了視覺敏感程度的測試模塊，用于測試人對于光敏感的最低亮度。亮度分為100個等級，正常人眼十級以上就基本能感覺到光線的存在。在所有測試功能中都有延時模塊，能產(chǎn)生1s到5s之間隨機(jī)的延時，減少測試誤差，得到最準(zhǔn)確的測試結(jié)果。