测量方法与理论分析

G题　手写绘图板

一、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G-1所示。普通覆铜板尺寸为15 cm×10 cm，其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。覆铜板表面由参赛者自行绘制纵横坐标以及6 cm×4 cm(高精度区A)和12 cm×8 cm(一般精度区B)如图中两个虚线框所示。

图G-1　系统构成框图

二、要求

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10 mm， 绝对误差不大于5 mm。

2． 发挥部分

(1)进一步提高坐标分辨率至8 mm和6 mm；要求分辨率为8 mm时，绝对误差不大于4 mm；分辨率为6 mm时，绝对误差不大于3 mm。

(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20 mm，12 mm和8 mm不同直径的圆，并显示该圆；20 mm的圆要求能在10 s内完成，其他圆不要求完成时间。

(3)低功耗设计。功耗为总电流乘12 V；功耗越低得分越高。要求功耗等于或小于1.5 W。

(4)其他。如显示文字，提高坐标分辨率等。

三、说明

1． 必须使用普通的覆铜板

(1)不得更换其它高电阻率的材料。

(2)不得对铜箔表面进行改变电阻率的特殊镀层处理。

(3)覆铜板表面的刻度自行绘制，测试时以该刻度为准。

(4)考虑到绘制刻度影响测量，不要求表笔接触刻度线条时也具有正确检测能力。

2． 覆铜板到电路的连接应满足以下条件

(1)只有铜箔四角可连接到电路，除此之外不应有其他连接点(表笔触点除外)。

(2)不得使用任何额外传感装置。

3． 表笔可选用一般的万用表表笔4． 电源供电必须为单12 V供电 5． 基本要求除(5)外均在B区测，测分辨率和圆均在A区内测

四、评分标准

报　告　1

基本信息

一、设计方案比较和选择

1.放大电路的方案比较和选择

方案1：采用两级运算放大器对表笔采集的微弱信号进行放大，运算放大器采用的型号为OP07。通过Multisim仿真软件可以实现放大1000倍，但是在实际操作中有很多不理想的因素，会造成较大的误差，未采用。

方案2：采用两级运算放大器放大，前级采用仪表放大器AD620，后级采用AD8629。AD620是一款低成本、高精度的仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1～10000，且它具有高精度(最大线性度40 ppm)、低失调电压(最大50 μV)和低失调漂移(最大0.6 μV/℃)的优点。AD8629是单电源供电，具有超低失真、漂移和偏置电流的特性，用AD8629来做运算放大器电路的二级放大也非常合适。

方案3：采用HX711 A/D转换芯片。HX711是一款24 位 A/D 转换器芯片。利用HX711芯片不仅可以有效避免纹波和漂移，还可使放大后的电压值更利于A/D采集，且电路简洁，减少了整个系统的功耗，所以最终采用HX711做放大电路。电路原理如图G-1-1所示。

图G-1-1　HX711电路原理图

2.液晶显示方案比较和选择

方案1：利用2.4英寸TFTLCD。TFT LCD具有编程方便，易于扩展，内置专用驱动和控制IC(SPFD5408),无需外部缓存等优点。而且对于本题，TFT LCD可以提供很高的精度，可显示点阵数为240×320。但是，TFT LCD功耗较大，这是一个不小的弱点。

方案2：采用Nokia 5110 LCD。Nokia 5110 LCD提供48行84列输出，串行界面最高4.0 Mbits/s，CMOS兼容输入，接口少，编程简单，而且内置一块PCD8544低功耗CMOS LCD控制驱动器，无需缓存。经测试，Nokia 5110 LCD功耗很低，符合题意。

二、核心部件电路设计

1.关键器件性能分析

(1)A/D采集模块

A/D采集模块主要采用一款24位A/D转换器芯片HX711，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。该芯片输入选择开关可任意选取通道A或通道B，通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20 mV或±40 mV。通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。本作品选择通道A的128增益。该芯片工作电压范围为2.6～5.5 V，由于单片机的供电电压是5 V，为了不额外增加稳压电路，所以芯片工作电压也为5 V。而整个芯片的典型工作电流<1.6 mA,断电电流<1 μA,对于降低A/D采集模块甚至整个系统的功耗都有着极其重要的贡献。根据HX711的数据手册可以看到它的输入共模电压范围最小为AGND+1.2 V，最大为AVDD-1.3 V，考虑到芯片的供电电压为5 V，所以该芯片正常工作状态下的输入共模电压范围为1.2～3.7 V。当选择通道A增益为128时，输入零点漂移为0.1 mV，与采集到几毫伏的小信号相比，其影响可以忽略不计。增益为128时，芯片的输入共模信号抑制比能够达到100 dB，对于微弱信号的放大是非常适合的。

Iout=VrefR1+IAdj=1.25 VR1

10 mA≤Iout≤1.5 A图G-1-2　LM317恒流源电路原理图

(2)恒流源模块

为了判断表笔的位置，需要做一个恒流源。恒流源输出标准需要通过实际测试得出。通过稳压电源调出不同数量级的恒流接到覆铜板上，用毫伏表测量表笔尖与地的电压值，经过几次不断的尝试，发现恒流在100 mA左右比较适合，经过对比，为了快速获得100 mA数量级的恒流源，选用了LM317这款三端可调节输出正电压稳压器。电路原理如图G-1-2所示，取R1为10 Ω，利用公式有Iout=1.25 V/10 Ω，得出恒流电流为125 mA。

2.电路结构工作机理

在覆铜板上设置6个MOS管，其中4个MOS管的作用相当于开关，由单片机控制通断，用来切换覆铜板上电流的流向；2个MOS管用来提高笔尖接触电压，以满足HX711 对输入共模电压的要求。

覆铜板的表面有一层铜箔，可以看成阻值很小的电阻，让电阻通过恒定的电流，将表笔放在覆铜板上，在表笔尖与地之间就会形成一定的电压，移动表笔的位置，表笔尖与地之间的电压也会发生变化，电压通过A/D信号采集模块进行信号的放大采集，再经过单片机的处理就可以用来判断表笔的位置并在液晶屏上显示出来。电路结构工作机理如图G-1-3所示。

图G-1-3　电路结构工作机理示意图

3.电路实现调试测试

电路测试时需测量放大电路的放大倍数、A/D采集输出的稳定性及准确率。可用安捷伦精密数字万用表观测表笔每滑动1 cm出现的电压差，然后用普通万用表检测恒流源提供的电流。测试流程如图G-1-4所示。

图G-1-4　电路测试流程图

测试结果见表G-1-1。

表G-1-1　测试结果统计表　(单位：cm)

三、系统软件设计分析

1.系统整体工作流程

首先恒流源为覆铜板提供恒定电流，表笔接在覆铜板的不同位置，经HX711放大电压后，A/D会采集到不同的电压值，经A/D转换后的数字值输入单片机，由单片机判断触点具体在哪个位置，然后由液晶屏显示。具体流程见图G-1-5。

HX711

放大电压

值并完成

A/D转换主控

MCU采

集放大后

电压值主控MCU

进行数据

库校准找出触点

对应坐标

值液晶屏显示

触点位置

及坐标图G-1-5　系统整体工作流程图

图G-1-6　手写绘图板
程序流程图

2.关键模块程序设计

手写绘图板程序流程如图G-1-6所示，关键模块程序见网站。

四、竞赛工作环境条件

选题设计所使用的软、硬件开发平台主要有：

(1)编程条件：编程环境为CodeWarrior IDE，编程语言为C语言。

(2)显示设备：NOKIA 5110 LCD。

(3)主控芯片：MC9S12XS128。

(4)A/D转换及放大器：HX711 A/D转换芯片。

(5)测量仪器：安捷伦精密数字万用表、普通万用表、示波器。

五、作品成效总结分析

1.系统测试性能指标

作品基本满足题目要求，表笔接触覆铜板时能正确显示触点的具体位置并能正确显示坐标。作品功耗为0.96 W，满足题目要求。

2.成效得失对比分析

由于所采用的NOKIA 5110 LCD的分辨率没有很好地符合要求，表笔画出的圆在液晶屏上显示时有断点，是一缺憾。经过实际测量，发现A区的线性度明显优于B区，如果将A区与B区分开进行方位测定，可能会得到更好的结果。

