手绘绘画板设计报告

摘要：本设计室以 msp430f5529 单片机为主控芯片的手写输入设备，用普通 PCB 覆铜板作为信号采集部分，万用表笔作为微小信号探测装置，当恒流源产生恒定电流通过覆铜板表面时，通过 16 位高精度 AD ADS1115 测量出其与相邻两边电压值的差值来确定表笔在覆铜板上的准确位置，在用msp430f5529 单片机开发板自带 Dog Matrix 102 * 64 液晶显示所测得坐标值的同时，在屏幕上显示探测表笔运动的轨迹。本设计主要采用的芯片有 TI 公司的电压放大器 LM317，仪表放大器 INA333,精密放大器 OPA2234，高精度 A/D ADS1115以及 MSP430F5529 开发板。 关键词： msp430f5529;微小信号;恒流源 Abstract: The main controller of this design is msp430f5529, and it was designed for the handheld product. We made the Copper Clad Laminates as our detect device, When the constant current source generates a constant current through the copper clad laminate surface, through the 16 bit high accuracy A/D ADS1115 to measure the difference with the adjacent sides voltage value to determine the exact location of pen on CCL, in 102 * 64 liquid crystal display of the measured coordinates with SEED-EXP430F5529 microcontroller development board comes with Dog Matrix, display detection of pen motion on the screen. This design mainly uses a voltage amplifier chip LM317, INA333 instrumentation amplifier, precision amplifier OPA2234, high accuracy A/D ADS1115 and the MSP430F5529 development board，All of the chips and boards are produced by TI company. Keyword: msp430f5529; minutest signals; constant current source 1    论证与比较    3 1.1 主控芯片比较与论证    3 1.2 恒流源方案比较与论证    3 1.3 AD方案的比较与论证    4 1.4 显示装置方案的比较与论证    4 1.5    滤波方案的比较与论证    5 2 系统设计    6 2.1  总体设计    6 2.2  单元电路设计    7 2.2.1  放大电路设计    7 2.2.2  AD测量模块电路设计    8 3 坐标点测量方法    8 4 误差分析    9 5 低功耗设计    9 6 软件设计    9 7  系统测试    10 7.1  系统功率测量（室温:19 ，时间： 2013-09-07  10:20 ）    10 7.2测量定坐标（室温:19 ，时间： 2013-09-07  10:33）    10 8  结论    12 参考文献：    12 附录：    13 附1：元器件明细表：    13 附2：仪器设备清单    13 附3：电路图    13 1 方案论证与比较 1.1 主控芯片比较与论证 方案一：用普通 51 单片机作为主控芯片，虽然芯片内部没有太丰富的片内资源，但是本题目不需要过多的片内资源，但是在计算速度方面， 51 单片机却是不大可以满足本题目的画图，画线等对速率要求高的操作。 方案二：采用 msp430 系列单片机，msp430 单片机是美国德州仪器公司推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。它将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在了一个芯片上。处理能力强大，运算速度快，片内资源丰富以及其功耗超低，并且具有独立驱动液晶电路的硬件接口，可以满足本题的要求。 方案三：采用可编程逻辑阵列控制，FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列。其供用户调用 I/O 口可以达到 上百个，片上资源极为丰富。