2013年全国大学生电子设计竞赛--手写绘图板.docx
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1、2013 年全国大学生电子设计竞赛手写绘图板(手写绘图板(G G 题)题)【本科组本科组】20132013 年年 9 9 月月 4 4 日日摘要摘要本文设计的是低功耗简易手写绘图板,系统采用 Arm STM32F103VBT6 为控制核心,用 12v 的单一电源供电,再经电路变换后分别向 ARM 处理器、放大器、恒流源提供+5v、5v、12v 的电源。恒流源模块提供两路驱动电流,由 ARM 微控制器交叉控制对角两路电流,手写笔的电压信号经仪表放大器放大,AD 采样,由 ARM 控制坐标转换算法,将绘图板电压的物理坐标转换为显示器的逻辑坐标。通过测试,设计手写绘图板可正确显示触点的坐标及象限,记
2、录表笔运动的轨迹。测量分辨率为 1mm,工作电流小于 50mA,显示界面清晰友好。关键词:手写绘图板,坐标转换算法,微控制器关键词:手写绘图板,坐标转换算法,微控制器I目录1任务与要求任务与要求.11.1任务.11.2设计要求.11.2.1基本要求:.11.2.2发挥部分:.12系统方案系统方案.22.1控制模块比较与选择.22.2恒流源模块比较与选择.22.3放大模块比较与选择.32.4液晶显示模块比较与选择.33系统理论分析与计算系统理论分析与计算.33.1控制时序分析.33.2恒流源设计分析.43.3放大电路设计分析.43.3.1设计要点.43.4坐标点测量计算.43.4.1坐标系转换数
3、学模型的建立.53.4.2测量值到估算值的转换.64电路与程序设计电路与程序设计.74.1总体设计.74.2电压转换电路设计.84.3恒流源电路设计.84.4放大电路设计.9II4.5低功耗设计.94.6程序的设计.94.6.1程序流程图.95系统测试系统测试.105.1软件仿真测试.105.2测试条件与仪器.125.3测试结果及分析.125.3.1测试结果(数据).125.3.2测试分析与结论.126方案调整方案调整.136.1放大模块调整.136.2恒流源模块变换.137结论结论.138参考文献:参考文献:.13附录附录 .15附录 1:元器件明细表:.15附录 2:仪器设备清单:.15附
4、录 3 实物照片:.151任务与要求任务与要求1.1任务任务利用普通 PCB 覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。系统构成框图如图 1-1 所示。覆铜板四角用导线连接到电路,同时,一根带导线的普通表笔连接到电路。表笔可与覆铜板表面任意位置接触,电路应能检测表笔与铜箔的接触,并测量触点位置,进而实现手写绘图功能。图 0-1 系统构成框图1.2设计要求设计要求1.2.1 基本要求: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
5、.2.2 发挥部分: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2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。3系统方案系统方案本系统主要由控制模块、恒流模块、放大模块、显示模块、电源模块组成,下面分别
6、论证这几个模块的选择。1.3控制模块比较与选择控制模块比较与选择方案一:采用 FPGA 做主控制器,由 FPGA 来完成采集和信号处理等底层的核心计算,它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。但FPGA 控制功能稍显不足,大电流小电压处理有些困难,但它的功能强大,功耗较低,可快速成品。方案二:采用 AT89S52 单片机做主控制器,AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器,具有 8K Flash 存储器。在单芯片上,拥有灵巧的 8 位CPU 和在系统 可编程 Flash,使得 AT89
7、S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。它的成本低,易控制,易实现。缺点:运行速度慢,存储容量小,难以完成复杂的运算。方案三:采用 ARM 微处理做主控芯片,ARM 处理器是一个 32 位元精简指令集(RISC)处理器架构,因其计算速度快,耗电少、功能强、存储容量大,已被广泛地使用在许多嵌入式系统设计。主要不足是设计复杂,需要有一定开发经验。经过以上三个方案比较,为了实现电路设计的低功耗及高速的运算速度,故采用方案三。1.4恒流源模块比较与选择恒流源模块比较与选择为了能够检测绘图板触笔位置,需要在导电的 PCB 板上形成一定强度的电流,考虑到功耗和电源的限制,故需要设计恒
8、流源电路。方案一:选用场效应管恒流源。其基本电路与晶体管恒流源类似。场效应管恒流源较之晶体管恒流源,其等效内阻较小,但增大电流负反馈电阻,场效应管恒流源会取得更好的效果。且无需辅助电源,是一个纯两端网络,这种工作方式十分有用,可以用来代替任意一个欧姆电阻。方案二:选用集成运放 LM317 恒流源。由于温度对集成运放参数的影响不如对场效应管参数影响之显著,使得集成运放构成的恒流源具有稳定性更好,恒流性能更高的优点。尤其在负载一端需接地,要求大电流的场合,获得了广泛应用。4方案三:集成运放与场效应管与三极管配合使用。这样设计的电路集合了集成运放恒流源、三极管与场效应恒流源的特点,三者之间相互补充,