3.创新特色总结展望

(1)本作品功耗很小，仅为0.96 W。

(2)采用4个MOS管切换电源电路，有效实现了表笔横纵两个方位值的测定。

六、参考资料

黄智伟.全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作.北京：北京航空航天大学出版社，2011

康华光.电子技术基础-模拟部分.北京：高等教育出版社，2006

康华光.电子技术基础-数字部分.北京：高等教育出版社，2006

张阳，等.MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发.北京：电子工业出版社，2011

郭天祥.51单片机C语言教程.北京:电子工业出版社,2009

报　告　2

基本信息

一、设计方案工作原理

本系统通过测量覆铜板上的阻值变化来定位触笔坐标，而阻值的测量则是通过向覆铜板中通入恒定电流，测量点与点间的电压来实现。该部分的主要难点在于，覆铜板的阻值极其微小，反映在电压的变化上同样也是很微弱的，能否精确测定该电压的变化是本系统优劣的关键。通过放大电路使采样所得的微弱电压放大至0～5 V，满足单片机的采样需求，从而进行系统程序的相关处理，得出相应坐标并于显示模块中绘制出坐标点。

二、核心部件电路设计

1.关键器件性能比较

(1)显示液晶屏比较

12864液晶屏：12864液晶屏具有4位/8位、2线/3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文汉字点阵液晶图形显示模块。其分辨率为128×64，接口简单，操作便捷，容易形成人机交互界面。低电压、低功耗也是其显著的特点之一。

TFT彩屏：TFT液晶屏为每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，所以TFT液晶屏的色彩更逼真。其分辨率为320×240，亮度好，对比度高，层次感强，颜色鲜艳。缺点是功耗高。

(2)运放参数比较

OP07：OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性(双电源)运算放大器。由于OP07具有非常低的输入失调电压(OP07A最大为25 μV)，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低(±2 nA)和开环增益高(300 V/mV)的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

INA129： INA129是低功耗、高精度的通用仪表放大器。通用的3运放设计体积小巧，应用范围广泛。输入电路即使在高增益条件下也可提供较高的带宽(G=100时为200 kHz)。单个外部电阻可实现从1～10 000的任意增益选择。

AD8629：AD8629是一款具有零漂移、单电源、轨至轨输入/输出的运算放大器，同时这款放大器具有超低失调、漂移和偏置电流的特性，可提供以前只有昂贵的自稳零或斩波稳定放大器才具有的特性优势。

(3)器件选择

为了获得较高分辨率及实现点的连续绘制，我们选择TFT彩屏作为显示模块。对于前级检测部分电路，由于所测PCB覆铜板上点与点间的电压极其微弱，要求所选的运放必须具有高精度、低失调的特性。通过选取不同运放进行多次试验比较，最终采用低功耗、高精度的通用仪表放大器INA129。后级运放则选用了零漂移、超低失调、轨至轨输入/输出运算放大器AD8629。经过两级的运放，PCB覆铜板上点与点间的微弱电压可放大调节到0～5 V，能够满足单片机采样需求。

2.电路结构工作机理

由LM317组成的恒流源模块向覆铜板注入恒定电流，通过两级运算放大电路将表笔触点与覆铜板顶点间的微弱电压信号放大至0～5 V，以满足单片机采样需求。对多次采样所得数据分析与处理，为后期的软件编程和显示其坐标点提供数据基础。

3.核心电路设计仿真

(1)恒流源模块

LM317恒流电路如图G-2-1所示，Vin脚接输入电压，Vout脚接一个电阻后为恒流输出，ADJ脚直接接到恒流输出，因为LM317里面有基准的1.25 V电压，这个电压在LM317里面有稳压措施，所以会一直保持不变，这个电压就在电阻的两端(OUT脚与ADJ脚)，电阻值恒定，电压恒定，因而流过电阻的电流就是恒定不变的。 此外，LM317还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。

图G-2-1　恒流源模块电路图

(2)放大电路模块

图G-2-2　放大电路模块电路图

电路如图G-2-2所示，第一级采用仪用放大器，它具有低失调电压且能够消除共模信号而放大差模信号的特性。为了使仪用放大器正常工作，要求它既能放大微伏级差模信号，同时又能抑制几伏的共模信号。第二级采用运放AD8629，这是一款具有零漂移、单电源、轨到轨输入/输出的运算放大器，同时它还具有超低失调、漂移和偏置电流特性。

(3)稳压模块

图G-2-3　稳压模块电路图

LM7805与ICL7660稳压电路主要是用于放大电路供电，其具有纹波小、噪声低等特性，可以减小放大回路中的噪声，提高放大精度。DC-DC模块主要用于为恒流源供电，其转换效率一般高达75%以上，从而减小系统功耗。

(4)覆铜板电流输入模块

如图G-2-4所示，通过单片机实现Q1、Q2、Q3、Q4的通断，当Q1、Q3导通而Q2、Q4截止，以a→b为方向进行恒流输入，A/D采样获得的值为x轴方向上值的变化；当电流以c→d为方向恒定输入时，A/D采样值为y轴方向上的变化值。

图G-2-4　覆铜板电流输入模块电路图

三、软件系统设计

控制单片机采用飞思卡尔公司生产的MC9S12XS128微处理器。该款单片机由16位中央处理单元、128KB程序Flash、8KB RAM、8KB数据Flash组成片内存储器。同时还包括2个异步串行通信接口(SCI)，1个串行外设接口(SPI)，1个8通道输入捕捉/输出比较(IC/OC)定时器模块(TIM)，1个16通道12位A/D转换器(ADC)，1个8通道脉冲宽度调制模块(PWM)，以及91个独立的数字I/O口，具有中断和唤醒功能。

1.程序总体框图(见图G-2-5)

图G-2-5　系统整体框图

图G-2-6　检测电路框图

图G-2-7　单片机显示程序框图

2.各模块功能框图

(1)检测模块(见图G-2-6)

(2)控制显示模块(见图G-2-7)

在整个程序设计完成的过程中，结合采样电路(如采样的精度和稳定性)，对单片机A/D采样速率进行了多次测试，最终选择50Hz的采样速率，并对采样值进行均值滤波处理，剔除由于电压突变带来的无效值，保证了单片机在屏幕显示点的稳定和高效。

四、系统测试与数据分析

1.测试仪器与设备(见表G-2-1)

表G-2-1　使用的仪器与设备

2.数据获取与分析

图G-2-8　手写板坐标数据处理

(1)坐标轴上的数据处理

如图G-2-8所示，当以a→b为方向进行恒流输入时，接触点到b点的电压值经A/D采样得x0；当以c→d为方向进行恒流输入时，接触点到d点的电压值经A/D采样得y0，因而每用表笔接触一个点，便可获得坐标(x0，y0)。在y轴上采样多组y0数据并与对应坐标轴上的值y1比较，通过拟合函数获取y0与y1的近似关系。同理，采用同样的方法获取x轴上x0与x1的近似关系函数。

(2)PCB覆铜板采样点数据获取中断服务程序

详细内容参见网站。

3.功率测试

(1)电源电压：U=12 V。

(2)系统总电流：I= 0.12 A。

(3)总消耗功率：P=U×I=1.44 W。

五、成效得失

整个系统的设计与实现能满足赛题要求，可以对表笔的接触做出定位并显示坐标(在题目给出的误差范围内)。在基础的功能上，还实现了对表笔的跟踪功能，使其能够实时显示表笔的位置和经过的路径，这为显示汉字和特殊图形提供了可能性。

采集电压的不稳定性给单片机的A/D采样带来了极大的困难，虽然在稳定信号电压的工作上做了大量的努力，也带来了一定的成果，但是不可否认的是信号电压仍然存在波动。后来采用线性稳压方式，电压的波动有了很大的改善，能满足采样的要求。A/D的位数也对采样的精度产生了一定限制。

六、参考资料

黄智伟.全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作.北京：北京航空航天大学出版社，2011

张阳，等.MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发.北京：电子工业出版社，2011

(日)马场清太郎，等.运算放大器应用电路设计.何希才，译.北京：科学出版社，2007

康华光.电子技术基础：模拟部分.北京：高等教育出版社，2006

康华光.电子技术基础：数字部分.北京：高等教育出版社，2006

报　告　3

基本信息

一、系统结构及工作原理

本系统主要由DC-DC模块、PCB覆铜板检测模块、信号源产生模块、小信号放大模块、峰值检波模块、多路12-bit A/D采样模块、MSP430单片机控制模块、TFT彩屏显示模块组成。系统总体框图如图G-3-1所示。