它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路ASIC领域中的一种半定制电路，在我们设计并烧录好程序以后， FPGA可以以硬件电气连接方式位我们处理数据，是面对对象设计的一种最为直接最为有效的硬件方案。 论证：结合本题目要求，但对控制芯片要求较低但是对功耗控制要求较高。不需要控制芯片有太多的内部资源及运算速度，所以我们选择 msp430f5529 作为主控芯片，其具有优秀的低功耗性能数据，同时其内部时钟通过倍频高达 25 MHZ，可以较好的满足本题的要求。 1.2 恒流源方案比较与论证 方案一：脉冲调宽式恒流源。脉冲调宽式（开关式）恒流源目前广泛应用于空间技术，计算机，通讯，家电等电器中。开关电源的调整器工作在开关状态，功率损耗小，效率高，可达70﹪～90﹪。 方案二：可采用集成运放构成的线性恒流源作为恒流源基本电路。此恒流源输出电流不随负载变化而变化，可通过使用两个比较器构成的放大电路，功率管构成的调整电路，通过晶体管的平坦输出特性和深度负反馈回路可是电源恒流输出，且输出为高阻抗，实现电压电流转换。（图：集成运放构成恒流源）图中两个运放构成比较放大环节,Q1、Q2 三极管构成调整环节, RL 为负载电阻 , RW 为电路提供基准电压。 方案三：可通过构成开关电源的恒流源来构成恒流源电路。可通过对元器件参数的计算及设定对电路的各项指标进行有效的控制。且开关电流源有震荡反馈电容小以及反馈电流小等特点。比如我们采用 LM 317 搭建恒流源电路。LM317 恒流电路：（图：LM 317恒流源电路） IN脚接输入电压正，OUT脚接一个电阻后为恒流输出，R脚直接接到恒流输出，就是OUT脚的电阻的另一端，负载正接在这里，因为LM317里面有基准的1.25V电压，这个电压在317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R脚），电阻值是定的，电压也是定的，流过电阻的电流就是恒定不变的。 （公式）恒流值=1.25V/电阻（欧姆） 论证：脉冲调宽式恒流源虽然结构简单但是，纹波电流大，辐射干扰强，恒流精度低。恒定跨导电流源虽然具有较高的精度和调谐能力，但需要另加时钟与电容，增加了电路的复杂度, 集成运放恒流源容易引入干扰，且在功耗方面表现不好。综上，我们选用 LM 317 组成恒流源电路。 1.3 AD方案的比较与论证 方案一：采用 msp430f5529 单片机内部自带的 12 位 A/D 转换器，可以同时采集多路模拟数据，且其内部有 1.5 V及 2.5 V 基准源，可以简化外部电路。 方案二：采用外接 24 位超高精度 AD 转换芯片。如 TI 公司的 ADS 1246 等。此类仪表放大器具有超高精度，可以同时采集多路精度相当高的模拟电压，对提高本题目的分辨率有较大的帮助。 方案三：采用外接 16 AD 转换器进行 AD 转换， ADS1115 为TI 公司生产的16位高精度，体积超小的 AD 转换器，不仅可以很好的满足本题对精度的要求，同时可以兼顾转换速度。 论证：单片机内部 AD 精度与速度都较低，且其与搭建 AD 电路会产生较大的干扰，可能会导致不能准确测量出实际 AD 数值，外接超高精度 AD 转换精度固然高，但是其转换速率大大降低。综上所诉，考虑功耗，精度以及速率，故选择 16 位 AD 转换器件 ADS1115 模块。 1.4 显示装置方案的比较与论证 方案一：用 12864（st7920）液晶显示图像与文字，图形点阵液晶12864显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16 * 16点阵，带字库）、128个字符（8 * 16点阵）及64 * 256点阵显示RAM（GDRAM），可以满足用户设计 GUI 界面以及书写注解行文字的需要，同时其 128 * 64 的巨大点阵屏幕可以较高精度的显示用户需要的点及图像。其显示方式有并行与串行两种方式，用串行显示方式可以大大减少使用的 I/O 口的数量，但是在串口驱动方式下显示速度大大降低。 方案二：用 nokia 5110 液晶显示图像与文字，84 * 48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字，如果字模数组取得较小的话可以显示可分分辨的6行英文数组，采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有4条（rest接电源）。支持多种串行通信协议如SPI ，传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。 方案三：采用 TFT 彩屏液晶，我们可以简单的认为TFT 彩屏液晶是像素更高的彩色点阵液晶，TFT-LCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。