基于ARM的手写绘图板设计

-基于ARM的手写绘图板设计【摘要】：本系统以STM32单片机为核心，采用STM32自带AD进行数据采集,设计并制作了一个分辨率为15cm*10cm的覆铜板坐标定位系统。该定位系统可以快速实现坐标显示，图形绘制，图形存储及回放。将6cm*4cm(高精度区A)和12cm*8cm（一般精度区B）对应的像素点显示在迷你型液晶上，并且具有高分辨率。并且通过按键可以实现不同功能之间的切换。通过单片机的控制实现各种显示存储功能。本系统的难点在于不用任何传感器，实现在覆铜板上的定位，这就需要微小电阻的测量方面的知识，典型方法有电桥法测微小电压，四点法测电位差。【关键词】：STM32；覆铜板；电位差；-i-Abstract:ThesystemusesSTM32microcontrollerasthecore,usingSTM32withtheADdataacquisition,thedesignandimplementationofaresolutionoftheCCLcoordinatepositioningsystem15cm*10cm.Thepositioningsystemcanquicklyrealizethecoordinatedisplay,graphicsrendering,graphicsstorageandplayback.Centerof6cm4cm(highprecisionA)and12cm*8cm(generalprecisionB)correspondingtothepixeldisplayintheminitypeliquidcrystal,andhashighresolution.Switchingdifferentfunctionthroughthekey.AchievingthedisplayandstoragefunctionthroughtheMCU.Keywords:stm32;coppercladlaminate;potentialdifference;-ii-目录前言.2第1章系统方案.3第1.1节信号采集和放大的论证与选择.3第1.2节电源模块的论证与选择.3第1.3节控制模块的论证与选择.3第1.4节显示模块的论证与选择.3第1.5节放大模块的论证与选择.4第2章硬件电路设计.5第2.1节恒流源模块.5第2.2节差分放大模块.7第2.3节AD转换模块.7第2.4节控制与显示模块.8第3章程序设计.13第3.1节控制芯片.13第3.2节编程环境.13第3.3节程序设计思路与功能.13第3.4节程序总流程图.14第4章测试方案.16第4.1节测试方法.16第4.2节测试条件与仪器.16第4.3节测试结果及分析.16结论.17参考文献.18致谢.19附录.20附录1：原理图.20附录2：实物图.21附录3：部分源程序.21第0页前言如今，学习一种处理器的就有许多ARM内核的处理器可供使用，现在社会已步入嵌入式学习阶段。在嵌入式领域，8位处理器已经不再胜任一些复杂的应用，比如GUI，TCP/IP，FILESYSTEM等，而ARM芯片凭借强大的处理能力和极低的功耗，非常适合这些场合。现在越来越多的产品在选型的时候考虑到使用ARM处理器，ARM的应用是相当的广泛。ARM的嵌入式控制应用如：汽车、电子设备、保安设备、大容量存储器、调制解调器、打印机等。目前已有超过85的无线通信设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。ARM在此方面的应用如：手提式计算机、移动电话、PDA等。随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持。ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒、游戏机、数码相机、数字式电视机、GPS、机顶盒中得到广泛采用。现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术，手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。本文前言讲述了该论文写作背景，主要阐述了ARM应用范畴，以及论文研究的内容；第一章讲述了研究课题的系统方案；第二章介绍了系统的硬件电路设计思路与方案；第三章介绍了程序设计的思路与方法；第四章介绍了本研究的测试方法和结果。第1页第1章系统方案本系统主要由测量模块、电源模块、显示模块、STM32系统模块和放大电路组成，下面分别论证这几个模块的选择。第1.1节信号采集和放大的论证与选择由于信号很小采集和放大都需要认真考虑，现考虑以下方案：方案一：用恒压源进行采集数据，并用2级运算放大器进行放大送入单片机。这种方法由于铜板电阻太小，使用恒压源要么电流过大，要么误差很大没法精确测量。方案二：用恒流源进行采集数据，进行差分放大，这种方法既便于采集放大，也能提高精度。