# 精機中心叫人鈴改良
## 壹、簡介
### 一、研究目的
1. 解決叫人鈴無法正常使用的問題
2. 提出可行的解決方法（向）
3. 了解產生之訊號的形式
### 二、研究動機
這款精機中心的叫人鈴，宣稱是EOG(眼電訊號)的輔具，而實際上是EOG還是EMG（肌電訊號）還有待商榷。以技術上來看，眼電訊號以及腦波訊號通常較為微弱，很容易因為環境以及接地因素受到其他訊號的干擾，因此想探討在不同的環境底下，叫人鈴的準確度。以及由於在先前的測試中發現：電量低於90％時，會有量測不準確的問題，也因此想找出有關電池方面的可能問題。
### 三、背景
* 眼電圖(electrooculogram， EOG)測量的是存在於角膜和眼後極部的靜息電位。這種靜息電位的主要位置跨過視網膜色素上皮。明適應和暗適應狀態下的振幅比要比振幅的實際值更有價值
* 貼片配置
在 **EOG（Electro-Oculogram，眼電圖）** 測量中，通常使用 **三個電極** 來偵測 **眼球運動與眨眼**，其作用如下：

1. **主動電極（Active Electrode，信號電極）**
- 放置在 **眼睛上方** 或 **眼睛下方**（偵測垂直眼動），或 **眼睛左右兩側**（偵測水平眼動）。
- 負責接收眼球運動時產生的電位變化。

2. **參考電極（Reference Electrode）**
- 通常放置在與主動電極**相對應的眼周位置**（例如，上方對應下方，或左側對應右側）。
- 減少環境雜訊，提供穩定的參考點來比較電位變化。

3. **接地電極（Ground Electrode）**
- 一般放置在 **額頭中央、耳垂、或頸後**如圖一。
- 用來消除雜訊，穩定訊號，減少 **肌電訊號（EMG）或電磁干擾（如 50/60Hz 電源雜訊）**。
</center><center>圖一：電極貼片位置</center>
* 視網膜靜止電位
* 指 **視網膜色素上皮（RPE）與視網膜神經層之間的電位差**，其主要由視細胞（Photoreceptors）與周圍離子（主要為鈉離子）環境所決定。
* 當有光照時（明適應），會觸發 **視覺循環（Phototransduction）**，導致 **超極化（Hyperpolarization）**。
* 當黑暗時（暗適應），**視桿細胞（Rod Cells）與視錐細胞（Cone Cells）** 在黑暗中會維持 **去極化狀態（Depolarized State）**

在黑暗中**Na+ 離子通道（CNG 通道）開啟**，鈉離子持續進入視細胞，形成「**暗電流（Dark Current）**」。因此，角膜與視網膜之間的電位差為穩定的，而當光照時，**Na+ 離子通道（CNG 通道）關閉**，不再流動，訊號便開始不穩定，導致雜訊產生。

<center>圖二：眼球構造圖</center>
* M5 core2
* 是M5Stack開發套件系列中第二代主機，主控ESP32型號為D0WDQ6-V3
* 電源部分搭載AXP192電源管理芯片可有效控制機身功耗，內置綠色電源指示燈，配備500mAh電池，續航時間更持久。電量是根據電壓來估算的，AXP192 預設會根據某一電壓–容量曲線去估算剩餘電量。
* 下圖三中 **AXP192** 為電源管理IC，圖四為電路板的實際配置圖
<center>圖三：IC板配置圖</center>
<center>圖四：IC板實際圖</center>

* 電量低於90%的情況如影片一所示
* 影片一：https://www.youtube.com/watch?v=RtZVXHdqJC0
## 貳、實驗內容
### 一、實驗方法
（一）、電量顯示不穩：透過理論及查找datasheet，找出原因。
（二）、電池解決方案：透過直接替換新電池做新舊電池比較。比較兩者之間的消耗時間。
（三）、實作黑暗中與光照中的靈敏度測試，將各量測5次，驗證是否在黑暗中真的比較準確。
（四）、使用實驗室的示波器實際量測產生之訊號

### 二、實驗結果
（一）、手機之所以電量顯示平穩的原因關鍵在於它們使用了專門的「Fuel Gauge（電量計）」晶片+軟體校正+長期統計學習，我們就從軟體校正做說明，系統會做**平滑校正**，根據過去幾秒的趨勢平均再把讀出來的數據做比較然後調整，流程如下：
1. 平滑：多次讀取電壓，計算平均值，避免亂跳。
2. 校正：根據這顆電池的實際放電曲線，把電壓轉換成正確的百分比。

然而我們可以從[4]的內容，找尋相關詞，會發現AXP192 並不具備真正的「電池電量累積計算」（Battery Fuel Gauge）功能，它只會提供：
1. VBAT（電池電壓）
2. IBAT（電池電流）
3. VBUS（USB 電壓）
4. Battery Charging Status（是否在充電）