根据样式不同又可以分为多种型号，分辨率低的为320 * 240 ，高的可以达到3200 * 2400，因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度。 方案四：采用 msp430f5529 单片机开发板上自带的 Dog Matrix 102 * 64 液晶进行显示，其原理同 nokia 5110 液晶但是在分辨率上有了很大提高，可以简化外部电路。 论证：题目要求在液晶上显示 12 * 8 cm 覆铜区域内分辨率为 10 mm 的坐标值，绝对误差在 5 mm 内，分辨率最小的 nokia 5110 液晶点阵分辨率为 86 * 64 ，其在纵向上可以显示 64 个点，用 5110 液晶显示的误差为 ： (12 / 64 ) / 2cm = 0.09375 cm  （公式： 最大误差 = (距离 / 点数）/ 2) 其最大误差不足1 mm 所以用 以上每一款液晶都可以满足本题目的精度要求，综合考虑电路功耗，电路复杂程度与满足题目精度要求方面，选择Dog Matrix 102 * 64液晶作为显示模块。 1.5 滤波方案的比较与论证 方案一：设计如巴特沃斯切比雪夫等一类的有源滤波器滤波，在本题目的微小信号检测中可以减小滤波过程中对信号的衰减，有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。 方案二：采用 RCL 无源滤波网络对信号进行处理，通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路，使得谐波电流就不会流入系统。 论证：有源滤波虽然反映迅速，但是容量有限，运行可靠性不高，而无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率一般只有80％，但是综合考虑成本，功耗与性能，本题选用无源滤波。 2 系统设计 2.1  总体设计 （图：硬件系统框架） 首先，采用普通 PCB 覆铜板作为信号采集部分，万用表表笔作为微小信号探测装置，当恒流源产生恒定电流通过覆铜板表面时，通过 16 位高精度 A/D ADS1115 测量出其与相邻两边电压值的差值来确定表笔在覆铜板上的准确位置，在用msp430f5529 单片机开发板自带 Dog Matrix 102 * 64 液晶显示所测得坐标值的同时，在屏幕上显示探测表笔运动的轨迹,在主循环中一直不断的采集数据，单片机处理后把信息反馈到液晶屏幕上显示。 采集信号过程中，因为 PCB 覆铜板在空气中裸露面积较大且其电阻很小，极容易受到外界环境的影响，有较大的温漂，在采集数据过程中需要每隔一段时间对铜板上的 AD 数值进行采集，综合其数据： 2.2  单元电路设计 2.2.1  放大电路设计 （图：OPA 2234 放大电路） 按照运算放大器虚短U6 = (R2/(R2+R3))*U(OUT) U(OUT) = U(IN) * (1+R3 / R2) （图：INA 333 放大电路） INA333内部为差分电器特性，内部有 100K 欧姆的电阻，其输出: VOUT =[1 + （100K / RG）]*[(VIN+)-(VIN-)] 2.2.2  AD测量模块电路设计 （图：ADS 1115 测量电路） 采用 16 位AD转换器 ADS1115 对四路模拟量进行采集，将转换的数据送入控制器进行处理。 3 坐标点测量方法 （图：覆铜板对应液晶示意图） 分析：根据覆铜板四个角的坐标定位有四个铜线连接到外围电路，在一个方向上对覆铜板通以 LM317模块产生的恒流源，由于覆铜板本身存在电阻，便在距离恒流源同一个位置不同距离的部分产生不同的压降，这一部分压降通过 OPA2234 与仪表放大器 INA333 对这个比较小的信号进行放大，之后通过 16位高精度的 AD 进行采集，送单片机处理，通过单片机的处理后，将覆铜板上的坐标值对应液晶屏幕横纵轴上的点阵点数来测量，但是我们不可能测量对应于液晶的每一个点阵记录一个数据，这样不仅不够精确，而且还较容易受到外部环境额影响而不能稳定工作，所以我们在测量一个纵行或横行的数据后，用软件进行线性拟合，拟合出一个线性曲线，在采集数据过程中对采集的点进行线性处理得出其横纵坐标在液晶屏幕上对应的坐标距离液晶上下界限的距离，进而显示探测表笔在覆铜板上的位置，在实际测量中我们进行多次测量与拟合，最终取得了很好效果。 4 误差分析 从系统的总体入口开始考虑，本设计的误差，很大程度上取决于对覆铜板上 4 路模拟电压数据的差值，覆铜板上采集数据稳定性与否很大程度上又关系到环境的温度噪声等，在前端对覆铜板上电压差值进行采集时，电路中电线的电阻可能 16 位精度的 A/D 转换器有一定影响，而覆铜板本身由于做工工艺的原因可能在不同方向上表现的电阻特性不同，单片机本身由于计算速度的限制，也不能实时的反应测量坐标的位置，我们实际是对采集的数据用软件进行线性拟合，拟合出一个线性曲线，在采集数据过程中对采集的点用MALTAB进行线性处理得出其横纵坐标在液晶屏幕上对应的坐标距离液晶上下界限的距离，进而显示探测表笔在覆铜板上的位置，在实际测量中我们进行多次测量与拟合，最终取得了很好效果。 