2023年全國大學生電子設計競賽-手寫繪圖板

手寫繪圖板〔G題〕【本科組】2023年9月4日摘要本文設計的是低功耗簡易手寫繪圖板，系統(tǒng)采用ArmSTM32F103VBT6為控制核心，用12v的單一電源供電，再經(jīng)電路變換后分別向ARM處理器、放大器、恒流源提供+5v、±5v、12v的電源。恒流源模塊提供兩路驅(qū)動電流，由ARM微控制器交叉控制對角兩路電流，手寫筆的電壓信號經(jīng)儀表放大器放大，AD采樣，由ARM控制坐標轉(zhuǎn)換算法，將繪圖板電壓的物理坐標轉(zhuǎn)換為顯示器的邏輯坐標。通過測試，設計手寫繪圖板可正確顯示觸點的坐標及象限，記錄表筆運動的軌跡。測量分辨率為1mm，工作電流小于50mA，顯示界面清晰友好。關鍵詞：手寫繪圖板，坐標轉(zhuǎn)換算法，微控制器圖55所示：圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s15電壓放大電路低功耗設計在電子技術不斷開展的今天，對于研究人員來說除了提高產(chǎn)品的性能和使用效率，更要在此根底上降低產(chǎn)品的功耗。低功耗設計并不僅僅是為了省電，更多的好處在于降低了電源模塊及散熱系統(tǒng)的本錢、由于電流的減小也減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾。隨著設備溫度的降低，器件壽命那么相應延長。為了實現(xiàn)課題所要求的低功耗所以此題的低功耗設計為：1選用功耗低的MCU，使用STM32F103VBT6芯片為控制核心，此芯片功耗小功能強。2合理選擇器件的電壓，采用單一電源供電，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后向各個模塊輸送電壓。3盡量降低器件的工作頻率，選擇精密、高精度的INA128放大器及低功耗的集成運放與場效應管侯成恒流源模塊。4盡量關閉MCU內(nèi)部不用的資源。5軟件與硬件配合來降低功耗。特別是利用微控制器的控制功能，將恒流源采用脈沖供電，占空比小于2%，使得功耗大大降低。程序的設計程序流程圖系統(tǒng)軟件基于ARM系統(tǒng)LX-1A開發(fā)，在主程序中，首先對LCD、定時中斷T0等進行初始化，給任務變量賦初值，在數(shù)據(jù)采集后進行AD轉(zhuǎn)換及坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并送LCD顯示，同時等待中斷。進入中斷后，任務全局變量外部有輸入時ＡＤ進行采樣及數(shù)據(jù)處理，然后數(shù)據(jù)更新顯示，等待下一次中斷執(zhí)行各任務。程序流程圖如REF_Ref366308247圖56所示：圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s16程序流程圖系統(tǒng)測試軟件仿真測試為了節(jié)約時間、減少元器件損耗、驗證設計電路的可行性，我們需要通過仿真對電路進行檢驗，不斷調(diào)整，確定最終可行的電路設計?？刂乒軈?shù)設置如REF_Ref366339907圖61所示：驅(qū)動管參數(shù)設置如REF_Ref366339914圖62所示：圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s11控制管參數(shù)設置圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s12驅(qū)動管參數(shù)設置帶濾波器的仿真電路圖如REF_Ref366337901圖63所示;圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s13帶濾波器的仿真電路圖仿真結(jié)果如REF_Ref366333943圖64所示：圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s14仿真電路通過仿真可知，由于峰值電流2A(恒流源)，因此可以忽略PCB分布感抗和容抗的影響，利用可調(diào)電阻模擬負載，改變阻值那么說明觸控筆在移動；REF_Ref366333943圖64是以觸點電阻為0.36?的仿真結(jié)果，從圖可看出負載電壓為0.743v，由此可得電流近似為2A。而恒流源輸入電流值為2A，仿真值與輸入值結(jié)果近似。結(jié)果證明此電路設計合理，符合題目設定的要求。運放輸出邊沿波形如REF_Ref366335194圖65所示。采樣信號寬度如REF_Ref366335210圖66所示。