G题手写绘图板

2013全国大学生电子设计竞赛手写绘图板（G题）2013年全国大学生电子设计竞赛手写绘图板（G题）【本科组】2013年9月7日

手写绘图板摘要手绘板，众所周知，是计算机输入设备的一种，通常是由一块板子和一支压感笔组成。它和本文所介绍的手写绘图板等作为非常规的输入产品相类似，都针对一定的使用群体。手写绘图板主要是利用一根连接到电路的普通表笔在PCB覆铜板上实现简单的绘图及坐标查找功能，并能在表笔接触板上任一点时，明确显示触点的象限位置及坐标值。它包括硬件电路和软件编程两部分。硬件电路主要包括恒流源、二级差分放大、单片机内部A/D采样模块、显示模块。由于敷铜板的电阻很小，所以是采集小信号，然后将采集到的两路电压信号差分放大后经过二级放大得到一个稳定变化的电压值，然后用AD采样经数值变换得到坐标，用低功耗单片机MSP430F14处理，在HB240128液晶显示屏上显示。采集若干点在液晶上描点还可以绘制一些简单的图形。【关键字】MSP430F149敷铜板差分放大AD采样低功耗HandwrittenDrawingBoardAbstract：Hand-paintedplates,weallknow,isacomputerinputdevice,whichisusuallycausedbyaboardandapressuresensitivepencomponents.Itisdescribedinthisarticlehandwritinganddrawingboardunconventionalinputssuchassimilarproductsareusedforcertaingroups.HandwritingmainlyusingagraphicstabletconnectedtothecircuitcommontablepenonthePCBCCLsimplegraphicsandcoordinatesearchfunction,andcancontactboardofficetablepenpoint,clearlyshowsthelocationandcontactquadrantcoordinatevalues​​.Itincludeshardwarecircuitryandsoftwareprogrammingintwoparts.Hardwarecircuitincludesaconstantcurrentsource,twodifferentialamplifier,internalmicrocontrollerA/Dsamplingmodule,displaymodule.SinceBondedCopperresistanceissmall,sosmallsignaliscollectedandthencollectedtwoamplifieddifferentialvoltagesignalamplifiedthroughtwochangestogetastablevoltagevalue,andthenuseADsamplingbynumericaltransformcoordinates,withalowprocessingpowermicrocontrollerMSP430F14inHB240128displayedontheLCD.CollectedatseveralpointsontheLCDcanalsodrawonthetracingpointsomesimplegraphics.【Keywords】MSP430F149A/DsamplingCopperDifferentialamplifier

目录一、引言 11.1系统总体框架 11.2本设计应该达到的技术指标 11.2.1基本要求 11.2.2发挥部分 1二、系统方案选择与论证 22.1系统方案选择 22.2主控器件的选择 22.3稳压电路的选择 32.4运放的选择 4三、系统总体设计 53.1系统总体硬件电路框图 53.2系统软件框图 5四、系统单元电路设计 64.1恒流源电路 64.2信号采集电路 74.3二级差分放大电路 74.4负电压产生电路 7五、系统测试与数据分析 85.1测试仪器 85.2相关测试数据 85.3测试结果分析 9六、重要程序解析 96.1A/D采样程序 96.2拟合算法程序 10七、结论与系统改进措施 127.1题目达到了所有基本和部分扩展功能及指标的要求： 127.2存在问题及改进措施： 12八、参考文献 12附录 13一、引言1.1系统总体框架根据手写绘图板题目要求和本系统的设计思想，系统主要包括图1.1所示的模块。逻辑控制逻辑控制MSP430F149差分放大覆铜板显示HB240128MIAA/D采样信号采集二级放大系统提示 图1.11.2本设计应该达到的技术指标1.2.1基本要求（1）指示功能：表笔接触铜箔表面时，能给出明确显示。（2）能正确显示触点位于纵坐标左右位置。（3）能正确显示触点四象限位置。（4）能正确显示坐标值。（5）显示坐标值的分辨率为10mm，绝对误差不大于5mm。1.2.2发挥部分（1）进一步提高坐标分辨率至8mm和6mm；要求分辨率为8mm时，绝对误差不大于4mm；分辨率为6mm时，绝对误差不大于3mm。