图G-3-1　系统总体框图

为确定表笔接触PCB覆铜板的位置，将表笔作为激励源，激励信号会在整个PCB覆铜板上产生电信号响应。根据电磁场理论，在给定的信号激励下，长方形覆铜板的四角的响应与表笔接触点的位置存在一定的数学关系。本设计由此着手，在给定激励下测量四角响应信号，推导还原出触点的位置。

首先，激励信号源经过放大电路，达到适合的理想幅度，并与表笔相连。使用表笔接触PCB覆铜板，在覆铜板的四角引出小信号响应。再将此小信号放大，通过检波电路送至单片机进行A/D采样及数据处理。最终，单片机显示还原出的表笔接触点信息。

二、技术方案分析

1.PCB覆铜板的论证与选择

方案1：给覆铜板加恒流源激励，通过计算板上各表笔接触点到四角的阻值来判断其所在象限以及坐标位置。实测发现PCB板的电阻在10-3Ω级别，在测量精度范围内无法辨别阻值差别，且表笔的放置位置、引线的长短都会影响到测量精度。

方案2：正反两次在PCB板对角加直流小电压。根据电场理论，两组独立电压能够唯一确定触点的二维坐标。实际测量中，在直流电压激励下，板上各点电势无明显差别，PCB覆铜板近似可以看作等势面，现有的A/D难以做到高精度检测。

方案3：在方案2思路的基础上，考虑增大PCB板的阻抗，采用高频正弦信号激励。利用PCB板的高频电容效应，将其四角串接限流电阻引出并接至地，用11 MHz单一频率正弦波接万用表表笔去激励PCB各点，通过比较四角信号输出幅度来确定各点坐标。实测发现不同点峰值差别较大。

综合以上3种方案，选择方案3。

2.信号源产生模块的论证与选择

方案1：根据直接数字合成(DDS)原理，利用FPGA产生周期变化的正弦值，经D/A转换成正弦模拟电压。优点：运算速度快，编程简单；缺点：模块多，功耗大。

方案2：使用AD9850 DDS芯片产生0～1 V单极性正弦波，经过隔直流、放大后产生双极性高频正弦激励信号。优点：波形稳定；缺点：信号需经过调理。

方案3：用模拟电路产生信号源。利用压控振荡器VCO产生一个高频正弦信号。优点：电路简单，功耗低；缺点：频率不易控制，不稳定，产生的正弦激励信号十分微弱，且有一个直流偏置，处理较为复杂。

综合以上3种方案，选择方案2。

3.峰值检波模块的论证与选择

方案1：使用宽带放大器与二极管组成高频峰值检波电路。优点：检测结果准确；缺点：有源器件的使用会增加功耗。

方案2：使用肖特基二极管与电容搭建分立元件峰值检波电路。优点：肖特基二极管可以工作在比较高的频率下，且无源器件可以降低整个系统的功耗；缺点：二极管的PN结会产生0.4 V左右的电压，且该电压随温度漂移，会造成一定的误差，但可以使用软件校准。

综合考虑，采用方案2。

4.电源模块的论证与选择

图G-3-2　覆铜板测试示意图

方案1：使用单电源供电，用一片LM7805将+12 V电源降至+5 V。优点：供电电压获取简单；缺点：放大器各级需加直流偏置，信号峰峰值有限，大压差可能导致电源使用效率降低。

方案2：采用集成DC-DC模块将+12 V转换成±5 V。

综合考虑，采用方案2。

三、功能指标实现方法

用11 MHz的交流信号激励PCB覆铜板，测量四个角的响应电压峰值。将PCB覆铜板划分为7×5的区域小格，如图G-3-2所示。对每一个小格进行激励，然后将四个角测得的数据利用Matlab作图进行观察，得到了如图G-3-3所示的电势图(纵坐标z轴单位为mV，横坐标平面表示覆铜板平面)。

(a)　　(b)

(c)　　(d)图G-3-3　PCB覆铜板对不同位置激励点的响应分布

由图G-3-4可以看出，PCB板四角的电信号响应满足一定规律的分布，因此可以用来判定接触点的物理坐标。这就是本方案实现功能指标的基础。

四、核心部件电路设计

系统的整体电路如图G-3-4所示。

图G-3-4　系统整体电路

1.激励信号源放大

DDS指直接数字式频率合成器。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。其内部含有正弦计算器，可以通过查表法快速产生稳定的单一频率的单极性正弦波。

所用的DDS芯片AD9850理论上可以输出1 V峰峰值的正弦波。由于电路布线原因，在高频信号输出时，在实验环境下测量到的输出值有明显衰减，必须放大到设计的稳定幅度才能作为激励源。

THS3091是高输出电压、低失真的电流反馈运算放大器。其具有的特点是：高带宽(210 MHz，G=2，RL=100 Ω)；高输出驱动电流(250 mA)；低失真、低噪声；高供电电源(范围为5～15 V)；信号从同相端输入，增益为1+1 000/50=21倍。使用THS3091将信号源信号放大至2 V峰-峰值。放大电路如图G-3-5所示。

图G-3-5　THS3091激励源放大电路

2.PCB覆铜板检测

PCB板在高频信号下有电容效应，整个检测电路相当于RC滤波网络。将PCB板等效为一个若干电阻R和电容C串、并联组成的RC网络，若将PCB覆铜板的不同点作为网络的入口，即对应不同的传递函数H(f)，在其上加上某一频率的激励，就会在PCB覆铜板的四个角产生不同的响应值。因此，可以利用这四个不同的响应来判断激励所处的位置。

如果将高频正弦信号激励下的PCB覆铜板等效为一个具有阻抗Z=R+jX的负载，那么可以简化等效为一个如图G-3-6所示的电路。

由此可见，检测电阻值可以很小。因此选用1 Ω电阻作为检测电阻，如图G-3-7所示。

图G-3-6　PCB覆铜板等效电路　　图G-3-7　PCB覆铜板信号采样子系统框图

3.小信号放大电路

图G-3-8　PCB覆铜板检测信号放大
子系统电路图

TI公司的OPA656是一种JFET高速运放，其特点是：高带宽稳定增益(500 MHz，G=1)；高压摆率(290 V/μs, G=2)；低失真、低噪声；信号从同相端输入，增益为1+1550/47=33.9倍。

用高频信号去激励PCB板上各点，四角的输出信号峰峰值范围约为100～130 mV。为了提高精度，便于A/D采样，需将采集到的小信号放大至3 V峰峰值左右。采用OPA656，在带宽和增益等参数上可以满足要求。放大电路如图G-3-8所示。

4.峰值检波电路

1N5819肖特基二极管是一种低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向导通电压仅0.4 V左右，而整流电流却可达到几千毫安。利用其进行峰值检波，既能检测100 Hz的低频信号又能检测20 MHz的高频信号。8050三极管是一种常见的晶体NPN三极管，适用于高频电路。在本模块中可以控制电容的快速放电。

5.A/D采样模块

A/D模块采用MSP430F1611芯片中自带的ADC12模块。ADC12是一个精度为12位的ADC内核，其特点是：1位非线性微分误差，1位非线性积分误差，16 bit转换缓存，最高200 kbps 采样速率，多路模拟输入(8路外部信号输入，4路内部信号输入)。

6.电源模块

题目要求使用单电源供电，而系统中大多数有源器件工作在双电源状态下。因此采用DC-DC模块将+12 V供电电源转变成±5 V。

7.抗干扰处理

本系统采用11 MHz高频正弦波激励，为降低噪声干扰，采用了以下措施。首先，系统尽量采用印制板，元件尽量排布紧凑，连线尽量短，设置合理线宽实现阻抗匹配，元器件尽量采用表贴封装。其次，系统用铜柱与桌面隔离，尽量降低环境因素的影响。最后，对表笔进行打磨处理，使其尖端呈球形，以减少电磁波向空间的辐射。

五、系统软件设计分析

1.系统程序流程

本系统软件部分基于MSP430F1611平台，主要完成A/D采样、彩屏坐标绘制、PCB触点定位、PCB触点轨迹跟踪功能。系统的总体流程如图G-3-9所示。

图G-3-9　系统流程图

首先初始化外设模块和片上A/D采样，包括TFT液晶屏初始化、AD9850初始化、中断模式选择和A/D采样通道及采样模式设置等。随后在TFT液晶屏上绘制基本界面，启动DDS(AD9850)并使能中断、启动A/D。这时，系统已进入工作状态。

