G題手寫繪圖板

1、2013全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽手寫繪圖板（G題）【本科組】2013年9月7日手寫繪圖板摘要手繪板，眾所周知，是計(jì)算機(jī)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(duì)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的繪圖及坐標(biāo)查找功能，并能在表筆接觸板上任一點(diǎn)時(shí)，明確顯示觸點(diǎn)的象限位置及坐標(biāo)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(jí)差分放大、單片機(jī)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(hào)，然后將采集到的兩路電壓信號(hào)差

2、分放大后經(jīng)過二級(jí)放大得到一個(gè)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(biāo)，用低功耗單片機(jī)MSP430F14處理，在HB240128液晶顯示屏上顯示。 采集若干點(diǎn)在液晶上描點(diǎn)還可以繪制一些簡(jiǎn)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：Hand-painted plates, we all know, is a computer input device, which is usually caused by a board and a pressure sensitive pen com

3、ponents. It is described in this article handwriting and drawing board unconventional inputs such as similar products are used for certain groups. Handwriting mainly using a graphics tablet connected to the circuit common table pen on the PCB CCL simple graphics and coordinate search function, and c

4、an contact board office table pen point, clearly shows the location and contact quadrant coordinate values. It includes hardware circuitry and software programming in two parts. Hardware circuit includes a constant current source, two differential amplifier, internal microcontroller A / D sampling m

5、odule, display module. Since Bonded Copper resistance is small, so small signal is collected and then collected two amplified differential voltage signal amplified through two changes to get a stable voltage value, and then use AD sampling by numerical transform coordinates, with a low processing po

6、wer microcontroller MSP430F14 in HB240128 displayed on the LCD. Collected at several points on the LCD can also draw on the tracing point some simple graphics.【Keywords】 MSP430F149 A/D sampling Copper Differential amplifier 目錄一、引言11.1 系統(tǒng)總體框架11.2 本設(shè)計(jì)應(yīng)該達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)11.2.1 基本要求11.2.2 發(fā)揮部分1二、系統(tǒng)方案選擇與論證22.1 系統(tǒng)方

7、案選擇22.2 主控器件的選擇22.3 穩(wěn)壓電路的選擇32.4 運(yùn)放的選擇4三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)53.1 系統(tǒng)總體硬件電路框圖53.2 系統(tǒng)軟件框圖5四、系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)64.1 恒流源電路64.2 信號(hào)采集電路74.3 二級(jí)差分放大電路74.4 負(fù)電壓產(chǎn)生電路7五、系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析85.1 測(cè)試儀器85.2 相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)85.3 測(cè)試結(jié)果分析9六、重要程序解析96.1 A/D采樣程序96.2 擬合算法程序10七、結(jié)論與系統(tǒng)改進(jìn)措施127.1 題目達(dá)到了所有基本和部分?jǐn)U展功能及指標(biāo)的要求：127.2 存在問題及改進(jìn)措施：12八、參考文獻(xiàn)12附錄1314手寫繪圖板（G題）一、引言 1.1 系統(tǒng)總體

8、框架 根據(jù)手寫繪圖板題目要求和本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)主要包括圖1.1 所示的模塊。 邏輯控制MSP430F149 差分放大 覆銅板 顯示HB240128MIA A/D采樣 信號(hào)采集 二級(jí)放大 系統(tǒng)提示 圖 1.11.2 本設(shè)計(jì)應(yīng)該達(dá)到的技術(shù)指標(biāo) 1.2.1 基本要求（1）指示功能：表筆接觸銅箔表面時(shí)，能給出明確顯示。（2）能正確顯示觸點(diǎn)位于縱坐標(biāo)左右位置。（3）能正確顯示觸點(diǎn)四象限位置。（4）能正確顯示坐標(biāo)值。（5）顯示坐標(biāo)值的分辨率為10mm，絕對(duì)誤差不大于5mm。 1.2.2 發(fā)揮部分（1）進(jìn)一步提高坐標(biāo)分辨率至8mm和6mm；要求分辨率為8mm時(shí)，絕對(duì)誤差不 大于4mm；分辨率為6mm時(shí)

