胡學(xué)芝,劉笑平,王傳呈

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

0 引言

隨著教育教學(xué)改革的進(jìn)一步深化，電子白板產(chǎn)品備受教學(xué)設(shè)備市場關(guān)注，本文所研究的手寫繪制板可作為電子白板的書寫設(shè)備。系統(tǒng)使用覆銅板作為繪圖板，把覆銅板作為輸入設(shè)備控制上位機，在覆銅板上實現(xiàn)打點、畫圖、寫字等功能，把打點、畫圖、寫字的位置和形狀在顯示設(shè)備上精確顯示。該繪圖板還可做成鼠標(biāo)、鍵盤等輸入設(shè)備，可以用于教學(xué)、軍事、生活等很多領(lǐng)域，具有很大的研究潛能和意義。硬件系統(tǒng)由恒流源、信號檢測、 運算放大器、A/D采集、240×128液晶顯示、按鍵輸入等模塊和普通銅板等部分組成，整機功耗1.2 W，它能快速、準(zhǔn)確識別表筆落點的位置，并能跟蹤識別表筆動作，在液晶上清晰地顯示繪圖軌跡。本系統(tǒng)功耗低、測量準(zhǔn)確、系統(tǒng)穩(wěn)定、整體性能良好。

1 系統(tǒng)工作原理

檢測手寫坐標(biāo)位置通常有3種方法：精密交流電流源法、精密直流恒流源測量法和大脈沖電流測量法。精密交流電流源法實現(xiàn)時較復(fù)雜，而大脈沖電流測量法在實現(xiàn)時會引入較大的噪聲，從而影響測量精度。因此本系統(tǒng)選用精密直流恒流源測量法，這種方法是通過測量流過覆銅板的電流產(chǎn)生的電壓降來確定坐標(biāo)，精度高且實現(xiàn)方便。

1.1 電場線和電勢線的計算與仿真

在普通銅板上表筆觸點與導(dǎo)線接地焊點可近似看成點電荷，銅板可看成均勻的導(dǎo)電物質(zhì)，2個靜止點電荷之間的作用力為：

(1)

式(1)中：q1、q2為2點的等效電荷量，R為2點的等效距離，力的方向在2個電荷的連線上，2個電荷同號時為斥力，異號時為吸力。

電場強度為：

(2)

而有勢場E的勢函數(shù)U為：

(3)

由以上公式可計算出各點的電勢U、電場強度E，并用MATLAB繪出相應(yīng)電荷的電場分布情況。應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真時，一對等量異種點電荷的平面等勢線可以用MATLAB的等高線命令繪制，仿真中2個等量的正負(fù)點電荷的電量分別取q1=2e-9,q2=-2e-9, 正電荷在x軸正半軸, 負(fù)電荷在x軸負(fù)半軸, 2個點電荷距原點的距離均設(shè)為a=0.02；假設(shè)平面范圍為x0=0.05，y0=0.04，2個點電荷的坐標(biāo)向量分別為x=linspace(-x0,x0,20)和y=linspace(-y0,y0,50)。設(shè)定平面的網(wǎng)格坐標(biāo)為：[X,Y]=meshgrid(x), 各點到2個電荷的距離分別為：r1=sqrt((X-a)2+Y2),r2=sqrt((X+a)2+Y2)。取最高電勢為：u0=50,最低電勢為其負(fù)值。

畫平面電場線可利用MATLAB 的箭頭命令, 用各點的電場強度方向代替電力線，取電荷的半徑為：r0=0.002,場強分解的2個分量和總場強計算公式為：

(4)

(5)

E=sqrt(Ex2+Ey2)

(6)

其中：(x1，y)為起始點到第1個點電荷的坐標(biāo)，(x2，y)為起始點到第2個點電荷的坐標(biāo)，r1,r2分別為該點到2個電荷的距離。用MATLAB仿真點電荷之間電場線與等勢線的分布情況，MATLAB仿真圖如圖1所示。

圖1 2個異種電荷電場線、電勢線

1.2 坐標(biāo)點的確定與轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)確定坐標(biāo)的方法主要采用單臂橋測量小電阻的方法。銅板上隨著表筆的移動，電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生的電勢也發(fā)生變化，通過測量觸點與C之間的電勢差，取得的信號值經(jīng)過放大，由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，當(dāng)表筆在繪圖板上移動時，由于表筆距離4個檢測點不同，導(dǎo)致4個檢測點檢測到的電阻值不同，反映到A/D上的值不同，并對應(yīng)一組數(shù)據(jù)。通過計算得出每組數(shù)據(jù)都是唯一的，從而確定表筆的位置。檢測電路原理圖如圖2所示。

假設(shè)此時觸筆接觸點為A點，此時采集A點的值為(a0,b0),將這個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為(ax,by)(其中ax，by分別是由a0和b0轉(zhuǎn)換到x軸、y軸上的坐標(biāo)值)。測試A點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 檢測電路原理圖

圖3 測試A點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機作為系統(tǒng)控制器，由恒流源、信號檢測、運算放大、A/D采集、液晶顯示、按鍵輸入等部分組成[1]。在普通敷銅板上可以實現(xiàn)坐標(biāo)的精確定位、畫圖，由LCD顯示坐標(biāo)位置和所畫圖的大致形狀。系統(tǒng)組成框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)組成框圖