A/D模块每隔固定的时间请求一次中断，在中断的时间内，进行四路多次采样并对每一路采集到的多个数据进行均值滤波。采集完成后退出中断。MCU根据采样得到的模拟电压值，结合相关理论倒推出表笔与PCB板接触点的物理坐标，并在TFT液晶屏上绘制出图形。随后，主程序使能A/D中断，循环以上过程。

2.关键代码及注释

详细内容参见网站。

六、参考资料

楼钢,李伟,邓学博.小信号放大电路设计.浙江理工大学学报,2007(6):661-664

许兴明,李莉.一种大电容测量中模拟小信号放大电路的设计.电子测量技术,2012(10):41-45

殷铸灵,许良军.小信号放大电路的噪声分析.机电元件,2011(6):18-21

陈龙,邓先灿,孙麒.基于MSP430单片机的多路数据采集系统的设计.现代电子技术,2006(20):107-112

报　告　4

基本信息

一、设计方案工作原理

本系统主要由微弱信号处理电路、电源以及数据采集、显示等模块组成，通过电路测量表笔与铜箔的接触，测量触点位置，实现手写绘图板功能。

1.电源模块的论证与选择

方案1：利用电阻和三极管制成2个恒流源，由12 V直流供电，但是由于电路本身有一些不可避免的误差会导致漂移的产生，因此电路会有一定的不稳定性，但是电路易于实现。

方案2：利用高精度、低功耗、低噪声的XC6206P332PR芯片将直流12 V降至3.3 V，以用作单片机的电源，电路简单易于实现。利用高性能的LM134芯片和电阻、二极管构成恒流源，提供恒流输出。

综合以上3种方案，选择方案2。

2.数据采集、显示模块的论证与选择

方案1：利用仪表放大器AD620将铜箔的微弱电压信号放大到一定倍数后，通过C51单片机对已放大信号进行A/D采样，再把采样后的信号进行处理并与液晶显示器相适应，从而实现显示输出，但所测信号存在一定误差。

图G-4-1　四桥电路

方案2：在覆铜板四角各接一精密电阻(120 Ω)，把覆铜板与四只精密电阻连接成四路电桥，如图G-4-1所示。当表笔(恒流源)点在任意一点时，唯一对应着回路的不平衡值，据这一特性，在覆铜板上做x、y坐标，一一标定坐标上的点的不平衡电压，通过曲线整合到单片机中，在实际测量时通过查表法得到精确位置。C8051F350单片机具有24位A/D采样器，自带的最大128位放大器具有较强的抗干扰能力，四路桥路差分信号在该单片机中进行差分放大采样和A/D转换。通过C8051F350的SPI接口接LCD显示基本信息。

综合以上3种方案，选择方案2。

3.坐标点的计算

如图G-4-2所示，在覆铜板上做x、y坐标，一一标定坐标上的点的不平衡电压，通过曲线整合到单片机中，在实际测量时通过查表法得到精确位置。

图G-4-2　位置示意图图G-4-3　系统总体框图

二、核心部件电路设计

系统总体设计框图如图G-4-3所示。核心电路设计仿真如图G-4-4、G-4-5、G-4-6所示。

图G-4-4　数据采集、显示模块设计

图G-4-5　复位电路、AD参考电压、单片机电源退耦设计

图G-4-6　单片机电源和恒流输出设计

三、系统软件设计分析

1.系统总体工作流程(见图G-4-7)

图G-4-7　系统主程序流程图

2.主要模块程序设计

(1)数据采集子程序流程图(见图G-4-8)

图G-4-8　数据采集子程序流程图

(2)显示子程序流程图(见图G-4-9)

图G-4-9　显示子程序流程图

三、竞赛工作环境条件

1.设计分析软件环境

Proteus 软件，Protel 软件。

2.仪器设备硬件平台

高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表，函数信号发生器。

3.配套加工安装条件

刻板机，电烙铁，焊锡。

四、作品成效总结分析

1.系统测试性能指标

(1)不同分辨率下所测坐标值的绝对误差

① 进行基本功能测试，将表笔置于覆铜板上任一点，测试数据如表G-4-1所示。

表G-4-1　测试数据(一)

② 在A区用10 mm的分辨率测试坐标值的绝对误差，取10个测试点，测试数据如表G-4-2所示。

表G-4-2　测试数据(二)

(2)给定输入电压下所获得的输出功率(见表G-4-3)

表G-4-3　测试数据(三)

2.成效得失对比分析

(1)手写绘图板可以在不同分辨率下较精确地实现触点的位置显示。

(2)手写绘图板系统电路具有低功耗的特点，在输入电压为12 V的条件下，输出功率只有0.684 W。

五、参考资料

XC6206P332PR.TOREX芯片说明书

LM134.LINEAR数据手册

AD620.ANALOG DEVICES数据手册

冯宝林,汪应涛.基于C8051F350恒流源精度分析.科技资讯,2012,29:121-122

潘强,李和平.差分放大器的误差分析.海军工程大学学报,2002,14(2):63-66

徐家喜.基于单片机C8051F350电阻测量系统的设计与实现.南京晓庄学院学报, 2012.6(11):85-88

LM385.爱森美半导体数据手册

C8051F350低功耗衡器方案,新华龙电子有限公司

报　告　5

基本信息

一、设计方案比较与选择

1.供电电源的比较与选择

方案1：利用单电源供电。此方案不需要电平变换和扩流电路，但需要加偏置电路和电平搬移电路，这会大大增加电路的复杂度，且单电源供电不利于增大共模抑制比，对于前级小信号的放大不利。

方案2：利用双电源供电。此方案需要加入电平变换和扩流电路。电平变换将+12 V的输入电源变换成相对于地线的-5 V和+7 V的直流电源，再通过推挽输出以扩流。

综上所述，单电源供电有电路结构复杂和精度低两大缺点，故选方案2。

2.前级x-y方向信道切换器件的比较与选择

方案1：模拟开关。模拟开关的最大可通过电流只有20 mA左右，为了使测量精度更高，应当使恒流源的电流尽可能大，而模拟开关的20 mA的电流只能使仪表放大器前级获得几十微伏的电压，这个电压量级对于前级放大来说过小。

方案2：采用继电器。继电器有可通过电流大且电阻小的特点。选用继电器可使前级的小信号更大，进而提高测量的精度，但是前级需要不断地改变信道，而继电器需要不断地跳变以达到测量X和Y两方向的目的，这样就会产生很大的电磁干扰，从而影响前级微弱的小信号。

方案3：采用继电器和光电耦合器。基于上面两种方案的分析，为了减小继电器对前级的影响，使用光电耦合器件隔离继电器与小信号通路，这样就可以获得大电流、小干扰的信道切换电路。方案虽然较复杂，但解决了前两个方案的问题，所以选择方案3。

3.系统结构

根据以上方案讨论，硬件系统框图如图G-5-1所示。

二、测量方法与理论分析

1.测量方法

根据覆铜板的技术特点，其电阻值是mΩ数量级，如用常用的两线制测量方法，精度无法满足要求，而采用恒流注入和开尔文四线制电阻测量方法，可消除测量过程中的引线和连接电阻误差。本方案采用覆铜板四脚接入测量方法，如图G-5-2所示，此方法可使覆铜板上的电势对称，在高精度区覆铜板上沿着X、Y方向的电压近似与距离成线性，这样A/D测量的数据可以较精确地反映表笔位置。

　　　　图G-5-2　四脚接入测量接法

图G-5-3　电阻屏测量原理图

利用测量电压值确定表笔在覆铜板上位置的方法如图G-5-3所示。当表笔接触到覆铜板时，在Y+,Y-通入恒流源，Y+此时为高电势，Y-此时为低电势，由于覆铜板上铜的近似均匀分布，此时覆铜板上的等势线平行于X轴分布，故可以从X+或X-引出点读出接触点Y方向上的电压，则Y方向的接触位置与其电压成比例关系，从而可求出Y方向的接触位置。同理可求出X方向上的位置。

2.误差分析

由于PCB板阻值为mΩ数量级，注入100 mA电流后其电压只有几十微伏，因此硬件电路采用低噪声、低温漂的仪表放大器做前置放大；其次，整个电源供电采用线性电源，以尽可能减小噪声；另外，用光耦隔离方法驱动继电器并用12 V电源供电，以减小电流功耗及相应电磁干扰。

三、电路设计与实现

1.电源模块

输入+12 V时，通过LM358运放构成负反馈网络，使得3脚零电平，通过R1,R2分压得到-5 V和+7 V，再通过Q1和Q2的推挽输出以达到足够大的输出电流。电源转换电路如图G-5-4所示。

