G題手寫繪圖板解讀

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽手寫繪圖板（G題）【本科組】2013年9月7日2013全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽手寫繪圖板摘要手繪板，眾所周知，是計算機輸入設(shè)備的一種，通常是由一塊板子和一支壓 感筆組成。它和本文所介紹的手寫繪圖板等作為非常規(guī)的輸入產(chǎn)品相類似，都針對一定的使用群體。手寫繪圖板主要是利用一根連接到電路的普通表筆在PCB覆銅板上實現(xiàn)簡單的繪圖及坐標查找功能， 并能在表筆接觸板上任一點時，明確 顯示觸點的象限位置及坐標值。它包括硬件電路和軟件編程兩部分。 硬件電路主 要包括恒流源、二級差分放大、單片機內(nèi)部 A/D采樣模塊、顯示模塊。由于敷 銅板的電阻很小，所以是采集小信號，然后將采集到的

2、兩路電壓信號差分放大后 經(jīng)過二級放大得到一個穩(wěn)定變化的電壓值，然后用AD采樣經(jīng)數(shù)值變換得到坐標，用低功耗單片機MSP430F14處理，在HB240128液晶顯示屏上顯示。 采集 若干點在液晶上描點還可以繪制一些簡單的圖形?！娟P(guān)鍵字】 MSP430F149敷銅板差分放大AD采樣低功耗Handwritten Drawing BoardAbstract： Han d-pa in ted plates, we all kno w, is a computer in put device, which is usually caused by a board and a pressure sensiti

3、ve pen components. It is described in this article han dwrit ing and draw ing board unconven ti onal in puts such as similar products are used for certa in groups. Han dwriti ng mainly using a graphics tablet conn ected to the circuit com mon table pen on the PCB CCL simple graphics and coordi nate

4、search fun cti on, and can con tact board office table pen point, clearly shows the locati on and con tact quadra nt coord in ate values. It in cludes hardware circuitry and software program ming in two parts. Hardware circuit in cludes a con sta nt curre nt source, two differential amplifier, inter

5、nal microcontroller A / D sampling module, display module. Since Bon ded Copper resista nee is small, so small sig nal is collected and the n collected two amplified differe ntial voltage sig nal amplified through two cha nges to get a stable voltage value, and the n use AD sampli ng by nu merical t

6、ran sform coord in ates, with a low process ing power microc on troller MSP430F14 in HB240128 displayed on the LCD. Collected at several points on the LCD can also draw on the trac ing point some simple graphics.【Keywords】MSP430F149 A/D sampling Copper Differential amplifier目錄一、 引言1.1.1 系統(tǒng)總體框架1.1.2

7、本設(shè)計應(yīng)該達到的技術(shù)指標 1.1.2.1 基本要求1.1.2.2發(fā)揮部分1.二、系統(tǒng)方案選擇與論證 2.2.1系統(tǒng)方案選擇2.2.2主控器件的選擇2.2.3 穩(wěn)壓電路的選擇3.2.4 運放的選擇4.三、系統(tǒng)總體設(shè)計.5.3.1 系統(tǒng)總體硬件電路框圖5.3.2 系統(tǒng)軟件框圖5.四、 系統(tǒng)單元電路設(shè)計6.4.1 恒流源電路6.4.2 信號采集電路7.4.3 二級差分放大電路7.4.4 負電壓產(chǎn)生電路 7.五、系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析8.5.1 測試儀器8.5.2相關(guān)測試數(shù)據(jù) 8.5.3 測試結(jié)果分析9.六、重要程序解析 9.6.1 A/D采樣程序9.6.2 擬合算法程序 10七、結(jié)論與系統(tǒng)改進措施 12

8、7.1題目達到了所有基本和部分擴展功能及指標的要求： 127.2 存在問題及改進措施：12八、參考文獻12附錄1.3III手寫繪圖板（G題）2013全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽引言1.1 系統(tǒng)總體框架根據(jù)手寫繪圖板題目要求和本系統(tǒng)的設(shè)計思想，系統(tǒng)主要包括圖1.1所示的模塊。覆銅板顯示<21邏輯控制HB240128MIAMSP430F149VI > 系統(tǒng)提示圖1.11.2 本設(shè)計應(yīng)該達到的技術(shù)指標1.2.1基本要求(1) 指示功能：表筆接觸銅箔表面時，能給出明確顯示。(2) 能正確顯示觸點位于縱坐標左右位置。(3) 能正確顯示觸點四象限位置。(4) 能正確顯示坐標值。(5) 顯示坐標值的分

