电磁式盲文点显器的硬件电路设计与实现

敖发祥，高金凤，杨文珍，吴新丽，赵 维

(浙江理工大学 机械与自动控制学院,浙江 杭州 310018)

中国是全世界盲人数量最多的国家，约占全球盲人总人数的21%[1].盲文是专为盲人设计，靠触觉感知的文字[2].它由6个点组成，左侧从上到下为1、2、3点，右侧为4、5、6点，称为一方，如图1所示.国际上，把不认识盲文的盲人也称为文盲.无论是生活还是就业，文盲都受到很大的限制.盲文点显器是一种将普通文字动态显示成盲文的机电设备，可为盲人提供无障碍且无穷无尽的盲文资源，让盲人尽情享受读书的乐趣[3-5].

图1 盲文点

硬件电路是盲文点显器控制系统的基础，是动态生成盲文的重要部件.国内外学者开展了相关研究[6-14]，包括电磁式盲文点显器控制系统[7]、压电陶瓷式盲文点显器控制系统[8]、电刺激式盲文显示控制系统[12]等.利用磁感应原理，电磁式盲文点显器控制系统给电磁线圈通电产生磁力，促使盲文点上下运动，可以动态生成盲文.利用压电陶瓷形变机理，压电陶瓷式盲文点显器控制系统给压电陶瓷通正向电压时，盲文点会上升，通反向电压时盲文点会下降，它具有响应速度快、耗电量低、控制精度高等优点，但是硬件电路复杂、制造成本较高[9].电刺激式盲文控制系统采用电极表示盲文点阵，通过脉冲发生器，在盲文点位所对应的电极上生成电子脉冲，盲人手指感受这种电刺激信号来识别盲文，但电刺激会使指尖产生刺痛感，不适合盲人长期摸读[12].

电磁式盲文点显器的触点空间分布紧凑、触点数目多、刷新频率高，给控制系统的硬件电路提出了很高的要求[14].文献[15]和[16]都介绍了分层电磁式盲文显示装置的研制情况.文献[7]利用51单片机开发盲文点显装置的控制系统，实现了对120个盲文点的独立控制.该控制系统存在的问题是硬件电路集成度低，可靠性和稳定性不足.为此，本文采用ARM微控制器，开发一种电磁式盲文点显器的硬件电路，以期精确且独立驱动120个盲文点，动态生成盲文字符，提高硬件的集成度、可靠性和稳定性.

1 硬件电路整体设计

硬件电路包括输入模块和输出模块，如图2所示.硬件电路的输入模块由降压电路、按键电路、外部存储电路、SD卡(Secure Digital Memory Card)存储电路和一键下载电路组成.硬件电路的输出模块由液晶显示电路、120路功率放大电路和语音播报电路组成.其输入模块和输出模块均与中央微控制器(MCU)相连.

图2 硬件电路结构

硬件电路以STM32F103ZET6芯片作为中央微控制器(又称主控制芯片)，包括复位电路、时钟电路、电源供电和启动模式等[17].其复位电路主要由按键、电阻和电容组成.按键的一端接地，另一端接在芯片的复位引脚RESET上.按键每按下一次，RESET与地线相连，即产生瞬间的低电平信号，产生一个复位脉冲，由RESET引脚输出.时钟电路有两个时钟源，一个是实时时钟(RTC)，晶振为32.769 kHz；另一个是整个控制系统时钟，晶振为8 MHz.

STM32的启动模式也称为ISP(Internet Service Provide)程序下载.BOOT0和BOOT1的组合决定了采用的启动模式.一般情况下，ISP程序下载要先启动BootLoader，此时需要将BOOT1置低电平，BOOT0置高电平.在串口收到相应信号后，通过主控芯片，在文件被下载到存储器中.文件下载结束后，把BOOT0置低电平并手工启动复位键，主控芯片收到相应信号后会从Flash中启动有关程序.

2 硬件电路的输入模块

2.1 降压电路

STM32F103ZET6芯片工作电压为3.3 V，而输入电压为5 V.因此，本文设计了图3所示的降压电路.在图3中，BUTTON为开关电源，是整个电路板的开关按键；F1是熔断器(保险丝)，其额定电流为500 mA，起保护电路的作用；电容C27的作用是增强降压电路的稳定性；C25和C26为输出滤波电容.滤波电容的作用是抑制自身(内部电路)的刺激振荡，让输出电压处于稳定状态.

图3 降压电路

2.2 按键电路

按键电路是盲文显示装置必不可少的输入接口，用于实现盲文阅读时的翻页、确定和返回等功能，是盲人与盲文显示装置的人机交互枢纽.按键电路有4个按键，且在机械装置的左右两端各设置了上翻及下翻两个功能.在图4所示的按键电路中，每个按键都连接在MCU的一个引脚上.MCU通过检测按键的脉冲，可实现相应的功能.

图4 按键电路

2.3 外部存储电路

为了对汉字中文库和盲文字库进行快速读取与存储，外部存储采用W25Q64存储芯片(一种大容量的存储芯片).其性能方面优于其他大部分串行闪存芯片，它拥有64 Mb的存储空间，最高传输速度可达40 M/s，支持SPI(Serial Peripheral Interface)总线传输，同时只占用主控芯片的4个引脚，工作电压为2.7～3.6 V.在设计的外部存储电路(图5)中，只要将对应的引脚相连，就可通过软件读取外部Flash芯片.