图G-5-4　电源模块电路图

2.X和Y方向切换模块

TLP521是光电耦合器件，加入Q3可以增大电流，RES1和-5 V电压可以产生近似12 V的电压，以驱动继电器。电路如图G-5-5所示。

图G-5-5　X和Y方向切换模块电路图

3.仪表放大器及输入抗干扰网络

图G-5-6为仪表放大器及输入抗干扰网络电路图，R8的电阻为100 Ω,前置仪表放大器的放大倍数为500倍。

C38抑制交流差模信号，R29和C39是基本积分电路，可以抑制交流共模信号。利用此网络，可以极大地抑制前级的交流噪声，使测量结果更精确。

　　　　图G-5-6　仪表放大器及抗干扰网络电路图

4.系统硬件

系统硬件电路如图G-5-7所示。

图G-5-7　系统硬件电路图

四、软件设计与实现

软件流程如图G-5-8所示。

图G-5-8　软件流程图

五、测试数据和结果分析

按照题目设计要求来测试，外接+12 V电源。

(1)表笔接触覆铜板时，显示接触；表笔不接触覆铜板，显示不接触。

(2)将表笔在覆铜板上移动，显示纵坐标的左右位置，并记录数据。

(3)将表笔在覆铜板上移动，显示表笔在四象限上的位置。

(4)将表笔在覆铜板上移动，显示表笔触点的坐标。

测试数据如表G-5-1所示。

表G-5-1　位置测试数据

六、总结

本系统以高性能、低能耗的STM32F103ZET6芯片作为系统CPU，通过恒流注入和开尔文电阻测量方法来精确定位触点坐标位置。但是由于时间限制，发挥部分没有完成，在测量精度和功耗上还有可以改进和提高的余地。

七、参考资料

全国大学生电子设计竞赛组委会.2011年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京：北京理工大学出版社，2012

张友德，等.单片微型机原理及应用.上海：复旦大学出版社，2000

汤钰鹏，等.51系列单片机应用及其接口技术.北京：人民邮电出版社，2003

徐飞，等.单片机接口技术及应用.陕西电子编辑部，1990

黄智伟，等.32位微控制器系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，2010

Luminary Micro,Inc.LM3S3748 Microcontroller DATA SHEET.ARM Limited Corp，2008

ARM.Cortes-M3 Technical Referonce Manual，2005，ARM Limited Corp

Luminary Micro,Inc.Stellaris Peripheral Driver Library USER’S GUIDE.ARM Limited Corp，2008

谭浩强.C程序设计.北京：清华大学出版社，1991

陈康才.电阻式触摸屏两点触摸原理.科学技术与工程，2012

崔如春.电阻式触摸屏的坐标定位与笔画处理技术.仪表技术与传感器，2004

报　告　6

基本信息

一、设计方案工作原理

1.各模块设计方案论证与选择

(1)接触点位置检测方案论证与选择

方案1：恒流法。通过自制一个恒流源，用较大的电流流过电阻，表笔接触不同位置时电压值不同，以此为依据判断坐标值。由于覆铜板电阻很小，只有0.2 Ω左右，相当于导线的阻值，即使在较大电流下，测试笔位置的移动电压的变化亦不明显。该方案虽然结构简单，控制方便，但是需要较大电流，且稳定的恒流源制作不易实现。

方案2：电桥法。由于惠更斯电桥可精密测量电阻，而覆铜板电阻较小，因此可通过检测电桥输出等效测量电阻进而判断位置。经试验，电桥法测量简单，易操作，但是阻值的变化较小，分辨率较低。

方案3：由于金属导电具有趋肤效应，尤其是高频信号在传输过程中衰减很大。当在覆铜板两端加高频信号时，覆铜板不同位置对高频信号的衰减程度明显不同，可通过测试衰减电压确定表笔接触位置。该方案中覆铜板不同位置的电压变化明显，分辨率较高。

综上所述，选择方案3。

(2)信号检测电路方案论证与选择

方案1：利用峰值检测电路测量放大后的接触点处电压信号，由于前级放大产生的为高频信号，该方案中峰值检测电路带宽较窄，且测量精度较低，难以达到要求。

方案2：利用高精度有效值检测芯片AD637检测放大后的电压信号。AD637在输入电压有效值大于1 V的情况下，带宽可达到8 MHz,且精度较高，可以满足要求。

综上所述，选择方案2。

(3)切换电路方案论证与选择

方案1：利用光耦元件AQY210作为开关器件，控制覆铜板所加电压方向。该方案中光耦元件AQY210的电阻较大，电压较大，影响覆铜板表面的电压变化范围。

方案2：利用继电器HK19F-DC作为开关器件，控制覆铜板所加电压方向。该方案中继电器电阻较小，可较好地反映覆铜板表面的电压。

综上所述，选择方案2。

2.系统总体框图

系统总体框图如图G-6-1所示。

3.功能指标实现方法

当高频信号加在覆铜板两端，覆铜板不同位置对所加电压信号的衰减程度不同，根据检测电压值的大小来判断表笔所在位置。按一定规律测试不同位置电压值，利用Matlab软件处理所得数据，确定有无上下、左右临界电压，区分四个象限。同时绘制覆铜板表面电势分布图，并得出电势与位置的函数关系，根据所测电势求出位置,确定所测位置坐标。测试过程中，多次测量可使得函数关系式更为准确，从而提高分辨率。同时，采用低功耗单片机以及低功耗芯片来减少功耗。

二、电路理论分析与计算

1.前级放大电路

由于DDS产生的高频信号幅值只有500 mV左右，而驱动需要较大的电压，所以需要放大电路，放大电路如图G-6-2所示。

采用宽带放大器AD811与电位器构成同相放大电路，增益为

AV=1+R3/R2

同时为了减少电路干扰，分别在正、负电源端并接0.1 μF去耦电容。

2.后级放大电路

由于前级产生的信号为高频信号，而有效值检测芯片AD637在输入电压有效值大于1 V的情况下才能保证带宽为8 MHz, 铜板输出电压仅为几十到几百毫伏，因此需要通过放大电路对这一微弱信号进行放大，放大电路见图G-6-2。

3.有效值检测电路

为了得到单片机可以接收到的信号，并且能够较精确地得到覆铜板接触点处电压，采用高精度有效值测试芯片AD637测量所需电压。有效值检测电路如图G-6-3所示。

图G-6-2　放大电路电路图

图G-6-3　有效值检测电路电路图

4.切换电路

为了确定表笔接触点的位置坐标值，需在两个方向分别采集电压，因此需要通过继电器切换覆铜板所加电压信号，切换电路如图G-6-4所示。

当控制电压为3.3 V时，继电器吸合，常开触点接通高频信号，继电器中心触点输出高频电压信号到覆铜板接线端；当控制电压约为0 V时，继电器恢复常态，常闭触点经中心触点将测量输入端接地，与覆铜板的连接示意图如图G-6-5所示。

图G-6-4　切换电路电路图图G-6-5　覆铜板接线示意图

图G-6-6　系统软件流程图

5.电源转换电路

题目要求为单12 V电源供电，而本方案中的单片机和所有电路均为+5 V或±5 V电压供电，为了达到题目要求，我们使用集成电源模块将单12 V电压转换成±5 V电压。

三、系统软件设计

系统软件流程图如图G-6-6所示。

单片机定时产生继电器控制信号从而切换电压采集方向，对A/D采样数据进行处理得出覆铜板表面电压值，分析数据得出表笔与覆铜板接触位置，计算出接触点坐标，并在液晶显示屏上进行显示。同时在按键按下后，单片机控制点亮液晶屏上表笔坐标所对应的像素点，跟踪外部表笔轨迹画圆。

在坐标判断中，先通过大量实验测出原点坐标的电压值。采集的数据经处理后，与原点电压值进行比较，先判断左右，再判断上下，并在液晶显示屏上显示出来。

左右、上下的电压值与横坐标、纵坐标值一一对应，在画圆过程中，我们也将液晶屏的像素点与电压值、坐标值相对应，表笔接触不同的位置，液晶点亮相应的像素点，从而实现跟踪画图。