9、使其功耗更低,稳定性更好,恒流性能更高。综上所述,我们决定选用最优化的设计方案三。1.5放大模块比较与选择放大模块比较与选择方案一:采用 LOG114。LOG114 是一款直流精度的高速度、高精度对数放大器。该器件能够以升降时间 1 微秒的超高速计算输入电流或电压与参考电流或电压的对数或对数比。LOG114 提供 8 个数量级的动态范围和通过完整测试的对数功能,无需外部组件配合。它的尺寸较小,具有极低的输入偏置电流、低偏置电压、低偏移电压漂移,非常适合电压数目有限的单电源系统。缺点:价格高,输入电路设计不够灵活。方案二:采用 INA128。INA128 是低功耗、高精度的仪表放大器。具有精密增
10、益模块,输入为差分式,输出可以是差分式,也可以是相对于参考端的单端式。能够放大两个输入信号电压之间的差值,同时抑制两个输入端共有的任何信号。它把关键元件集成在放大器内部,其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活、放大倍数调整非常方便等特点。广泛用于许多工业、测量、数据采集和医疗应用。为了实现测量区域范围的准确性及低功耗的性能,我们采用方案二。1.6液晶显示模块比较与选择液晶显示模块比较与选择方案一:采用 LCD1602。LCD1602 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行,每行 16 个字符液晶模块(显示字符和数字)。由于液晶显示器每一个点
11、在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度,恒定发光,而不像阴极射线管显示器(CRT)那样需要不断刷新新亮点。因此,液晶显示器画质高且不会闪烁。而且它的体积小,质量轻,但是它显示单一,不可以显示汉字和图像。方案二:采用 LCD12864。带中文字库的 128X64 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;该模块接口方式灵活,具备简单、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 84 行 1616 点阵的汉字。也可完成图形显示。而且低电压、低功耗,价格相比其他模块略低。5方案三:采用 3.2” TFT L
12、CD ILI9325 模块。显示功能强大,可显示文字和图形,显示内容清晰,有相应的驱动程序和库函数支持。不足之处是程序较复杂,功耗稍大。综上所述,为了显示更全面的界面,我们选择方案三。系统理论分析与计算系统理论分析与计算1.7控制时序分析控制时序分析在触点检测时,采用表笔时差检测分别确定 s,t 轴的电位。通过使能端控制两路信号输入。当表笔动作时,先检测出 s 轴的电位,再检测 t 轴的电位,以确定触点坐标。通过 ARM 控制,送入 LCD 显示。根据设计任务,设计的控制时序如图 4-1 所示。开启s轴 电流检测s轴 触笔电位开启t轴 电流检测t轴 触笔电位由s,t电位 坐标转换 x,y坐标显
13、示处理图 0-1 控制时序1.8恒流源设计分析恒流源设计分析恒流源是一种能向负载提供恒定电流的电源装置,它在外界电源产生波动和阻抗特性发生变化时仍能使输出电流保持恒定。恒流源电路具有输出电流恒定、温度稳定性好、直流电阻很小但等效交流输出电阻却很大等特点。恒流范围大致为 1A20A。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点,又可以作为其有源负载,以提高放大倍数。本系统采用场效应管与集成运放与三极管等构成恒流源。向覆铜板上供电。场效应器件凭借其低功耗、性能稳定、抗辐射能力强等优势在集成电路中应用广泛,集成运放稳定性好、恒流性能高。通过两者结合,使其低功耗、稳定性、恒流性达到较高。1.9放大
14、电路设计分析放大电路设计分析放大电路主要由两个精密低功耗的 INA128 的仪表放大器组成,系统由单一电源供电,经由电源降压转换后向放大模块供入5v 的电压。INA128 是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件,具有差分输出和相对参考端6的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定,而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的 2 个差分输入端施加输入信号,其增益即可由内部预置,也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。1.9.1 设计要点设计要点(1)注意关键元器件的选取,要注意使
15、运放 的特性尽可能一致;选用电阻时,应该使用低温度系数的电阻,以获得尽可能低的漂移;对 R4,R5 和 R6 的选择应尽可能匹配.(2)要注意在电路中增加各种抗干扰措施,比如在电源的引入端增加电源退耦电容,在信号输入端增加 RC 低通滤波或在运放 A1,A2 的反馈回路增加高频消噪电容,在 PCB 设计中精心布局合理布线,正确处理 地线等,以提高电路的抗干扰能力,最大限度地发挥电路的性能1.10坐标点测量计算坐标点测量计算对手写板进行测试时,为了确定 A 区与 B 区的范围提高测量精度,我们需要通过建立数学模型来进行坐标转换、点位校正。1.10.1坐标系转换数学模型的建立坐标系转换数学模型的建
16、立1、基本信息设直角坐标系(x-y)的水平轴为 x 轴,垂直轴为 y 轴。绘图板上的电位坐标为非直角坐标系(s-t),其两个轴分别为 s 轴和 t 轴。直角坐标系(x-y)与非直角坐标系(s-t)的原点相同,x 轴与 s 轴的夹角为,t 轴与 s 轴的夹角为 2。2、坐标点表示设直角坐标系(x-y)某坐标点为 P1(x1,y1)。对应的非直角坐标系(s-t)的坐标点为 Q1(s1,t1)。P1(x1,y1)和 Q1(s1,t1)到原点的距离均为 L1。P1(x1,y1)与 x 轴的夹角为 1;Q1(s1,t1)与 s 轴的夹角为 1。7非直角坐标系(s-t)的 4 象限如图 4-2 所示:xy
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