9、，絕對(duì)誤差不大于3mm。（2）繪圖功能。能跟蹤表筆動(dòng)作，并顯示繪圖軌跡。在A區(qū)內(nèi)畫三個(gè)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(shí)間。（3）低功耗設(shè)計(jì)。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(biāo)分辨率等。二、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(yùn)算放大器放大信號(hào)并采集。 但信號(hào)變化甚微，為毫伏級(jí)，需要輸入偏置電壓很小的的運(yùn)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(hào)。 根據(jù)要求精度，需24位的A/D，同時(shí)基準(zhǔn)源很難達(dá)到要求，所

10、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(cè)電阻時(shí)，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(hào)小，需經(jīng)儀表放大器放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)，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(jī)：擁有復(fù)雜指令集，32個(gè)I/O口，但12個(gè)振蕩周期才執(zhí)行一個(gè)單周期指令，處理速度慢，只能滿足對(duì)處理速度要求不高的情況，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(jī)MSP430F149（圖2.1.2）做為

11、主控制器。MSP430F149操作簡(jiǎn)單，性價(jià)比和集成度較高。MSP430系列單片機(jī)能在8MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的一些算法。MSP430集成了片內(nèi)精密比較器、多個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時(shí)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(chǔ)器。能實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)處理，并且內(nèi)部12位A/D實(shí)現(xiàn)高精度采樣，同時(shí)能滿足題目低功耗（<1.5W）要求，則此單片機(jī)完全滿足本題應(yīng)用需求。所以選擇此方案。圖2.2.1：MSP430F149最小系統(tǒng)2.

12、3 穩(wěn)壓電路的選擇 方案一：LM7805：在對(duì)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(gè)較為常見的三端穩(wěn)壓芯片使用簡(jiǎn)單，電路較為簡(jiǎn)潔，但是LM7805的轉(zhuǎn)換效率較低，會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)。所故未選擇此方案。 圖 2.3.1 三端穩(wěn)壓電源方案二：LM2596：LM2596系列是美國(guó)國(guó)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(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護(hù)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%

13、88%,具有較高的轉(zhuǎn)換率。故選擇此供電方案。 圖 2.3.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源2.4 運(yùn)放的選擇 方案一：差分放大：由三個(gè)運(yùn)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(shí)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(yùn)放構(gòu)成連接實(shí)際電路較為復(fù)雜，故不選擇此方案。 圖 2.4.1 自制差分運(yùn)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(yùn)放（3-op amp）設(shè)計(jì)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(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇。故選擇使用高精度儀表

14、放大器(原理圖見附錄)。三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體硬件電路框圖 邏輯控制MSP430F149 差分放大 覆銅板 顯示HB240128MIA A/D采樣 信號(hào)采集 二級(jí)放大 系統(tǒng)提示 圖3.1.1 系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)分為單片機(jī)控制、信號(hào)采集、儀表放大器、二級(jí)差分放大、AD采樣、顯示等幾個(gè)部分。由MSP430F149實(shí)現(xiàn)整體邏輯控制及數(shù)據(jù)處理，其內(nèi)部A/D負(fù)責(zé)采樣覆銅板內(nèi)部各點(diǎn)與四頂點(diǎn)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(cè)量電阻，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入二級(jí)差分放大電路（即實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集），放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)；A/D采樣電路則將輸出的干凈差

15、模信號(hào)，并多次測(cè)量取平均值；顯示模塊將測(cè)得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)數(shù)據(jù)完整顯示出來。 ，3.2 系統(tǒng)軟件框圖軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)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(jī)內(nèi)A/D ，對(duì)經(jīng)兩級(jí)差分放大電路放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣；測(cè)得每點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳給單機(jī)內(nèi)部處理器進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理，多次測(cè)量取平均值，由于表筆與銅板接觸時(shí)力度不一，同一點(diǎn)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(duì)HB240128編程，將處理后的數(shù)據(jù)，即觸點(diǎn)所在象限、縱坐標(biāo)左右、坐標(biāo)數(shù)據(jù)全部顯示 在LCD上程序運(yùn)行結(jié)束； 圖3.2.1 軟件流程圖 四、系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)4.1 恒流源電路