系统部分源程序参见网站。

四、系统测试及数据分析

1.设计分析软件

覆铜板表面的电压值与坐标值不是完全的线性关系，通过测量大量的数据，利用Matlab进行曲线拟合，得出电压与坐标值对应的关系。

2.测试仪器

(1)直流稳压源：YB1732A 3A。

(2)数字万用表：UNI-T UT802。

(3)数字示波器：FLUKE 196C，带宽为100 MHz，采样率为1 GS/s。

(4)数字合成函数信号发生器/计数器：SPF20A。

3.测试方案及数据

(1)触点位置测试

测试方案：把表笔放在覆铜板的不同位置，在LCD显示屏上观察显示数据。触点位置检测数据如表G-6-1所示。

表G-6-1　触点位置检测数据

(2)功耗测试

测试方案：在电路中串联电流表，测得电流，再根据功率计算公式

P=UI

计算得出。经测试，当供电电源为12 V时，电流为0.10 A，计算得出功率为1.2 W,小于1.5 W,达到低功耗要求。

五、作品成效总结分析

1.系统测试性能指标

系统能通过指示灯准确灵敏指示表笔接触并能正确显示触点坐标，局部区域分辨率可达到6 mm，且具有跟踪绘图的功能，功耗小于1.5 W。

2.创新特色总结与展望

系统整体性能较好，基本上达到了题目的要求。但该系统在触点电压测试方面还存在一定的误差，可通过软件补偿来减小误差，如果有充裕的时间，可增加写字功能。

在低功耗设计方面，关闭单片机LCD背光灯，电流将会减小0.02 A。用晶振等器件代替DDS产生高频正弦波，可以大大降低正弦波产生阶段的功耗，电流又可减小0.03 A。总体电流将减小至0.08 A，功耗为0.96 W，达到低功耗要求。

由于覆铜板厚度不均，铜板引出线位置不对称等原因，在覆铜板上采集到的电压线性度略微不好，可采用Matlab软件对采集数据进行分析处理，进行线性拟合，可实现更高的精度。

六、参考资料

康华光.电子技术基础：模拟部分.北京：高等教育出版社，2006

康华光.电子技术基础：数字部分.北京：高等教育出版社，2006

全国大学生电子设计竞赛组委会.2007年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京：北京理工大学出版社，2007

谭浩强.C程序设计.3版.北京：清华大学出版社，2005

报　告　7

基本信息

一、设计方案分析比较与选择

1.总体方案比较与选择

方案1：在PCB覆铜板的上方接1 A恒流源(恒流源分为两种：线性恒流源和开关恒流源，我们选用的是开关恒流源)，下方接地，此时覆铜板上就会有电流流过。当表笔接触覆铜板时，随着表笔的移动，表笔与接地端的电阻会不断变化，电阻越大，压差越大。因此，通过测量表笔与地之间电阻的反馈电压，再经过转换电路送到处理器，可运算转化为屏幕上的y值。同理，在PCB板右侧接500 mA恒流源，左侧接地，算出x值并呈现在屏幕上。

方案2：在PCB覆铜板四角焊上电极，使电导体内形成交流电场。当表笔接触覆铜板时，表笔与导体层之间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与表笔到电极的距离成反比，然后计算出电流的比例及强弱，即可准确算出表笔的位置。

对两个方案进行对比，方案1所受条件限制少，方案2调试过程复杂，综合考虑，选择方案1。

2.主控制器方案比较与选择

方案1：采用51系列加强型STC12C5A60S2作为主控器件，用来实现题目所要求的各种功能。此方案最大的特点是系统规模可以做得很小，成本较低，操作控制简单。但是，我们在利用单片机处理高速信号快速扫描及存储图形时显得吃力，且题目中要求坐标识别精度≤10 mm，并尽可能地提高系统分辨率，51系列单片机很难实现这一要求。

方案2：采用AVR嵌入式微处理器。AVR支持Thumb(16位)/AVR(32位)双指令集，支持Debug调试，采用增强型乘法处理器，内含嵌入式ICE宏单元，能很好地兼容8位/16位器件。大量使用寄存器，内核耗电少，指令执行速度快，寻址方式灵活，执行率高，且成本低。

综合比较以上两个方案，方案1精度不高，而方案2成本低，精度高，所以选择方案2。

3.液晶模块方案比较与选择

方案1：采用OLED12864液晶模块。OLED12864 是 128×64行点阵的OLED 单色、字符、图形显示模块。模块内藏 64×64 的显示数据RAM，其中的每位数据都对应于 OLED 屏上一个点的亮、暗状态;其接口电路和操作指令简单，具有 8 位并行数据接口，读写时序适配 6800 系列时序强大的显示功能。

方案2：采用FYD12864J5-0402B液晶模块。FYD12864J5-0402B具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为128×64。该模块接口方式灵活、简单、方便，低电压、低功耗，并且可以完成图形显示。

通过对两个方案的比较，方案2的硬件结构和显示程序简单，且价格低，所以选择方案2。

二、系统结构工作原理

系统结构由恒定电流源、运算放大器、模数转换、LCD显示屏和AVR嵌入式微处理器组成系统结构框图如图G-7-1所示。

图G-7-1　系统结构框图

1.微弱信号放大分析

由于输入电流源为500 mA，因此表笔采集的电压数量级极低。对这些能量过于微弱的信号，既无法直接显示，也很难作进一步分析处理。所以，我们需要在采集数据后加入差分放大器，对微弱信号进行放大。

2.电压转换分析

单片机需要+5 V供电电压，差分运放需要正、负供电电源，而题目要求输入为12 V单电源，所以需要在电路中加入电压转换电路。本设计采用了LM2596单片集成电路，将12 V单电源转换成所需供电电压。LM2596是一个可以提供各种降压调节功能的单片集成电路，能够输出3 A的驱动电流，同时有很好的线性和负载调节特性。

3.模数转换分析

表笔采集到的为模拟信号，而单片机输入为数字信号，所以需要采用模数转换，模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。采样速率一般取fS=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度tw是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。本设计采用ADS1110，16位带有片内电压基准的模/数转换器，将模拟信号转换为数字信号。本设计的模数转换精度较高，达到了题目的精度要求。

三、功能指标实现方法

硬件部分采用多点电压值测量法、矩阵式实测值测量法，在滤波部分分别采用数字滤波与模拟的低通滤波。软件部分采用插值法测量数据。

四、电路结构工作机理

电路结构的基本原理是采用了x,y方向定位的恒流源测电阻法。系统主板主要由12 V电源模块、按键部分、液晶显示模块、AVR MEGA16最小系统板以及AVR嵌入式微处理器为核心控制模块。其主要的几个部分介绍如下。

(1)恒流源电路

图G-7-2　恒流源电路图

恒流源是输出电流保持不变的电流源，不因负载变化而变化，不因环境温度变化而变化，内阻无限大，如图G-7-2所示。

(2)主控板电路

AVR MEGA16控制电路通过改变电流值，增强表笔与接触点的压差，从而提高测量的分辨率。

五、关键电路驱动接口

AVR嵌入式微处理器驱动接口如图G-7-3所示。

图G-7-3　AVR嵌入式微处理器驱动接口

六、软件工作流程

软件工作流程如图G-7-4所示，程序清单参见网站。

图G-7-4　软件工作流程图

七、系统测试性能指标

当表笔接触铜箔表面，能在显示屏上正确显示触点位于纵坐标的位置、触点四象限位置，并能准确显示触点的坐标值。坐标分辨率由原先的10 mm提高到6～8 mm,绝对误差不大于4 mm。当表笔在PCB板上移动时，系统能跟踪表笔动作，10 s内快速画出直径为20 cm、12 cm、8 cm的圆，完成绘图功能。

表笔测试结果如表G-7-1所示。

表G-7-1　表笔测试结果

x为覆铜板的真实横坐标，y为覆铜板的真实纵坐标，括号内为显示屏上的坐标，单位为mm。

由分析知表笔测出的数据精确，并且系统架构设计合理，功能电路实现较好，性价比较高，系统性能优良、稳定，较好地完成了本题的基本要求以及一些发挥部分要求。

八、参考资料

李建中.单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2002

吴运吕.模拟电子线路基础.广州：华南理工大学出版社，2004

元秋奇.数字图像处理学.北京：电子工业出版社，2000

报　告　8

基本信息

一、引言

根据竞赛提出的基本要求和发挥部分要求，利用普通 PCB 覆铜板制作手写绘图板的设计方案需要解决的核心问题有：

(1)低阻抗小信号的检测；

(2)坐标的转换模型及相应算法；

(3)坐标和图形的显示及人机交互界面的实现；

(4)单电源供电方案及低功耗设计。

下面从设计方案与工作原理、核心部件电路设计、系统软件设计分析、作品成效总结分析等方面介绍关于手写绘图板的设计方案。

二、设计方案与工作原理

1.技术方案分析比较

为了全面实现设计方案的目标，首先要确定系统的控制中心——控制模块，其次要确定系统成败的关键——检测模块，再次确定系统的操作界面——人机接口模块，最后还需要确定系统的供电——低功耗电源模块。