（2）绘图功能。能跟踪表笔动作，并显示绘图轨迹。在A区内画三个直径分别为20mm，12mm和8mm不同直径的圆，并显示该圆；20mm的圆要求能在10s内完成，其它圆不要求完成时间。（3）低功耗设计。功耗为总电流乘12V；功耗越低得分越高。要求功耗等于或小于1.5W。（4）其他。如显示文字，提高坐标分辨率等。二、系统方案选择与论证2.1系统方案选择方案一：直接用运算放大器放大信号并采集。但信号变化甚微，为毫伏级，需要输入偏置电压很小的的运放，要求太高，因此没有采用。方案二：直接用A/D采样电压信号。根据要求精度，需24位的A/D，同时基准源很难达到要求，所以没有选择此方案。方案三：前端加恒流源。在确定需用惠斯通电桥精密测电阻时，组成电桥的电阻与电源内阻可比，甚至更小，所以必须在前端提供恒定电流，而非电压。再经惠斯通电桥后，由于电桥输入信号小，需经仪表放大器放大差模信号，抑制共模信号，因其有较高的共模抑制比。所以选择此方案最合适。2.2主控器件的选择方案一：51单片机：拥有复杂指令集，32个I/O口，但12个振荡周期才执行一个单周期指令，处理速度慢，只能满足对处理速度要求不高的情况，且内部没有A/D，不能满足本题方便的内部采样，各方面都不能满足本题需求。故未选择此方案。方案二：使用TI公司低功耗单片机MSP430F149（图2.1.2）做为主控制器。MSP430F149操作简单，性价比和集成度较高。MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的一些算法。MSP430集成了片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、斜边A/D转换、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片内存储器。能实现大量数据处理，并且内部12位A/D实现高精度采样，同时能满足题目低功耗（<1.5W）要求，则此单片机完全满足本题应用需求。所以选择此方案。图2.2.1：MSP430F149最小系统2.3稳压电路的选择方案一：LM7805：在对整体电路的供电系统中由于官方提供电压为单12伏电压，不能使用于所有电路，故需要降压处理，LM7805是一个较为常见的三端稳压芯片使用简单，电路较为简洁，但是LM7805的转换效率较低，会造成很大的能源浪费。所故未选择此方案。图2.3.1三端稳压电源方案二：LM2596：LM2596系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。输出电压可以调整为5V，转换效率为75%~88%,具有较高的转换率。故选择此供电方案。图2.3.2开关稳压电源2.4运放的选择方案一：差分放大：由三个运算放大器构成差分放大电路，同样可以具有较高的共模抑制比，但是由于在工程实践中电阻具有公差，所以在放大倍数调节和在共模抑制上面具有一定的缺陷，并且该电路有三运放构成连接实际电路较为复杂，故不选择此方案。图2.4.1自制差分运放方案二：INA128:INA128是低功耗高精度的通用仪表放大器。它们以通用的3运放（3-opamp）设计和体积小巧使其应用范围广泛。具有很高的共模抑制比CMRR，使用方便，单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择。故选择使用高精度仪表放大器(原理图见附录)。三、系统总体设计3.1系统总体硬件电路框图逻辑控制MSP430F149逻辑控制MSP430F149差分放大覆铜板显示HB240128MIAA/D采样信号采集二级放大系统提示图3.1.1系统框图本系统分为单片机控制、信号采集、仪表放大器、二级差分放大、AD采样、显示等几个部分。由MSP430F149实现整体逻辑控制及数据处理，其内部A/D负责采样覆铜板内部各点与四顶点间的电阻值；由恒流源电路为系统提供120mA的稳定电流，减小流经各电阻的损耗；由双桥精确测量电阻，并转换为电压信号输入二级差分放大电路（即实现信号采集），放大差模信号，抑制共模信号；A/D采样电路则将输出的干净差模信号，并多次测量取平均值；显示模块将测得的电压信号转换的坐标数据完整显示出来。，3.2系统软件框图软件设计主要实现：●开始，系统初始化,包括片内12位A/D的配置，液晶HB240128的初始化；●430单片机内A/D，对经两级差分放大电路放大后的电压信号进行采样；●测得每点的数据传给单机内部处理器进行大量数据处理，多次测量取平均值，由于表笔与铜板接触时力度不一，同一点采样的数值差异大，所以采用单位化的方法处理数据；●对HB240128编程，将处理后的数据，即触点所在象限、纵坐标左右、坐标数据全部显示在LCD上●程序运行结束；图3.2.1软件流程图四、系统单元电路设计4.1恒流源电路由三端稳压构成的的恒流源电路，由于OUT与GND之间的电压差恒定为3.3v，所以在这两端加入一个33欧姆的电阻就可以构成恒流源电路，点路的输出电留为理论值为99mV，实测的电流为103mV满足设计要求。