（二）、當兩者都在充電情況下顯示100％時，將充電頭拔除，進行開機狀態下電池消耗比較如下圖五（左下為舊電池、右上為新電池），初始狀態分別為98％及80％
<center>圖五：初始電量</center>
經過2個小時後（如圖六）
<center>圖六：兩小時後電量</center>
（三）、明適應與暗適應分別如影片二、影片三
影片二請看：https://youtu.be/ueDqeZwQoXc
影片三請看：https://youtu.be/a7uGVW-G8hA
（四）、實驗結果如影片四 影片四請看： https://youtube.com/shorts/Zjwuaz_xABk?feature=share</center>

### 三、討論
（一）、在[5]中發現，精機中心並沒有使用符合的鋰電池規格，理應使用**3.7V 500mAh**的鋰電池，但使用的卻為**3.7V 1600mAh**。而這將為導致電量顯示失真的原因之一，AXP192 的電量估算表可能是針對 500mAh 電池調校 → 用 1600mAh 時會出現不準或亂跳。沒有：SOC（State of Charge）或 Coulomb Counter（庫倫積分器）代表它無法準確估算百分比，只能「用電壓近似判斷電量」。
（二）、在這兩小時中，得到兩件事**1.電池的下降量落在16％左右** **2.電量顯示並無異常（不會亂跳）**，可以得出電池並無新舊的差別，而電量顯示不穩是**充電時**發生的事，根據理論推測原因為當充電時AXP192 會根據電壓來源自動切換 USB / Battery 。如果你一邊插著 USB 一邊讀電池資訊，可能因為負載不穩定而導致短暫切換
（三）、根據理論所述（在黑暗中Na+ 離子通道（CNG 通道）開啟，鈉離子持續進入視細胞，形成「暗電流（Dark Current）」。因此，角膜與視網膜之間的電位差為穩定的，而當光照時，Na+ 離子通道（CNG 通道）關閉，不再流動，訊號便開始不穩定，導致雜訊產生），證明在暗適應的情況下，敏感度與準確度是優於明適應的。
（四）、在影片三可以看到，人體成了以大樓為接地的大天線，信號除了雜訊以外就是常見的60赫茲之訊號。經過後來與學長及教授的討論後，才知道由於眼球之所以有角膜與視網膜的電位差，是因為電荷蓄積導致，然而因為產生之電流及電位差極小，因此當整個系統內有人體、導電膠、示波器之內電阻造成的阻抗時，便會無法使電流成功流通。簡易電路圖如圖七
<center>圖七：簡易電路圖</center>

## 參、結論及建議
從（一）（二）實驗可以得出關於電池的以下結論及建議：
1. 電量顯示不穩是出現在充電時，當AXP192偵測到USB的電壓資訊與鋰電池的電壓資訊時，造成的短暫切換或因為使用「用電壓近似判斷電量」。
2. 新舊電池不影響儀器的工作。
3. 可能可以針對軟體部份，做出平滑校正或嘗試使用M5Core2規定之3.7V 500mAh鋰電池，其不影響機器運作但對於電量偵測會有一定的影響。
從（三）實驗得到以下結論與建議：
1. 環境的亮暗是會對儀器產生較為顯著的影響，因此如要將儀器給病友配戴測試時，須在亮度較暗的環境下實作。
從（四）實驗可以得出以下對於信號量測的結論與心得：
1. 因為是**電荷移動**造成的電位差與**電流**，因為電位差極小且因為有阻抗所以推測因此才無法量到電位差。我們應該式要量測電流並加以放大才是對的。
## 肆、參考文獻
[1] 精機中心開發「EOG 眼控型溝通輔具」：嘉創服務部 賴冠融, “技術通報 291期_為身心障礙者開啟一扇溝通的窗— EOG 眼控型溝通輔具20”,Jan. 18, 2023.[Online]. Available:https://www.pmc.org.tw/tw/periodical/show.aspx?num=1269
[2] 視網膜是什麼？5步驟從零到熟悉的網膜解剖圖 [Online]
Available:https://eyesplayer.com/what-is-the-retina/
[2] Lydia Yuhlung, and Hemashree Bordoloi, Khomdram Jolson singh,Irengbam
Venkat Mangangcha and Laishram Richard title based on " Lab View based
EOG signal Processing" published in International Journal for Research in
Emerging Science and Technology,Volume-2,Issue-3,March-2015.
[3] Masaki Nakanishi, Yasue Mitsukura, YijunWang, Yu-Te Wang, and Tzyy-Ping
Jung, “Online voluntary eye blink detection using electrooculogram,”
International Symposium on Non-linear Theory and its Applications,
pp.114–117, 2012
[4] AXP192 datasheet [Online]
Available: https://www.s-manuals.com/datasheet/axp192
[5] M5core2產品規格 [Online]
Available: https://docs.m5stack.com/en/core/core2
[6] 為台灣加油打氣專欄 (72) 眼控叫人鈴 [Online] https://doc.boyo.org.tw/rctlee/?p=2468