(1)控制模块的技术方案

方案1：采用AT89S51单片机作为主控制器，由单片机来完成采集和信号处理等底层的核心计算。优点：成本低，易控制，易实现；缺点：运行速度慢，功耗高，功能弱。

方案2：采用MSP430单片机作为主控制器。该单片机是16位单片机，具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。其片内资源丰富，运算速度较快，功耗低。

方案3：采用ARM微处理STM32F103VBT6芯片为控制核心。ARM处理器是一个32位元精简指令集(RISC)处理器架构，其计算速度快，耗电少，功能强，存储容量大。STM32F103VBT6芯片资源丰富，特别是ADC、GPIO接口、DMA传输等是其他芯片不能比拟的。其主要不足是设计复杂，需要应用者具备一定的开发经验和前期准备工作。

比较3个方案，为取得较好的控制效果，我们选择了方案3。

(2)检测模块的技术方案

PCB覆铜板具有极低的阻抗，为了能够检测到绘图板上触笔位置，需要在覆铜板上灌入一定强度的电流，因功耗限制，故需要采用恒流脉冲驱动和小信号放大电路。

有关恒流脉冲驱动的技术方案有如下3种。

方案1：选用MOS管恒流源。其基本电路与晶体管恒流源类似。MOS管恒流源较之晶体管恒流源，其等效内阻较小，不消耗电源的其他电流，并且适当增大电流负反馈电阻，MOS管恒流源会取得更好的效果。但MOS管通常需要较高的电压驱动，电流控制精度不太高。

方案2：选用集成稳压器LM317设计恒流源。由于温度对集成电路参数的影响不如对场效应管参数的影响显著，使得集成稳压器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。但LM317的开关控制比较困难。

方案3：集成稳压器LM317与MOS场效应管配合使用。这样设计的电路综合了电流稳定和控制方便的特点。

有关小信号放大的技术方案有如下3种。

方案1：采用通用运放OP07。OP07是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于其具有非常低的输入失调电压，在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点。但其需要双极性电源，功耗较大。

方案2：采用仪表放大器INA128。INA128可实现差分输入和输出，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，而且功耗较低。

综上所述，我们选用最优化的恒流源脉冲驱动(方案3)和仪表放大器INA128的小信号放大(方案2)。

图G-8-1　系统结构工作原理框图

(3)人机接口模块的技术方案

由于绘图板的输入操作比较简单，故可采用简单按键方案。输出显示方案有如下2种。

方案1：采用LCD 12864液晶屏显示。带中文字库的128×64 LCD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。但图形显示控制比较复杂，不太适合图形显示。

方案2：采用彩屏3.2英寸 TFT LCD HY32C模块。驱动器采用LCD控制芯片SSD1289，分辨率在320×240时清晰度比较高，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，功耗不大。不足之处是程序较复杂。

为全面满足设计要求，我们选择方案2。

2.系统结构工作原理

系统结构工作原理框图如图G-8-1所示。在PCB 覆铜板四个角分别接入恒流脉冲驱动和小信号检测连线，由控制模块发出恒流脉冲驱动控制信号，小信号放大后送入控制模块中的ADC转换电路。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，电路能检测表笔与铜箔的接触，在人机接口模块通过按键完成必要的操作，在LCD上显示测量的坐标位置数据和图形，进而实现手写绘图的功能。

系统输入为12 V单电源，经电源模块产生+12 V和±5 V电源，分别提供给检测模块和控制模块。

3.功能指标实现方法

(1)指示功能的实现

在绘图板两个对角上先后加入恒流脉冲驱动信号，则表笔接触铜箔表面时，会测到对应的两组不同电压，由此可获得表笔接触铜箔的电位坐标，根据电位坐标与几何坐标转换模型，设计相应的算法求出几何坐标，然后在LCD显示屏上显示相应数据和点状图形。有了几何坐标位置，就能方便判断出触点四象限位置。若测到对应的两组电压均小于某个阈值，可判断表笔没有接触铜箔。

(2)绘图功能的实现

绘图功能的实现与指示功能的区别在于：前者不仅能显示当前的点状图形，还能保持之前的点状图形，从而显示绘图笔迹。这需要通过按键切换显示模式：点状指示模式和绘图模式。绘图模式下，还可选择不同的画笔颜色，作为发挥功能的内容。

指示功能和绘图功能的实现，都需要有坐标转换算法的支持。

(3)性能指标的实现

① 几何坐标的分辨率和精度

几何坐标的分辨率和精度由程序选用的数据类型、坐标转换算法、小信号放大电路、ADC转换精度等因素决定。为了进一步提高显示精度，还需要编写坐标动态校正程序，以实现在使用过程中随时调整参数，保证显示数据和图形的正确性。

② 低功耗的实现

低功耗的实现除了要设计高效率的电源外，还要选用合适的控制模块芯片、显示器、恒流脉冲驱动、小信号放大电路所用芯片，更重要的是设计好恒流脉冲驱动的周期和占空比，最大程度上减小恒流导通时间。

4.测量控制分析处理

系统的测量控制时序如图G-8-2所示。s轴和t轴分别为绘图板上的两个对角轴，先后接通s轴和t轴的恒流源，与此同时检测画笔的电位值；根据画笔对应s轴和t轴方向的电位值，即电位坐标，通过坐标转换算法求出x轴和y轴的几何坐标，然后显示几何坐标数据和图形，期间检测按键状态，进行状态切换，完成系统的应有功能。在保证能正确检测画笔电位值的前提下，尽可能缩短恒流源导通时间，可大大降低系统功耗。

图G-8-2　系统的测量控制时序

三、核心部件电路设计

1.恒流脉冲驱动电路

恒流脉冲驱动电路主要由三端可调稳压器LM317及MOS管等低功耗器件构成。恒流源的主要作用是给覆铜板供电并维持电流的稳定。经过实验测得绘图板流入2 A电流时，中心点能够获得大于1 mV的信号，恒流源总体电路如图G-8-3所示。其中A1、B1、EN接MCU的I/O口，实现MCU控制。当A1、B1连接MCU(内部有上拉电阻)为高电平，EN为低电平时，在覆铜板顶点A和B分别输出恒定电流，设置使能端EN的目的是防止MCU误操作时，由于时间长、电流大而引起元器件的损坏。

图G-8-3　恒流脉冲驱动电路电路图

查询LM317数据手册得知，稳定工作电流通常处于1 mA～1.5 A，若让其工作在脉冲状态，可避开温度的限制。再根据数据手册中“最大电流限制”(如图G-8-4所示)可知，能够实现2 A短时脉冲恒流。图中的R1由两个1 W/1.2 Ω标称值并联实现。

　图G-8-4　LM317输出电流计算及电流-温度曲线

LM317数据手册中瞬时响应曲线如图G-8-5所示，为了克服响应时间长的问题，我们让LM317一直保持弱恒流状态，再通过脉冲控制负载，为此加入R4假负载，取值以最小恒流为准。

　图G-8-5　LM317输出电流瞬时响应图

MOS管Q2、Q4采用P沟道，负载(覆铜板)接在D极，由于是恒流流过MOS管，且P沟道低电平驱动时瞬时深度饱和，无论在功耗上还是速度上都优于N沟道。R3起快速关闭Q2的作用，取值兼顾功耗及关闭响应时间即可。R2要远小于R3，但是不能太小，否则驱动时会出现尖脉冲。

2.小信号放大电路

小信号放大电路以INA128为核心，具体的放大电路如图G-8-6所示。R4、R5起到平衡信号作用，R6的值根据数据手册中的公式结合所需放大倍数计算得出，设检测信号为1～2 mV，放大500倍，取值100 Ω。C3、C4是旁路电容。