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s15運放輸出邊沿波形圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s16采樣信號寬度測試條件與儀器測試條件：檢查屢次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。測試結(jié)果及分析測試結(jié)果(數(shù)據(jù))測試數(shù)據(jù)如REF_Ref366336104表格61所示：表格STYLEREF1\s6SEQ表格\*ARABIC\s11測試數(shù)據(jù)P實際x實際y測量s測量tA計算x計算y誤差A-X誤差A-YP0008379810000P160-401692118289-79-2939P26040106218179085-30-45P3-6040285452-8232237P4-60-40310440-89-129-39P530-201133112836-17-6-3P6302099412633617-63P7-3020603775-373717P8-30-20633754-36-26-18P960012031364625-2-5P100408001027112-128P11-600472622-61010P120-409879472-11-2-29測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，手寫繪制板工作正常，LCD顯示正確，測試的電流小于50mA，分辨率為1mm，誤差小于5mm，由此可以得出以下結(jié)論：1、硬件電路設計正確，能夠完成課題設計的要求。在元器件的選型上，以低功耗、高精度的器件為主，優(yōu)化了整體電路的設計。在硬件方面實現(xiàn)了較低的功耗。2、建立的數(shù)學模型較好的減小了數(shù)據(jù)誤差，為軟件編寫打下了穩(wěn)實的根底。但是實測的誤差稍大。由測出的數(shù)據(jù)觀測得電壓分布很不均勻，主要集中在第一象限。3、通過ARM控制的顯示屏也較好的展示了設計的功能，數(shù)據(jù)顯示等。綜上所述，本設計到達要求。方案調(diào)整放大模塊調(diào)整前期的放大模塊采用高速度、高精度對數(shù)放大器LOG114，該器件能夠以超高的速度計算出輸入電流與參考電流或或電壓與參考電壓的對數(shù)比。它的尺寸較小，非常適合電壓數(shù)目有限的單電源系統(tǒng)。它具備2.5V的內(nèi)部基準電壓與兩個獨立的運算放大器，可實現(xiàn)偏置、幅度縮放和閾值檢測等功能。但是因為對數(shù)放大器是壓縮數(shù)據(jù)，同時經(jīng)實驗驗證連接PCB的導線電阻及焊點電阻之和遠大于PCB分布電阻，所以對數(shù)比幾乎是1，導致無法識別。所以調(diào)整電路采用低功耗、高精度的INA128儀表放大器。其獨特的結(jié)構(gòu)使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移增益設置靈活、放大倍數(shù)調(diào)整非常方便等特點。廣泛用于許多工業(yè)、測量、數(shù)據(jù)采集和醫(yī)療應用。恒流源模塊變換前期采用橋式電路設計恒流源，但橋式結(jié)構(gòu)驅(qū)動導致系統(tǒng)控制相對復雜，計算量大，調(diào)試不方便。最后調(diào)整為集成運放與場效應管配合使用的放大電路，調(diào)整后的電路功耗較低，穩(wěn)壓性能更強，恒流性能好。結(jié)論由于系統(tǒng)架構(gòu)設計合理，巧妙利用交叉電流形成的電位坐標來獲取觸筆位置，并借助ARM芯片的強大運算功能，快速轉(zhuǎn)換得到顯示坐標，利用彩色LCD屏顯示用戶界面。選用的處理器及元器件功耗低，精度高。提高了硬件電路的性能，功能電路實現(xiàn)較好，軟硬件調(diào)試系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定。控制時序設計合理，大大降低系統(tǒng)功耗，較好地到達了題目要求的各項指標。參考文獻：電工電子與控制技術/丁一凡主編.—天津：天津大學出版社，2023.2常用電子元器件及芯片應用技術/劉法治等編著.—北京：機械工業(yè)出版社，2006.12全國大學生電子設計競賽硬件電路設計精解/陳永真，韓梅，陳之勃—北京：電子工業(yè)出版社，2023.4模擬電子技術根底/周良權(quán)，傅恩錫，李世馨編.3版.—北京：高等教育出版社，2005.6基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計〔第3版〕/〔美〕佛朗哥著；劉叔棠，朱茂林，榮玫譯.—2版.—西安：西安交通大學出版社，2023.2陳永真，寧武，藍和慧．新編全國大學生電子設計競賽試題精解選［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2023．戴文．電路理論［M］．北