图4.1.1基准源电路4.2信号采集电路采用如图所示双桥电路代替原方案的惠斯通电桥，减小了系统功耗，更加精确地采集小电阻所产生的小信号，将其放大后利于我们更容易区别电压变化所带来的触点坐标数据的变化（进一步采集见附录）。图4.2.1信号采集4.3二级差分放大电路前级放大由仪表放大器和一个外部电阻R组成，构成增益为Av=1+50k/R的差模放大，滤掉输入的共模信号。但输出的差模新号仍然很小，且由于电桥不平衡的原因，同时存在一定的差模信号，所以我们需要进一步的放大差模信号，同时在第二级进一步放大信号到单片机AD的最佳检测范围，由此可以得到一个变化幅度较大并且较为稳定的信号。 图4.3.1二级差分放大4.4负电压产生电路设计负电压产生电路的目的在于给低功耗高精度仪表放大器INA128专向供电，使其能正常工作，达到放大差模信号，抑制共模信号的作用，从而为后面信号采集做准备。有专门的电源芯片MC34063的典型电路产生-5V的电压，由于是给运放供电所以对功率没有很高的要求所以在电感电容的选取上可以大胆的选取，通过R2可调电阻就能调的-5V的电压，以供给INA128。图4.4.1负电压产生电路五、系统测试与数据分析5.1测试仪器（1）RIGOLDS1102CH100M数字示波器（2）RIGOLDM360161/2digits（3）DCPOWERSUPPLYDF1731SLL（4）万用表DT9205 5.2相关测试数据表1随机测试坐标实际坐标测得坐标绝对误差（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(5.0,5.0)(4.5,5.3)0.5,0.3表2拟合数据测试Y=0IN114891834179515842159IN23211117396585IN318271635202923553435IN425272739258724991811Y=5IN112171675180324002365IN2643749536450594IN319362147235327432817IN4272128432831294532835.3测试结果分析（1）、实测得坐标显示过程中最大误差为1.0cm即为10mm可以满足要求。（2）、以上拟合数据位AD寄存器读到的值，我们未转换为电压，直接测得可用于拟合的值，以上拟合数据仅为部分数据，但是可以看出是成一定关系线性变化。所以很便于用于分心得到坐标值。六、重要程序解析6.1A/D采样程序/************A/D采样*********************************/#pragmavector=ADC_VECTOR__interruptvoidadc12(void){adc_value[0][n]=ADC12MEM0;adc_value[1][n]=ADC12MEM1;adc_value[2][n]=ADC12MEM2;adc_value[3][n]=ADC12MEM3;n=(n+1)%Num;if(n==0){ADC12IE&=~BIT3;}}voidsum_adc(void){intk;for(k=0;k<Num;k++){adc_value_sum[0]+=adc_value[0][k];adc_value_sum[1]+=adc_value[1][k];adc_value_sum[2]+=adc_value[2][k];adc_value_sum[3]+=adc_value[3][k];}for(k=0;k<4;k++){adc_value_sum[k]=adc_value_sum[k]/Num;}for(k=0;k<4;k++)displayint(adc_value_sum[k],50,k*50+20);}/************A/D采样*********************************/6.2拟合算法程序/******************数据拟合************************/voidgetlac(void){intdiff[4]={4099,4099,4099,4099},k;floatt[4],abs_0,x,y;for(inti=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){case0:t[0]=1164.879+101.0*x/fbl+3.67*y/fbl;break;case1:t[1]=356.945+3.26*x/fbl+39.293*y/fbl;break;case2:t[2]=1732.07+97.625*x/fbl+7.4*y/fbl;break;case3:t[3]=2466.174+2.716*x/fbl+69.428*y/fbl;break;}}for(k=0;k<4;k++){if((adc_value_sum[k]-t[k])>0)abs_0=adc_value_sum[k]-t[k];elseabs_0=t[k]-adc_value_sum[k];if(abs_0<diff[k]){diff[k]=abs_0;//templac[k][0]=x/fbl;//templac[k][1]=y/fbl;templac[k][0]=i;te