综上所述，信号采集和放大选择第二种方案。第1.2节电源模块的论证与选择电源模块组要由恒流源，5v电压源。恒流源是为铜板提供稳恒电流的，以测量电压信号。单变双电源以LM7805和LM7905为核心的将12v直流单电源变为5v的双电源。单片机使用+5v电源，运算放大电路采用5v供电。但是经过检测，LM7805和LM7905共地后，LM7905的输出端电压未达到-5v，只有-2.6v。可以采用反转芯片ICL7660和微小电容组成的反转电路输出-5v电压。而+5v电源可以用LM7805经过稳压后输出，可以用手机充电器输出，也可以使用USB接口输出，ICL7660接在+5v后面，输出-5v，这样可以灵活地提供电源组合。综上所述，电源模块采用后面一种方案。第1.3节控制模块的论证与选择方案一：采用51系列的单片机作为主控器件，使用最小系统板，用来实现要达到的各种要求。但是AD转化需要另外做。此方案规模小，成本低。方案二：采用我们此前购买的以STM32系列的单片机带有2个12位的us级的A/D转换器位。此方案方便快捷，只需对AD和单片机进行程序编写。综合考虑，控制模块采用方案二，将方案一备用。第1.4节显示模块的论证与选择第2页方案一：采用字符型LCD1602液晶显示器。微功耗、尺寸小，超薄轻巧，价格便宜，但显示信息量较少，仅限于字符，不能显示图形，难以满足设计需求。方案二：采用无字库LCD12864，12864是128*64点阵液晶模块，控制器为KS0108或兼容ST7920、T6963C。12864显示信息量大、字迹清晰、稳定，美观、视觉舒适低功耗，能够显示图形。方案三：采用2.8寸触摸LCD显示屏，显示清晰、稳定、编程简单、能进行图形显示、人机交互好。考虑显示效果与成本，显示模块选择方案二，可以用LCD12864液晶进行丰富的菜单显示，使整个控制系统更加人性化。第1.5节放大模块的论证与选择方案一：采用差分放大电路。与普通单端放大器相比，差分放大器可以有效抑制输入信号中的共模噪声和地线电平电压浮动对电路的影响，能更好地抑制共模干扰。方案二：采用多级放大电路。虽然放大倍数比较大，但是多级放大电辟连接起来的时候，就出现了级与级之间的耦合方式问题。通过电阻和电容将两级放大电路连接起来的方式称为阻容耦合。由于电容的作用，使各级放大电路的静态工作点互相独立，分析估算比较方便。但它不能放大变化缓慢的信号和直流信号，也不便于集成化；将前级输出与后级输入直接相连的方式称为直接耦合。它能传递相放大变化缓慢的信号和直流信号，便于集成，但由于是直接耦合，各级静态工作点互不独立，分析计算比较麻烦。另外，还存在着电平偏移和零点漂移现象；通过变压器的初级和次级把前级输出与后级输入连接起来的方式称为变压器耦合。它能够实现阻抗变换，以便在负载上得到最大的功率输出，各级静态工作点也互相独立。综合考虑，放大电路选用方案一。第3页第2章硬件电路设计硬件电路由电源模块、差分放大模块、AD采集模块、控制模块和显示模块组成，由于STM32芯片处理能力较强，又自带2个12位AD转换器，所以AD转换模块和控制模块由STM32芯片独自完成。第2.1节恒流源模块系统的恒流源是根据三端稳压原理制成。这种结构的恒流源，不适合太小的电流，因为这个时候，三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。电流计算公式为：I=V/R，其中V是三端稳压的稳压数值。在+5v电压源输出端串联一个电阻即可构成恒流源。常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有TO-92封装。方案采用LM7805输出+5v，而-5v电源采用ICL7600。ICL7660是哈里斯公司采用CMOS工艺制成的高效率、小功率、低压直流电源变换器，亦称DC/DC电压转换器，国产型号为5G7660，它不仅能将单电源转换成对称输出的双电源，还能通过几片串联方式获得多倍压输出，其空载时转换效率高达99.7%，带负载后转换效率仍可达95%，ICL7660本身耗电小于0.5mA，却能向负载提供1020mA的电流，其外围电路十分简单，只需接两只电容即可工作。（1）电路工作原理。ICL7660采用8脚双列直插式封装，VDD、GND分别接电源的正、负端，V0为负输出端，芯片内部主要包括稳压器、RC振荡器、二分频器、逻辑控制器、电平转换器、四只模拟开关SW1-SW4，ICL7660的等效电路如图2-1所示。C1、C2为外接电容，在正半周时，SW1、SW2闭合，SW3、SW4断开，VDD沿着SW2C1SW2GND的途径对C1充电，C1被充到VDD。在负半周时，SW3、SW4闭合，SW1、SW2断开，使C1的正端接地，负端接V0端，C1的放电回路为，C1正极SW2GNDC3负极SW4C1负极，因此C1上的一部分电荷就转移到C2上,并在C2两端形成负压输出。由于模拟开关动作频率很高（约10kHz），C1被不断充电，使其两端压降维持在VDD值。