基于MSP430智能防近視眼鏡的設(shè)計(jì)

　　軟件總體分為三個(gè)狀態(tài)，即“跟蹤模式”、“矯正模式”和“數(shù)據(jù)同步模式”。在“跟蹤模式”中，系統(tǒng)完成對(duì)用戶眼睛工作環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和對(duì)用戶眼疲勞度的評(píng)估這兩個(gè)任務(wù)即可，這兩個(gè)任務(wù)下系統(tǒng)需要完成的具體任務(wù)見圖8;在“矯正模式”中，系統(tǒng)完成對(duì)用戶坐姿的檢測(cè)和對(duì)用戶眼疲勞度的評(píng)估，這兩個(gè)任務(wù)下系統(tǒng)需要完成的具體的軟件任務(wù)見圖8;在“同步模式”中，系統(tǒng)僅需完成將系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的疲勞值數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙串口。

　　每一個(gè)狀態(tài)中，又有各自的前后臺(tái)程序。前臺(tái)程序是對(duì)軟件實(shí)時(shí)性要求較高的程序，在系統(tǒng)中斷中被觸發(fā)運(yùn)行，包括傳感器數(shù)據(jù)采集記錄程序、按鍵鍵值采集程序和LED/振子觸發(fā)條件判斷程序，其執(zhí)行時(shí)間很短;后臺(tái)程序是對(duì)軟件實(shí)時(shí)性要求較低的程序，在系統(tǒng)主循環(huán)中運(yùn)行，包括模擬人眼疲勞值算法、姿態(tài)解算算法等，其運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)且難以確定。前后臺(tái)程序相配合的技術(shù)手段有利于避免CPU阻塞，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　系統(tǒng)程序“狀態(tài)”之間轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖9，當(dāng)用戶短按按鍵時(shí)，切換“跟蹤模式”和“矯正模式”，當(dāng)用戶長(zhǎng)按按鍵時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

　　3.4 模擬人眼疲勞算法

　　在本文所開發(fā)的智能防近視眼鏡系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以直接采集到的影響人眼疲勞值的參數(shù)包括：當(dāng)前用戶的用眼時(shí)間、視線距離、明暗變化以及閱讀/寫字姿態(tài)，然而實(shí)際情況是人眼疲勞值受到當(dāng)前時(shí)刻之前這些參數(shù)所有變化累積的影響。在模擬人眼疲勞值的算法中，上述四個(gè)參數(shù)都有各自的權(quán)值，其中，用眼時(shí)間、視線距離所占權(quán)值最大，其影響真實(shí)人眼疲勞值的程度也最深;光線變化所占權(quán)值次之，閱讀/寫字姿態(tài)由于受到實(shí)際環(huán)境影響較大，所占權(quán)值最小。

　　下面就視線距離這一參數(shù)做詳細(xì)說明，其他參數(shù)可以此類推。

　　首先定義視線距離參數(shù)的權(quán)值得分S，其總分為35分，即視線距離因素占35%的比例權(quán)值。之后，占獲取當(dāng)前的視線距離參數(shù)，以此減去標(biāo)準(zhǔn)參考距離(33.3厘米)，獲得的差值記為d，那么：

　　其中，f(Sⁿ)是Sⁿ的函數(shù)，這樣就模擬了實(shí)際過程中視線距離隨時(shí)間的變化對(duì)人眼疲勞的影響。

　　3.5 動(dòng)態(tài)分配傳感器測(cè)量頻率算法

　　為降低系統(tǒng)功耗所采用的動(dòng)態(tài)分配傳感器測(cè)量頻率算法原理如下：首先建立一個(gè)長(zhǎng)度為5的環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，單片機(jī)定時(shí)器每秒鐘產(chǎn)生一次定時(shí)中斷，在中斷內(nèi)喚醒六軸傳感器讀取相關(guān)數(shù)據(jù)并暫時(shí)關(guān)閉傳感器。然后，計(jì)算三軸加速度的平方和，并將此平方和存入上述環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存滿時(shí)，對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)的5個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)相加運(yùn)算，以此分配下一次距離傳感器和光強(qiáng)傳感器喚醒的時(shí)間。在此之后再有新的數(shù)據(jù)被記錄時(shí)，優(yōu)先放棄掉環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)先被記錄的數(shù)據(jù)。由于此算法涉及到浮點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算，運(yùn)算量相對(duì)較大，所以將其放在后臺(tái)系統(tǒng)循環(huán)中運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)束后可休眠CPU。

　　4 性能分析

　　本系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有：待機(jī)時(shí)間、測(cè)距精度、便攜性、六軸檢測(cè)精度。

　　從實(shí)際測(cè)試的情況來看，由于本系統(tǒng)采取了一系列方式來降低功耗，有效待機(jī)時(shí)間可以達(dá)到一天以上。

　　測(cè)距精度方面，由于所選紅外傳感器的優(yōu)秀特性，在大多數(shù)環(huán)境下測(cè)距精度優(yōu)于1%。

　　便攜性方面，本系統(tǒng)所選器件均在保證系統(tǒng)功能完善的情況下選擇了體積最小的器件，盡可能地縮小了整體體積，但考慮到作品最終要與眼鏡鏡框一體，現(xiàn)在體積還是有點(diǎn)大，后期可考慮使用低功耗的BLE來取代單片機(jī)及藍(lán)牙4.0系統(tǒng)，到時(shí)可進(jìn)一步縮小體積，增強(qiáng)便攜性。

　　六軸檢測(cè)精度方面，根據(jù)量角器等工具對(duì)傳感器檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄并分析，并結(jié)合本系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行考慮，傳感器測(cè)量時(shí)引入的誤差基本可以忽略。

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