9、辨率為10mm，絕對誤差不大于5mm。1.2.2發(fā)揮部分(1) 進一步提高坐標分辨率至8mm和6mm；要求分辨率為8mm時，絕對誤差不 大于4mm;分辨率為6mm時，絕對誤差不大于3mm。(2) 繪圖功能。能跟蹤表筆動作，并顯示繪圖軌跡。在 A區(qū)內(nèi)畫三個直徑分別 為20mm, 12mm和8mm不同直徑的圓，并顯示該圓； 20mm的圓要求能在 10S內(nèi)完成，其它圓不要求完成時間。（3）低功耗設(shè)計。功耗為總電流乘12V;功耗越低得分越高。要求功耗等于或 小于1.5W。（4）其他。如顯示文字，提高坐標分辨率等。、系統(tǒng)方案選擇與論證2.1系統(tǒng)方案選擇方案一：直接用運算放大器放大信號并采集。但信號變化甚

10、微，為毫伏級，需要輸入偏置電壓很小的的運放，要求太高，因此沒有采用。方案二：直接用A/D采樣電壓信號。 根據(jù)要求精度，需24位的A/D，同 時基準源很難達到要求，所以沒有選擇此方案。方案三：前端加恒流源。在確定需用惠斯通電橋精密測電阻時，組成電橋 的電阻與電源內(nèi)阻可比，甚至更小，所以必須在前端提供恒定電流，而非電壓。 再經(jīng)惠斯通電橋后，由于電橋輸入信號小，需經(jīng)儀表放大器放大差模信號，抑制 共模信號，因其有較高的共模抑制比。所以選擇此方案最合適。2.2主控器件的選擇方案一：51單片機：擁有復(fù)雜指令集，32個I/O 口，但12個振蕩周期才 執(zhí)行一個單周期指令，處理速度慢，只能滿足對處理速度要求不高

11、的情況， 且內(nèi) 部沒有A/D，不能滿足本題方便的內(nèi)部采樣，各方面都不能滿足本題需求。故 未 選擇此方案。方案二：使用TI公司低功耗單片機MSP430F149圖2.1.2）做為主控制器。 MSP430F14操作簡單，性價比和集成度較高。MSP43係列單片機能在8MHz晶體 的驅(qū)動下，實現(xiàn)125ns的指令周期。16位數(shù)據(jù)寬度、125ns的指令周期以及多功 能的硬件乘法器相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的一些算法。MSP43C集成了片內(nèi)精密比較器、多個具有PW功能的定時器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USAR丁看門狗 定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO、大量的I/O端口以及大容量的片內(nèi)存儲器。能 實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)處理，并

12、且內(nèi)部12位A/D實現(xiàn)高精度采樣，同時能滿足題目低功 耗（V1.5W）要求，則此單片機完全滿足本題應(yīng)用需求。所以選擇此方案。S矣SB亙 套 aElm£ 奏5M 邊一35SS盂 芳遷Id 益IdBi遲盂 首£z 0|殳 -蘭=豊亠SS2A *3T £.aXiS <J"*4J3圖 2.2.1 : MSP430F149最小系統(tǒng)2.3 穩(wěn)壓電路的選擇方案一：LM7805 :在對整體電路的供電系統(tǒng)中由于官方提供電壓為單12伏電壓，不能使用于所有電路，故需要降壓處理，LM7805是一個較為常見的三端穩(wěn)壓芯片使用簡單，電路較為簡潔，但是LM7805的轉(zhuǎn)換效率較低

13、，會造成很 大的能源浪費。所故 未選擇此方案。VioC1O.33|JFX78XXVooCO0,1 pF圖2.3.1三端穩(wěn)壓電源方案二：LM2596 : LM2596系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 3A電流輸出 降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準穩(wěn)壓器（1.23v）,并具有完善的保護電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需 極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。輸出電壓可以調(diào)整為5V，轉(zhuǎn)換效率為75%88%具有較高的轉(zhuǎn)換率。故 選擇此供電方案。12VInputGn100 nFI%1IjGND幸矗LM2596 FeedbackI4OutputL1 R2 I333.