2.2 電源的選擇

采用12 V直流電源供電。因LM7912，LM7805穩(wěn)壓后紋波系數(shù)大、發(fā)熱量大，不易用在小信號測量電路中。LM2576穩(wěn)壓性能好、發(fā)熱量小、可提供功率大，所以本系統(tǒng)用LM2576穩(wěn)壓到±12 V供放大器使用，LM2576穩(wěn)壓到5 V供液晶使用，ASM1117穩(wěn)壓供MSP430F149使用。本系統(tǒng)用推挽電路實現(xiàn)單電源轉(zhuǎn)雙電源，電路如圖5所示[2]。

圖5 單電源轉(zhuǎn)雙電源電路

本系統(tǒng)電源采用SG3525作為驅(qū)動電路，SG3525可產(chǎn)生相位相差180°的2路PWM信號[3]，且頻率為：f=1/(Cf(0.7Rr+3Rd))，SG3525驅(qū)動電路如圖6所示[3]。

圖6 SG3525驅(qū)動電路

2.3 液晶顯示模塊的選擇

采用LCD 240×128液晶顯示，LCD 240×128和LCD 12864相似，也具有8位并行和串行數(shù)據(jù)傳輸，控制簡單，操作方便且具有240×128的分辨率[4]，更能滿足圖像顯示要求。

2.4 A/D采樣電路設(shè)計

采用TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程?；鶞?zhǔn)電壓3.3 V，精確到0.05 mV 。采集到的電壓計算公式為：

U=(3.3/65535)X

(7)

式(7)中：X為A/D采集后寄存器中的值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由一個菜單模塊構(gòu)架，使用大屏幕和矩陣鍵盤作為人機交互界面，在不同的菜單下可運行相互獨立的多種功能，使得軟件結(jié)構(gòu)分明[4-5]，可通過矩陣鍵盤選擇系統(tǒng)校正、顯示左右象限、顯示打點坐標(biāo)、顯示繪制圖形等多種功能。為了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性應(yīng)用了經(jīng)典的卡爾曼濾波算法?？柭鼮V波算法是基于狀態(tài)空間方法的一套遞推濾波算法，在狀態(tài)空間方法中，引入了狀態(tài)變量的概念[6]。在實際應(yīng)用中，可以通過選取合適的狀態(tài)變量來體現(xiàn)系統(tǒng)的特征、特點和狀況的變化。同時，還應(yīng)用了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)處理的一系列公式，保證數(shù)據(jù)在LCD上坐標(biāo)顯示的準(zhǔn)確性。軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計流程圖

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 測試方案

板子采用15 cm×10 cm普通的覆銅板，表筆采用萬用表的表尖，覆銅板上用筆畫上小方格，以提高顯示的分辨率。測試結(jié)果顯示可識別精度為2 cm，可以在液晶上準(zhǔn)確顯示打點坐標(biāo)、所在象限和在坐標(biāo)系中的位置。能夠繪制矩形、三角形等基本圖形，在液晶中顯示基本圖形的大致形狀。測試開始時必須對系統(tǒng)進(jìn)行一次校驗來保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性。測試設(shè)計圖如圖8所示。

圖8 測試設(shè)計圖

4.2 測試結(jié)果分析

測量結(jié)果表明，該設(shè)計方案切實可行，無論觸筆點在銅板測試區(qū)域任何一點，在LCD上都可以準(zhǔn)確顯示觸點象限、坐標(biāo)，用觸筆在銅板測試區(qū)域畫出圖形，在LCD上都能時時跟隨觸筆動作，顯示觸筆運動的軌跡，也就是觸筆在銅板測試區(qū)域所畫的圖形。在本設(shè)計中，電路結(jié)構(gòu)清晰明了，軟件設(shè)計思路清晰，算法精妙，計算準(zhǔn)確。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)應(yīng)用了單臂橋測小電阻法，測量恒定電流通過銅板產(chǎn)生的電勢差，運用差分放大、比例放大把小信號放大成A/D可采集信號，其中還應(yīng)用了二階低通濾波電路、卡爾曼經(jīng)典濾波算法，保證采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。12位A/D保證了采集數(shù)據(jù)的精確性。由于環(huán)境不同、磁場不同，其對系統(tǒng)的影響不同。針對環(huán)境的影響，本設(shè)計采用系統(tǒng)校驗來消除。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.

[2] 孫肖子,鄧建國，陳南，等.電子設(shè)計指南[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 黃爭.德州儀器高性能模擬器件在大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用與快速選型指南[M].上海：德州儀器(上海)有限公司大學(xué)計劃部，2009.

[4] 譚洪，鄧彬偉，溫沐陽，等.激光槍自動射擊裝置設(shè)計與實現(xiàn)[J].機械研究與應(yīng)用，2013，26(1)：76-79.

[5] 夏益民,杜敏.AT89C2051在加熱爐溫度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子世界，2005(10)：35-37.

[6] 胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設(shè)計與開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)大學(xué)出版社，2001.