显然，C1的作用就相当于一个“充电泵”，故称之为充电泵电容，由C1和C2过程的一个泵电源。第4页图2-1ICL7660的等效电路LM7805和ICL7660组成的+5v和-5v电压源原理图如图2-2和图2-3所示。图2-2+5v电压源图2-3-5v电压源第2.2节差分放大模块第5页这部分电路是利用三个OP27和电阻连到一起构成一个差分放大器。OP27精密运算放大器兼有OP27的低失调电压和漂移特性与高速、低噪声特性。失调电压低至25V，最大漂移为0.6V/C，因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选。极低噪声（10Hz时en=3.5nV/Hz），低1/f噪声转折频率(2.7Hz)以及高增益(180万)，能够使低电平信号得到精确的高增益放大。8MHz增益带宽积和2.8V/s压摆率则可以在高速数据采集系统中实现出色的动态精度。利用偏置电流消除电路，OP27可实现10nA的低输入偏置电流。电路如图2-4所示。图2-4差分放大电路此部分电路对精度要求比较高，全部使用的高精度的电阻。放大倍数G=2R1/R4*R2/R3=100。放大器输入端电位差为10mv，经过放大后，信号为1.04v，采集的信号经过运算放大电路放大了100倍。第2.3节AD转换模块系统要求AD的分辨率比较高，而STM32自带2个12位的us级的A/D转换器（16通道），可以满足本设计的要求。STM32的A/D测量范围：0-3.6V。具有双采样和保持能力。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的各通道的A/D转换可以单次、连续扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右方式存储在16位数据寄存器中模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出户定义的高/低阀值。STM32F103系列最少都拥有2个ADC，STM32的ADC最大的转换速率为1Mhz，也就是转换时间为1us（在ADCCLK=14M，采样周期为1.5个ADC时钟下得到），不要让ADC的时钟超过14M，否则将导致结果准确度下降。第6页STM32将ADC的转换分为2个通道组：规则和注入通道组。规则相当于正常运行的程序，而注入通道呢就相当于中断。在程序正常执行的时候，中断是可以打断执行。类似，注入通道转换可以打断规则通道的转换，在注入通道被转换完成之后，规则通道才得以继续转换。每个通道转换时间为：（2-个周期采样时间5.12convT1）STM32的AD内部结构如图2-5所示。图2-5STM32中AD结构框图第2.4节控制与显示模块2.4.1.STM32RBT6芯片STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。第7页在STM32F105和STM32F107互连型系列微控制器之前，意法半导体已经推出STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列、增强型系列；新系列产品沿用增强型系列的72MHz处理频率。内存包括64KB到256KB闪存和20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三种封装，不同的封装保持引脚排列一致性，结合STM32平台的设计理念，开发人员通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量，以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求。市面流通的型号有：基本型：STM32F101R6，STM32F101C8，STM32F101R8，STM32F101V8，STM32F101RB，STM32F101VB。增强型：STM32F103C8，STM32F103R8，STM32F103V8，STM32F103RBSTM32F103VB，STM32F103VE，STM32F103ZE。STM32型号的说明：以STM32F103RBT6这个型号的芯片为例，该型号的组成为7个部分，其命名规则如下：（1）STM32：STM32代表ARMCortex-M3内核的32位微控制器。（2）F：F代表芯片子系列。（3）103：103代表增强型系列。（4）R：R这一项代表引脚数，其中T代表36脚，C代表48脚，R代表64脚，V代表100脚，Z代表144脚。（5）B：B这一项代表内嵌Flash容量，其中6代表32K字节Flash，8代表64K字节Flash，B代表128K字节Flash，C代表256K字节Flash，D代表384K字节Flash，E代表512K字节Flash。（6）T：T这一项代表封装，其中H代表BGA封装，T代表LQFP封装，U代表VFQFPN封装。（7）6：6这一项代表工作温度范围，其中6代表-4085，7代表-40105。