視覺反應時間測試系統(tǒng)的設計

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]。

　　測試人視覺反應的各項指標，對于疾病診斷以及醫(yī)學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防具有積極的作用。

　　視覺自身所具有的諸多特點也對設計提出了特殊的要求。首先視覺自身具有明適應及暗適應的能力，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)合頂層原理圖進行設計，并在Up3-1C6評估板上進行測試后完成。可以測試人體視覺反應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型視覺反應時測試儀，只能達到10ms的顯示精度，且延時需要手動設置。本文所介紹的視覺反應時間測試系統(tǒng)設計利用多級分頻技術(shù)，去除時序中的干擾因素，使得視覺反應時間測試精度達到0.01ms。為減少被試心理因素的干擾，特別添加隨機延時電路，使得測試更為準確。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，所測范圍設為前一百級(0-99)。用功能選擇鍵控制功能的切換，當運行其中一個功能時，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，提高運行效率。

　　以LED顯示作為視覺刺激信號，測量被試者的反應時間：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時間，將測得的反應時間以最小單位為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)生隨機延時后分別點亮LED1并且啟動計時裝置。當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 反應時間與亮度敏感性測試系統(tǒng)框圖[!--empirenews.page--]

3.1 分頻電路

　　利用PWM方式設置參數(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間的隨機延時。隨后輸出一“en”使能信號，控制之后的電路。隨機數(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start為‘0’后，經(jīng)過一定時間的延時，en輸出高電平信號。當start變?yōu)椤?’后，en同時變?yōu)椤?’。延時時間隨機產(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 亮度設置模塊

　　為循環(huán)計數(shù)器，脈沖信號由亮度設置鍵提供，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，該設計還包括數(shù)據(jù)選擇器、按鍵防抖電路、LCD顯示等其它設計。

4 系統(tǒng)基本操作

　　LED1：視覺敏感測試燈；
　　LED2：視覺反應時間測試燈，設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時間測試功能，屏幕顯示“000.00 ms/Level 00”,記錄不同等級下反應時間。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）：控制整個器件的運行，en =‘1’時開，可以運行各個功能，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’時為視覺反應時間測試功能，control =‘0’時為視覺敏感測試功能。
　　Ldset鍵（亮度設置鍵）：用于亮度等級設置，按一下，亮度等級加一。
　　Start鍵：測試開始鍵，視覺反應時間測試時，設置好等級，等級顯示在LCD屏幕上，當start按下，經(jīng)過延時，LED燈亮，釋放start鍵，屏幕顯示反應時間。
　　Reset鍵（清零端）：按下后，屏幕顯示清零。

5 誤差分析

　　雖然設計精度較高，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時間和人手反應時間的總和。但是由于視覺反應時間處于百毫秒數(shù)量級，所以這些誤差基本可以忽略，如需更高精度的測試，設計仍需改進。

6 結(jié)論

　　各模塊設計均用VHDL硬件描述語言進行編寫，模塊之間用頂層原理圖繪制。測試視覺反應時間時，將亮度分為10級，當設置不同的亮度等級，可以測試不同亮度下的視覺反應時間，得到光強與視覺反應的關(guān)系。在測試視覺反應時間的基礎(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之間隨機的延時，減少測試誤差，得到最準確的測試結(jié)果。