16、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(gè)33歐姆的電阻就可以構(gòu)成恒流源電路，點(diǎn)路的輸出電留為理論值為99mV，實(shí)測(cè)的電流為103mV滿足設(shè)計(jì)要求。 圖4.1.1 基準(zhǔn)源電路4.2 信號(hào)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(hào)，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(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的變化（進(jìn)一步采集見附錄）。 圖 4.2.1 信號(hào)采集4.3 二級(jí)差分放大電路 前級(jí)放大由儀表放大器和一個(gè)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(hào)。但輸出的差

17、模新號(hào)仍然很小，且由于電橋不平衡的原因，同時(shí)存在一定的差模信號(hào)，所以我們需要進(jìn)一步的放大差模信號(hào)，同時(shí)在第二級(jí)進(jìn)一步放大信號(hào)到單片機(jī)AD的最佳檢測(cè)范圍，由此可以得到一個(gè)變化幅度較大并且較為穩(wěn)定的信號(hào)。 圖4.3.1 二級(jí)差分放大4.4 負(fù)電壓產(chǎn)生電路 設(shè)計(jì)負(fù)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(dá)到放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)的作用，從而為后面信號(hào)采集做準(zhǔn)備。有專門的電源芯片MC34063的典型電路產(chǎn)生-5V的電壓，由于是給運(yùn)放供電所以對(duì)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

18、。 圖 4.4.1 負(fù)電壓產(chǎn)生電路五、系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析5.1 測(cè)試儀器 （1）RIGOL DS1102CH 100M 數(shù)字示波器 （2）RIGOL DM3601 6 1/2 digits （3）DC POWER SUPPLY DF1731SLL （4）萬用表 DT92055.2 相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù) 表1 隨機(jī)測(cè)試坐標(biāo) 實(shí)際坐標(biāo)測(cè)得坐標(biāo)絕對(duì)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,-2.0)(-2.3,-1.8)0.3,0.2(5.0,5

19、.0)(4.5,5.3)0.5,0.3 表2 擬合數(shù)據(jù)測(cè)試Y=0IN114891834179515842159IN23211117396585IN318271635202923553435IN425272739258724991811Y=5IN112171675180324002365IN2643749536450594IN319362147235327432817IN4272128432831294532835.3 測(cè)試結(jié)果分析（1）、實(shí)測(cè)得坐標(biāo)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(cè)得可用于擬合的值，以上擬合

20、數(shù)據(jù)僅為部分?jǐn)?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(biāo)值。六、重要程序解析6.1 A/D采樣程序/*A/D采樣*/# pragma vector =ADC_VECTOR_interrupt void adc12(void) adc_value0n=ADC12MEM0; adc_value1n=ADC12MEM1; adc_value2n=ADC12MEM2; adc_value3n=ADC12MEM3; n=(n+1)%Num; if(n=0) ADC12IE&=BIT3; void sum_adc(void) int k; for( k=0;k<Num;

21、k+) adc_value_sum0+=adc_value0k; adc_value_sum1+=adc_value1k; adc_value_sum2+=adc_value2k; adc_value_sum3+=adc_value3k; for(k=0;k<4;k+) adc_value_sumk=adc_value_sumk/Num; for(k =0;k<4;k+) displayint(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=4099,4099,409

22、9,4099,k; float t4, abs_0,x,y; for(int i=0,j;i<12*fbl;i+) for(j=0;j<8*fbl;j+) for( k=0;k<4;k+) x=i;y=j; 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+

23、69.428*y/fbl;break; for(k=0;k<4;k+) if(adc_value_sumk-tk)>0) abs_0=adc_value_sumk-tk; else abs_0=tk-adc_value_sumk; if(abs_0<diffk) diffk=abs_0; /templack0=x/fbl; /templack1=y/fbl; templack0=i; templack1=j; for(k =0;k<4;k+) displayint(templack0,65,k*50+20); displayint(templack1,78,k*50+20); /*數(shù)據(jù)擬合*/七、結(jié)論與系統(tǒng)改進(jìn)措施 7.1 題目達(dá)到了所有基本和部分?jǐn)U展功能及指標(biāo)的要求： （1）接觸到銅板指