电路图如图2-6所示。第8页图2-6STM32芯片图2.4.2.LCD12864带中文字库的128*64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8*4行16*16点阵的汉字。也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。LCD12864原理图如图2-7所示。图2-7LCD12864原理图LCD12864采用串行方式接入STM32。LCD12864的GND、VCC、R/W、SCLK引脚分别接STM32的VDD、VSS、PC12、PC11引脚。原理图如图2-8所示。第9页图2-8STM32接LCD原理图2.4.3.基本特性（1）低电源电压（VDD:+3.0+5.5V）。（2）显示分辨率：128*64点。（3）内置汉字字库，提供8192个16*16点阵汉字(简繁体可选)。（4）内置128个16*8点阵字符。（5）2MHZ时钟频率。（6）显示方式：STN、半透、正显。（7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS。（8）视角方向：6点。（9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10。（10）通讯方式：串行、并口可选。（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压。（12）无需片选信号，简化软件设计。（13）工作温度：0+55,存储温度：-20+60。2.4.4.字型的产生ROM通过8192个16*16点阵的中文字型，以及126个16*8点阵的西文字符，它用2个字节来提供编码选择，将要显示的字符的编码写到DDRAM上，硬件将依照编码自动从ROM中选择将要显示的字型显示再屏幕上。2.4.5.显示显示RAM提供64*2字节的空间，最多可以控制4行16字的中文字型显示。当写入显示资料RAM时，可以分别显示CGROM，HCGROM及CGRAM的字型。三种字型的选择：第10页（1）显示半宽字型：将一个字节的编码写入DDRAM中，范围是027FH。（2）显示RAM字型：将2个字节的编码写入DDRAM中，共有0000H，0002H，0004H及0006H四种编码。（3）显示中文字型：将2字节的编码写入DDRAM中，先写高8位，后写低8位范围是A140HD75FH(BIG5)，A1A0HF7FFH(GB)。第11页第3章程序设计程序设计主要实现对4路采集信号进行AD转换，并对转换结果进行处理，然后把处理后的结果通过串口方式发送给LCD进行显示。第3.1节控制芯片方案采用基于ARM内核的STM32F103RBT6作为控制芯片。STM32芯片拥有优异的实时性能。84个中断，16级可编程优先级，并且所有的引脚都可以作为中断输入。极低的开发成本。STM32的软件开发不需要昂贵的仿真器，只需要一个串口即可下载代码，并且支持SWD和JTAG两种调试口。SWD调试可以给设计带来跟多的方便，只需要2个IO口，即可实现仿真调试。第3.2节编程环境程序编写采用Keil-MDK4编程软件。KeilMDK，也称MDK-ARM，RealviewMDK、I-MDK、uVision4等。MDK-ARM软件为基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9处理器设备提供了一个完整的开发环境。MDK-ARM专为微控制器应用而设计，不仅易学易用，而且功能强大，能够满足大多数的嵌入式应用。Keil-MDK4编程环境如图3-1所示。图3-1Keil-MDK4编辑界面第3.3节程序设计思路与功能3.3.1.程序设计思路第12页手写绘图板的程序由主程序、AD转换程序、12864驱动程序、中断服务程序等组成。当系统初始化，按键按下后，判断按键是a、b、c中哪个，若是按键a，则进入坐标显示；若是按键b，则显示绘图轨迹；若是按键c，则进入参数整定并清屏。3.3.2.程序功能根据题目要求软件部分主要实现AD采集、数据处理和显示。1）AD采集功能功能：当表笔接触覆铜板时，通过查分电路分出微弱的电压变化放大后通过AD采集转换。2）显示部分：显示坐标，表笔是否接触到板子；若是，则显示表笔的坐标和象限，并可以多种方式显示。3）计算：STM32的AD精度为1/4096，假设采集信号经放大后分别为A、B、C、D，求出A、B、C、D信号电压的和的均值P，水平坐标X（公式3-1），垂直坐标Y（公式3-2）。（3-8+1.43*75(X_c/P)=1）（3-.2.0(/)2）其中，X_c=D+A-(C+B)，Y_c=A+B-(C+D)，P=A+B+C+D。第3.4节程序总流程图主程序流程图如图3-2所示。第13页开始系统配置初始化进入主界面显示相关信息进入系统功能区？a、坐标定位b、手写绘图c、参数整定选择a？选择b？选择c？