14、1rwm；1N5822些濁 工 220 pFR1KUOutput圖2.3.2開關(guān)穩(wěn)壓電源2.4 運放的選擇方案一：差分放大：由三個運算放大器構(gòu)成差分放大電路， 同樣可以具有 較高的共模抑制比，但是由于在工程實踐中電阻具有公差， 所以在放大倍數(shù)調(diào)節(jié) 和在共模抑制上面具有一定的缺陷，并且該電路有三運放構(gòu)成連接實際電路較為 復(fù)雜，故不選擇此方案。圖2.4.1自制差分運放方案二：INA128 : INA128是低功耗高精度的通用儀表放大器。它們以通 用的3運放（3-op amp）設(shè)計和體積小巧使其應(yīng)用范圍廣泛。具有很高的共模抑 制比CMRR，使用方便，單個外部電阻可實現(xiàn)從 1至10000的任一增益選擇

15、, 故選擇使用高精度儀表放大器（原理圖見附錄）。三、系統(tǒng)總體設(shè)計3.1系統(tǒng)總體硬件電路框圖覆銅板信號采集差分放大A/D采樣二級放大顯示HB240128MIA邏輯控制MSP430F1497系統(tǒng)提示圖3.1.1系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)分為單片機控制、信號采集、儀表放大器、二級差分放大、AD采樣、顯示等幾個部分。由MSP430F14實現(xiàn)整體邏輯控制及數(shù)據(jù)處理，其內(nèi)部 A/D負 責采樣覆銅板內(nèi)部各點與四頂點間的電阻值；由恒流源電路為系統(tǒng)提供120mA的穩(wěn)定電流，減小流經(jīng)各電阻的損耗；由雙橋精確測量電阻，并轉(zhuǎn)換為電壓信號 輸入二級差分放大電路（即實現(xiàn)信號采集），放大差模信號，抑制共模信號；A/D 采樣電路則將輸出

16、的干凈差模信號， 并多次測量取平均值；顯示模塊將測得的電 壓信號轉(zhuǎn)換的坐標數(shù)據(jù)完整顯示出來。，3.2系統(tǒng)軟件框圖 軟件設(shè)計主要實現(xiàn)：開始，系統(tǒng)初始化,包括片內(nèi)12位A/D的配置，液晶HB240128的初始化; 430單片機內(nèi)A/D，對經(jīng)兩級差分放大電路放大后的電壓信號進行采樣；初始化敎據(jù)處理測得每點的數(shù)據(jù)傳給單機內(nèi)部處理器 進行大量數(shù)據(jù)處理，多次測量取平均值, 由于表筆與銅板接觸時力度不一，同一 點采樣的數(shù)值差異大，所以采用單位化 的方法處理數(shù)據(jù)；對HB240128編程，將處理后的數(shù)據(jù)， 即觸點所在象限、縱坐標左右、坐標數(shù) 據(jù)全部顯示在LCD上程序運行結(jié)束；*顯示A圖3.2.1軟件流程圖四、系

17、統(tǒng)單元電路設(shè)計4.1 恒流源電路由三端穩(wěn)壓構(gòu)成的的恒流源電路，由于 OUT與GND之間的電壓差恒定為3.3v，所以在這兩端加入一個33歐姆的電阻就可以構(gòu)成恒流源電路，點路的輸 出電留為理論值為99mV，實測的電流為103mV滿足設(shè)計要求。圖4.1.1 基準源電路4.2信號采集電路采用如圖所示雙橋電路代替原方案的惠斯通電橋，減小了系統(tǒng)功耗, 更加精確地采集小電阻所產(chǎn)生的小信號，將其放大后利于我們更容易區(qū)別 電壓變化所帶來的觸點坐標數(shù)據(jù)的變化（進一步采集見附錄）。I_mU3IM4I3S72IN37手寫繪圖板（G題）2013全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽#手寫繪圖板（G題）2013全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽圖4

18、.2.1信號采集4.3 二級差分放大電路前級放大由儀表放大器和一個外部電阻 R組成，構(gòu)成增益為Av=1+50k/R 的差模放大，濾掉輸入的共模信號。但輸出的差模新號仍然很小，且由于電橋不 平衡的原因，同時存在一定的差模信號，所以我們需要進一步的放大差模信號， 同時在第二級進一步放大信號到單片機 AD的最佳檢測范圍，由此可以得到一個 變化幅度較大并且較為穩(wěn)定的信號。RHHeader ?P4圖431二級差分放大4.4 負電壓產(chǎn)生電路設(shè)計負電壓產(chǎn)生電路的目的在于給低功耗高精度儀表放大器INA 128專向供電，使其能正常工作，達到放大差模信號，抑制共模信號的作用，從而為后面信號采集做準備。有專門的電源