图5 外部存储电路

2.4 SD卡存储电路

为了满足盲人阅读海量文本的需求，采用SD卡来存储文本数据.SD存储卡具有体积小、传输速度快、可热插拔、容量大等优点[18].所设计的SD卡存储电路如图6所示.在SDIO(Secure Digital Input and Output Card)模式下，主控芯片的内部总线自带了驱动SD卡工作的总线接口，在设计SD卡存储电路时，只要将其接口分别与主控芯片的总线接口对应连接在一起，就能够对SD卡进行软件开发.

图6 SD卡存储电路

2.5 一键下载电路

在ISP程序下载时，需要频繁地拨动BOOT0和BOOT1上的跳冒线，这种重复操作是很繁琐的.因此，本文设计了一键下载电路(图7).

图7 一键下载电路

该电路中USB转串口CH340芯片的主要引脚为RTS和DTR.这两个引脚都属于输出类型.使用一般的下载工具即可控制CH340的RTS和DTR两个引脚的高低电平.通过这两个引脚可控制STM32F103ZET6芯片的BOOT0引脚和RESET引脚.

3 硬件电路的输出模块

3.1 液晶显示电路

为了方便使用盲文点显器，本文开发了液晶显示电路(图8).它可以利用液晶屏的显示方法[19]显示出中文或盲文.液晶屏可以显示具有不同功能的菜单选项，通过按键，可以进入不同的菜单，方便地管理和操作SD卡的文件.将LCD(Liquid Crystal Display)当作一个外部存储器时，可变静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller,FSMC)的读写时序和LCD的读写时序很相似.利用FSMC在相应地址读写相关数值时，STM32芯片的FSMC模式会在硬件上自动完成时序控制.因此，只要设置好读写相关时序的寄存器，就可以通过 FSMC完成时序控制.

图8 液晶显示电路

3.2 功率放大电路

分层电磁式盲文显示装置有120个盲文点，需要120个引脚.主控芯片的大多数引脚已被SD卡、LCD显示电路、语音播报电路以及外围电路所占用，可用的引脚只有40多个.为此，本文采用锁存器扩展外围引脚，并选择ULN2803型达林顿管，设计了120路功率放大电路(图9).它可以承受高负载电流，生成电磁力，驱动120个盲文点运动.

图9 功率放大电路

3.3 语音播报电路

语音播报模块可提供人工合成的语音[20]，实时播放语音文件，让盲人听到声音，以方便盲人操作盲文点显器.在图10所示的语音播报电路中，MCU通过串口给语音芯片发送文件，语音合成后输送给耳机或者咪头.

语言播报电路的VS1053芯片包括时钟电路、音频输出电路和复位电路，对应主时钟的工作频率为12.288 MHz.该时钟由内部时钟晶振(XTAL0和XTAL1)产生.语音播报电路的语音输出有两种模式，即采用耳机或者咪头输出.语音播报的具体流程如图11所示.VS1053芯片是一种音频解码器，具有高性能、低功耗等优点，拥有串行控制接口、输入数据接口和多个可用的I/O口，并且具有可变采样率的优质立体声和耳机功放功能.

图10 语音播报电路

图11 语音播报流程

4 实验测试

把输入模块和输出模块的各个电路集成到一张PCB(Printed Circuit Board)板上，各电路既相互独立又相互联系，做成硬件电路的主板(图12).它具有液晶显示、SD卡读取、USB下载、语音播报以及120路大功率输出等功能.其布线应尽可能与电路原理图走线方向一致.

图12 硬件电路的主板

这里对主板温度稳定性和LED盲文显示进行实验，以验证所设计硬件电路的正确性、稳定性和可靠性.

4.1 主板温度稳定性测量

采用最大功耗方法，即120个盲文点满方显示，来测试主板的稳定性和可靠性.在室温22 ℃时通过按键进入满方显示选项，所有盲文点全部处于工作状态，保持20 min后，测量主板的温度，检查主板是否有异常现象，以确认主板能否正常工作.此外，通过显示数字、文字和字母(区别在于盲文点的数量不同)， 分别测量主板的温度(表1). 通过温度稳定性测试实验，发现主板运行良好，没有出现过热、短路或线路熔断现象.

表1 主板的温度

注：工作时间为20 min.

4.2 LED盲文显示实验

为了验证硬件电路的正确性，采用120个LED灯代替120个盲文点，显示盲文.LED灯显示板的第一组接口控制每方的1,6点；第二组接口控制每方的3,4点；第三组接口控制每方的2,5点.通过灯亮和灯灭组合出盲文字符，可以方便地检测控制信号，以判断硬件电路是否正常工作.

首先把贴片式LED灯焊接在显示板上，并与主板进行连接，然后把测试程序下载到中央微控制器中，通过按键操作，开展数字、文字、字母阅读等盲文显示实验，以验证硬件电路中各模块的工作状态.LCD显示屏能够正确显示“床前明月光，疑是地上霜”的中文和盲文，也能听到相应的语音，同时LED灯一一对应地显示出了盲文点(图13).

实验结果表明，所设计硬件电路中各模块均能正常工作，性能稳定.

图13 盲文LCD和LED显示的对照

5 结束语

在互联网时代，盲文点显器能够满足广大盲人朋友的阅读需求，提高盲人知识水平.本文设计的电磁式盲文点显器的硬件电路，由降压电路、按键电路、外部存储电路、SD卡存储电路、一键下载电路、液晶显示电路、120路功率放大电路和语音播报电路组成.通过主板温度稳定性测量和LED盲文显示实验，该硬件电路没有出现过热、短路或断电现象，各电路模块之间能协调工作，其硬件的集成度较高，具有较好的可靠性和稳定性.本设计为驱动大面积触觉点阵以及显示盲人触觉图形研究奠定了一定基础.