图G-8-6　小信号放大电路电路图

3.控制模块的选择

控制模块采用深圳市微雪电子有限公司开发的Open Cortex-M3系列的开发板Open103V。

主要部件说明如下。

(1)MCU

MCU为STM32F103CBT6(1)，主要参数有：

① 内核：Cortex-M3 32-bit RISC；

② 工作频率：72 MHz，1.25 DMIPS/MHz；

③ 工作电压：2～3.6 V；

④ 封装：LQFP48；

⑤ I/O口：37；

⑥ 存储资源：128 kB Flash，20 kB RAM；

⑦ 接口资源：2×SPI，3×USART，2×I2C，1×USB，1×CAN；

⑧ 模数转换：2×AD(12位，1 μs，分时10通道)；

⑨ 调试下载：支持JTAG/SWD接口的调试下载，支持IAP。

(2)用户按键

便于I/O输入测试或控制程序运行状态。

(3)摇杆

共有上、下、左、右、按下5个状态。

(4)LCD接口

可方便接入LCD和触摸屏模块。

4.LCD显示器的选择

LCD显示器采用彩屏3.2英寸 TFT LCD HY32C模块，其显示屏和触摸屏面板的控制芯片分别是SSD1289和XPT2046；采用TFT类型的屏幕，接口类型是16位并行接口，触摸面板接口采用SPI接口；运用LED背光技术；支持5 V电源供电；色阶指数为65536色；分辨率为320×240(pixel)。LCD模块外形与MCU的接口如图G-8-7所示。

图G-8-7　LCD模块外形与MCU的接口

5.电源模块和低功耗设计

(1)电源模块

电源模块框图和电路原理见图G-8-8所示。系统由+12 V单电源输入，通过两个ASM1117可以得到两路+5 V电源，一路供给控制模块，一路供给检测模块，检测模块中的+5 V电源再通过负电源转换芯片TPS60400(U3)得到一个-5 V电压，给检测模块中的运放供电。

　　图G-8-8　电源模块框图与电路原理图

(2)低功耗设计

低功耗设计主要考虑的措施有如下几点：

① 选用功耗低的MCU，使用STM32F103VBT6芯片为控制核心，此芯片功耗小、功能强。

② 合理选择器件的电压，采用单一电源供电，经过电压转换后向各个模块输送电压。

③ 尽量降低器件的工作频率，选择精密、高精度的INA128放大器及低功耗的集成运放与场效应管构成恒流源模块。

④ 尽量关闭MCU内部不用的资源。

⑤ 软件与硬件配合来降低功耗。特别是利用微控制器的控制功能，将恒流源采用脉冲供电，占空比小于2%，检测周期为20 Hz，使得系统功耗大大降低。

6.坐标系转换数学模型

图G-8-9　非直角坐标系(s-t)的四象限

(1)基本信息

设几何直角坐标系(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θ，t轴与s轴的夹角为2θ。

(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α1，Q1(s1，t1)与s轴的夹角为β1。非直角坐标系(s-t)的四象限如图G-8-9所示。

(3)坐标转换公式

坐标转换图示如图G-8-10所示,转换公式为

例设x1=4.80，y1=2.60，则t1=5.44，s1=2.58。

图G-8-10　坐标转换图示

(4)基准点对照表

覆铜板表面绘制纵横坐标以及6 cm×4 cm(高精度区A)和12 cm×8 cm(一般精度区B)，为便于测试，取17个基准点，建立非直角坐标系(s-t)与几何直角坐标系(x-y)的对照表，如表G-8-1所示。

表G-8-1　基准点对照表

(5)坐标转换算法

考虑到直角坐标系(x-y)与非直角坐标系(s-t)的原点不重合，由坐标(s,t)求坐标(x,y)的计算公式可写为

为进一步简化版式，由坐标(s,t)的电位值求几何坐标(x,y)的计算公式可写为

用C语言定义的坐标结构类型如下：

#define Cx 1.444　//Cx= (secθ2)Cx=1.444

#define Cy 3.25　//Cy= (cscθ2)Cy= 3.250

typedef struct {

int Tab_w;　//width:　B区 60=120/2　A区：30=60/2

int Tab_h;　//high:　B区 40=80/2　A区：20=40/2

int s_base;　//s轴基准 min

int s_full;　//s轴满程 max

int s_delta;　//s轴差值 max-min

int s_mid;　//s轴中心值，理论上为 (max-min)/2

int t_base;　//t轴基准 min

int t_full;　//t轴满程 max

int t_delta;　//t轴差值 max-min

int t_mid;　//t轴中心值，理论上为 (max-min)/2

int s_axis;　//当前s轴坐标

int t_axis;　//当前t轴坐标

int x_axis;　//当前x轴坐标

int y_axis;　//当前y轴坐标

}coordinate;　//坐标结构

用C语言建立的坐标转换函数原形如下：

void tran_coordinate(coordinate　*coor){

float Kxs,Kxt,Kxs0,Kxt0,x;

float Kys,Kyt,Kys0,Kyt0,y;

coor->s_delta=coor->s_full-coor->s_base;　　//

coor->t_delta=coor->t_full-coor->t_base;　　//

Kxs=coor->Tab_w*Cx/coor->s_delta;

Kxt=coor->Tab_w*Cx/coor->t_delta;

Kxs0=-Kxs*coor->s_mid;

Kxt0=-Kxt*coor->t_mid;

x=Kxs*coor->s_axis+Kxt*coor->t_axis+Kxs0+Kxt0;

Kys=-coor->Tab_h*Cy/coor->s_delta;

Kyt=coor->Tab_h*Cy/coor->t_delta;

Kys0=-Kys*coor->s_mid;

Kyt0=-Kyt*coor->t_mid;

y=Kys*coor->s_axis+Kyt*coor->t_axis+Kys0+Kyt0;

coor->x_axis=(int)x;

coor->y_axis=(int)y;

}//tran_coordinate

为提高计算精度，可通过校正后进行计算。校正过程也就是使用5点的6个实际测试值代替理论值，这6个值分别为：

int s_base;　//s轴基准 min

int s_full;　//s轴满程 max

int s_mid;　//s轴中心值，理论上为 (max-min)/2

int t_base;　//t轴基准 min

int t_full;　//t轴满程 max

int t_mid;　//t轴中心值，理论上为 (max-min)/2

校正测试点的示意图如图G-8-11所示。实践证明，经过校正后的几何坐标准确度大大提高。

图G-8-11　校正测试点的示意图

7.电路实现和调试测试

电路实现和调试测试工作分三个流程同时进行：

(1)电源模块的设计、仿真、制作和测试基本性能指标。

(2)检测模块的设计、仿真、制作和测试恒流脉冲驱动、小信号放大。

(3)控制模块的人机接口测试、A/D采样、时序控制、坐标转换算法。

最后进行主控程序的联调。

四、系统软件设计分析

1.系统总体工作流程

系统总体工作流程如图G-8-12所示。

2.主要模块程序设计

控制模块中的主程序模块、初始化模块、ADC配置模块、读取画笔模块的流程图如图G-8-13所示。其中主程序模块(图G-8-13(a))包含了初始化模块(图G-8-13(b))、读取画笔模块(图G-8-13(d)),初始化模块(图G-8-13(b))中包含了ADC配置模块(图G-8-13(c))。

图G-8-12　系统总体工作流程图

(a)主程序模块　(b)初始化模块　(c)ADC配置模块　(d)读取画笔模块图G-8-13　主要模块工作流程图

五、系统测试性能指标

1.系统显示界面

系统显示界面采用3.2英寸彩色TFT图形LCD，分辨率为320×240，颜色为65536色(16位)，显示界面示意图如图G-8-14所示。其中包括学校Logo、当前坐标信息坐标(x-y)和电位坐标(s-t)〗、象限判断、画笔接触状态、当前工作模式(检测、画圆、校正)。当前工作模式可通过按键来选择。

　图G-8-14　LCD显示界面

2.坐标位置测试结果

坐标位置测试结果如表G-8-2所示。

表G-8-2　坐标位置测试结果　(单位：mm)

3.绘图测试结果

绘图测试结果不太理想，特别是在B区误差较大，显示的圆形失真较大。

4.测试分析与结论

根据上述测试数据，手写绘图板工作正常，LCD显示正确，测试的瞬时电流达到159 mA，平均电流为88 mA，分辨率为1 mm，误差在10 mm，由此可以得出以下结论：

① 硬件电路设计正确，能够完成课题设计的要求。在元器件的选型上，以低功耗、高精度的器件为主，优化了整体电路的设计。在硬件方面实现了较低的功耗。

② 建立的数学模型较好地减小了数据误差，为软件编写打下了良好的基础。

③ 通过ARM控制的显示屏能较好地展示设计功能和数据显示功能等。

④ 误差比较大，绘图效果不是很理想，特别是在B区。

综上所述，本设计能达到基本要求，部分达到发挥部分要求。

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