进入坐标定位进入手写绘图进入参数整定空初始化4路ADC初始化定时器中断初始化手写绘图模式初始化4路ADC，定时器中断TIMTIM中断?在LCD12864上显示相应的坐标并保持坐标位置清屏？TIM中断?返回4路ADC值，并滤波计算得到4路ADC值分别与a、b、c、d数组查表比较、分别得出a、b、c、d附近坐标a、附近坐标b、附近坐标c、附近坐标d、附近坐标找到?显示坐标显示象限返回否是否否是是是是否是（1）（2）（3）（4）（5）否是得到坐标重复（1）(5)是否否减小范围图3-1主程序流程图第14页第4章测试方案因本方案选用的STM32单片机没有相应的软件可以进行仿真，故采用软硬件进行实际测试并调试进行测量精度的校准，以使实物能达到设计要求。第4.1节测试方法测量方法：表笔在PCB板的A区内画圆和任意曲线。所用设备：自制系统。测试步骤：(1)链接好电路；(2)在PCB板上A区内画三个圆和矩形和直线，观察LCD屏显示；第4.2节测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：数字电压源，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。第4.3节测试结果及分析4.3.1.测试结果(数据)联合测试结果如表4-1所示。表4-1测试结果信号值07，2509，2703，2601，2502，3000，2513，2210，23左右右右左左左左右右上下上上上上下下下下4.3.2.测试分析与结论根据上述测试数据，可以看出此设计还是可以基本判别出坐标值，由此可以得出以下结论：（1）可以完成表笔是否接触到覆铜板的判别；（2）正确显示触电位于纵坐标左右位置；（3）正确显示触电四象限位置；（4）正确显示坐标值；（5）分辨率为10mm；第15页结论经过学习和努力，设计出手写绘图板。但是我从中得到了不少经验，在刚得到题目时的不知所措，不知道从何处下手，经过查阅资料，我试了一个又一个的连接方法还是没有成功，都是在笔连接到覆铜板上时没有变化，经过思考，我觉得直接测量覆铜板的电阻和电压是不现实的，我决定换换思路，想到了用电桥法测电压，电桥的方法可以在经过运算放大器后测量小的电压变量，经过调试，终于在用高精电阻的条件下得到了电压的变化。我觉得能测出电压变化就是成功的一半了，在后面的设计当中，虽然遇到许多问题，还是一一得到解决。程序在实现坐标显示时，经过仔细的检查，发现了问题，并及时改正，遗憾的是，自己能力有限，经过调试，依然未显示坐标。经历这次设计，能力有了很大提高，感谢丁建强老师，是他的悉心指导与教诲使我受益匪浅。第16页参考文献1.汤竞南，沈国琴51单片机C语言开发与实例M北京：人民邮电出版社，2008.2.陈斌，黄大林电工仪表的使用与调修M北京：中国电力出版社，2010.3.沈元隆，周井泉信号与系统M北京：人民邮电出版社，2007年.4.黄智伟，王兵，朱卫华STM32F32位ARM微控制器应用设计与实践M北京：北京航空航天大学出版社，2012-08-01.5.喻金钱，喻斌STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器开发与应用M北京：清华大学出版社，2011.6.杜春雷.ARM体系结构与编程.北京：清华大学出版社，2003.7.李宁.ARM开发工具Real-ViewMDK使用入门M.北京：北京航空航天大学出版社，2008.8.李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2008.9.秦伟等.基于ARM处理器的数据采集系统的设计J.自动化技术与应用.2006年第10期.10.刘火良，杨森.STM32库开发实战指南M.北京：机械工业出版社，2013.07.01.第17页致谢经过几个月的查资料、整理材料、写作论文，今天终于可以顺利的完成论文的最后的谢辞了，时光匆匆飞逝，努力与付出，随着论文的完成，终于让我在大学的生活得以划下完美的句点。论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢丁建强老师，因为论文是在丁建强老师的悉心指导下完成的。丁建强老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，平易近人的人格魅力对我影响深远。丁建强老师指引我的论文的写作的方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，他的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。论文的顺利完成，也离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。第18页附录：中英文文献翻译名称以太网网络电话传送调度：方法论和案例分析第19页附录1：原理图第20页附录2：实物图第21页附录3：部分源程序