1、2013全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽手寫繪圖板（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，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，然后將采集到的兩路電壓信號差

2、分放大后經(jīng)過二級放大得到一個穩(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 信號采集電路74.3 二級差分放大電路74.4 負(fù)電壓產(chǎn)生電路7五、系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析85.1 測試儀器85.2 相關(guān)測試數(shù)據(jù)85.3 測試結(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 信號采集 二級放大 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，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，絕對誤差不 大于4mm；分辨率為6mm時

9、，絕對誤差不大于3mm。（2）繪圖功能。能跟蹤表筆動作，并顯示繪圖軌跡。在A區(qū)內(nèi)畫三個直徑分別 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)算放大器放大信號并采集。 但信號變化甚微，為毫伏級，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。 根據(jù)要求精度，需24位的A/D，同時基準(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電阻時，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，由于電橋輸入信號小，需經(jīng)儀表放大器放大差模信號，抑制共模信號，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I/O口，但12個振蕩周期才執(zhí)行一個單周期指令，處理速度慢，只能滿足對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操作簡單，性價比和集成度較高。MSP430系列單片機(jī)能在8MHz晶體的驅(qū)動下，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)字信號處理的一些算法。MSP430集成了片內(nèi)精密比較器、多個具有PWM功能的定時器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時器、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是一個較為常見的三端穩(wěn)壓芯片使用簡單，電路較為簡潔，但是LM7805的轉(zhuǎn)換效率較低，會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系列是美國國家半導(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 信號采集 二級放大 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、信號采集、儀表放大器、二級差分放大、AD采樣、顯示等幾個部分。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；由雙橋精確測量電阻，并轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入二級差分放大電路（即實(shí)現(xiàn)信號采集），放大差模信號，抑制共模信號；A/D采樣電路則將輸出的干凈差

15、模信號，并多次測量取平均值；顯示模塊將測得的電壓信號轉(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 ，對經(jīng)兩級差分放大電路放大后的電壓信號進(jìn)行采樣；測得每點(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，多次測量取平均值，由于表筆與銅板接觸時力度不一，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，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 信號采集4.3 二級差分放大電路 前級放大由儀表放大器和一個外部電阻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。但輸出的差

17、模新號仍然很小，且由于電橋不平衡的原因，同時存在一定的差模信號，所以我們需要進(jìn)一步的放大差模信號，同時在第二級進(jìn)一步放大信號到單片機(jī)AD的最佳檢測范圍，由此可以得到一個變化幅度較大并且較為穩(wěn)定的信號。 圖4.3.1 二級差分放大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，抑制共模信號的作用，從而為后面信號采集做準(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)測試與數(shù)據(jù)分析5.1 測試儀器 （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)測試數(shù)據(jù) 表1 隨機(jī)測試坐標(biāo) 實(shí)際坐標(biāo)測得坐標(biāo)絕對誤差（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)測試Y=0IN114891834179515842159IN23211117396585IN318271635202923553435IN425272739258724991811Y=5IN112171675180324002365IN2643749536450594IN319362147235327432817IN4272128432831294532835.3 測試結(jié)果分析（1）、實(shí)測得坐標(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