19、芯片 MC34063的典型電路產(chǎn)生-5V的電壓, 由于是給運放供電所以對功率沒有很高的要求所以在電感電容的選取上可以大 膽的選取，通過R2可調(diào)電阻就能調(diào)的-5V的電壓，以供給INA128。12V21Header 2LIInductor220uHjlC2CCEIpkGVGNDINUL_2385OQCl71- 4?0uFGNDti _L + C3IQOuFGND8手寫繪圖板（G題）2013全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽#手寫繪圖板（G題）2013全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽GNDGKD圖441負電壓產(chǎn)生電路五、系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析5.1 測試儀器（1） RIGOLDS1102CH100M數(shù)字示波器（2）RIGOL

20、DM36016 1/2digits（3）DCPOWER SUPPLYDF1731SLL（4）萬用表DT92055.2相關(guān)測試數(shù)據(jù)表1隨機測試坐標實際坐標測得坐標絕對誤差（cm）（1.0,0）（1.5, 0）0.5（0,1.0）（0.6,1.0）0.6（2.0,0）（2.3,0.4）0.5(0.2,0)(3.0,0)1.0(5.0,0)(4.8,0.1)0.2(-2.0,20)(-23-1.8)0.3,0.2(5.0,5.0)(4.5,5.3)0.5,0.3表2擬合數(shù)據(jù)測試Y=0IN114891834179515842159IN23211117396585IN318271635202923553

21、435IN425272739258724991811Y=5IN112171675180324002365IN2643749536450594IN319362147235327432817IN4272128432831294532835.3測試結(jié)果分析（1）、實測得坐標顯示過程中最大誤差為 1.0cm即為10mm可以滿足要求。（2）、以上擬合數(shù)據(jù)位AD寄存器讀到的值，我們未轉(zhuǎn)換為電壓，直接測得可用 于擬合的值，以上擬合數(shù)據(jù)僅為部分數(shù)據(jù)，但是可以看出是成一定關(guān)系線性變化。 所以很便于用于分心得到坐標值。六、重要程序解析6.1 A/D采樣程序*A/D采樣*/# pragma vector =ADC_

22、VECTOR_in terrupt void adc12(void)adc_value0 n=ADC12MEM0; adc_value1 n=ADC12MEM1;adc_value2 n=ADC12MEM2;adc_value3 n=ADC12MEM3;n=( n+1)%Num;if(n=0)ADC12IE&=BIT3;void sum_adc(void)int k;for( k=0;k<Num;k+)adc_value_sum0+=adc_value0k;adc_value_sum1+=adc_value1k;adc_value_sum2+=adc_value2k;adc_va

23、lue_sum3+=adc_value3k;for(k=0;k<4;k+)adc_value_sumk=adc_value_sumk/Num;for(k =0;k<4;k+)displayi nt(adc_value_sumk,50,k*50+20);*A/d采樣*/6.2擬合算法程序數(shù)據(jù)擬合void getlac(void)int diff4=4099,4099,4099,4099,k;float t4, abs_0,x,y;for(i nt i=0,j;i<12*fbl;i+)for(j=0;j<8*fbl;j+)for( k=0;k<4;k+)x=i;y=j

24、;switch(k)case 0:t0=1164.879+101.0*x/fbl+3.67*y/fbl;break;case 1:t1=356.945+3.26*x/fbl+39.293*y/fbl;break;case 2:t2=1732.07+97.625*x/fbl+7.4*y/fbl;break;case 3:t3=2466.174+2.716*x/fbl+69.428*y/fbl;break; for(k=0;k<4;k+)if(adc_value_sumk-tk)>0)abs_0=adc_value_sumk-tk;elseabs_0=tk-adc_value_sumk

25、;if(abs_0<diffk)diffk=abs_0;templack0=x/fbl;templack1=y/fbl;templack0=i;templack1=j;for(k =0;k<4;k+)displayi nt(templack0,65,k*50+20);displayi nt(templack1,78,k*50+20);/*據(jù)擬合 */七、結(jié)論與系統(tǒng)改進措施7.1題目達到了所有基本和部分擴展功能及指標的要求：（1）接觸到銅板指示功能能實現(xiàn)。（2）顯示在縱坐標左右能實現(xiàn)。（3）能正確顯示4象限位置。（4）能正確顯示坐標值。（5）功耗在最高時為1.375W能滿足低功耗1.5W的要