5 低功耗设计 本设计在考虑完成题目要求，着重考虑功耗方面问题，主要元器件几乎全部选用 TI 公司生产的低功耗器件，首先在控制芯片的选型上我们选择了业界功耗最低的 MSP430F5529 单片机，其在没有系统工作请求之时可以自主进入低功耗模式，最大程度的保证了控制芯片消耗系统最少的功耗，在电压转换之时，我们选择了转换效率最高的 DC-DC 变换，确保在电压变换中尽量少的损失电能，本系统最大的电能消耗单位是恒流源供给的覆铜板，其在工作过程中有较大的功耗，我们在 LM317 恒流源电路尽量设计较小的电流，在没有探测笔活动的时候，单片机进入低功耗模式，以很小功耗的代价就能维护整个系统的正常待机运行。 6 软件设计 （图：整体软件设计） 7 系统测试 7.1  系统功率测量（室温:19 ，时间： 2013-09-07  10:20 ） 测量次数 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 平均值 电压 (V) 11.962 11.882 12.010 12.031 11.328 11.843 电流（mA） 98.14 103.5 105.3 108.0 92.3 97.40 功率 (W) 1.213 1.307 1.185 1.199 1.285 1.273               结果分析：在实验室提供的12V DC-DC 电源测量结果显示，本设计可以很好的完成题目要求，并且在功耗方面低于要求的 1.5W ，并且可以达到更低的标准。 7.2测量定坐标（室温:19 ，时间： 2013-09-07  10:33） 由于数据测量次数很多，在此无法完整列举出我们所测得全部数据，所以只列举出部分测量数据，测量数据分网格测取，网格规格为长宽分别为 1cm 的正方形网格。 其中上图中 U（A-B）为AB 两点的电压差值，依次类推，中所给数值为其对应两点之间的 AD 数值，根据要求，如果要确定点的坐标，则在测量中每一列多测量几组数据，随着测数据定位点坐标数量的增多，画图的精度也越来越高。 坐标 （0,0） （0,1） （0,2） （0,3） （0,4） （0,5） （0,6） （0,7） U(A-B) -581 -674 -512 -626 -545 -480 -515 -422 U(B-C) -680 -613 -652 -571 -618 -823 -552 -450 U(C-D) +1790 +1662 +1541 +1472 +1392 +1301 +1220 +1050 U(D-A) -132 -337 -343 -276 -233 -192 -177 -188                   (图注：表格中第一列代表两点之间待测电压值，其他几列为测量所得的 AD 数值，表格给出了一列测量 AD 值) 通过MALTAB 线性拟合出下列图像： 结果分析：我们首先以理论上根据液晶屏幕纵轴上的点阵点数来测量，但是在测量过程中不能克服温度漂移带来的影响，再用软件进行线性拟合，拟合出一个线性曲线，在采集数据过程中对采集的点进行线性处理得出其横纵坐标在液晶屏幕上对应的坐标距离液晶上下界限的距离，进而显示探测表笔在覆铜板上的位置，在实际测量中我们进行多次测量与拟合，最终取得了很好效果。 8 结论 由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，可以实现题目基本要求中的指示，正确显示触点的四象限位置以及准确坐标，且根据实际测量满足题目的最低功耗要求。在拓展方面，我们通过高精度 A/D 转换对精度把精度提高到了16位并且可以完成拓展要求中画圆画图显示文字功能，且通过功耗测试平均值达到功耗很低，较好地达到了题目要求的各项指标。 参考文献： 1、《模拟电子线路基础》，吴运昌著，广州：华南理工大学出版社，2004年； 2、《数据结构与算法》，张晓丽等著，北京：机械工业出版社，2002年； 3、《MSP430单片机原理与应用实例详解》，洪利等著，北京：北京航空航天大学出版社，2010年； 4、《msp430系列超低功耗16位单片机原理与应用》，胡大可著，北京：北京航空航天大学出版社，2000年； 5、《计算机图形学》，刘鹏著，北京：清华大学出版社，2013年； 附录： 附1：元器件明细表： 1、 MSP430 F5529开发板    数量 ： 1 2、 ADS 1115               数量 ： 1 3、 INA 333                  数量 ： 4 4、 OPA 2234                  数量 ： 2 5、 LM317                  数量 ： 1 6、 DC-DC转换模块        数量 ： 1 7、 电容，电阻 若干 附2：仪器设备清单 1、 四位半数字万用表 2、 稳压电源 附3：电路图 （图：系统电路） （图：集成运放构成恒流源） （图：开关电源构成恒流源） （图：LM 317恒流源电路）