許志坤　陳建國

摘 要：本設(shè)計(jì)的主控芯片為F28027，設(shè)計(jì)包括采樣電路、二級放大電路、精密恒流源電路、液晶顯示電路等實(shí)現(xiàn)手寫繪圖輸入功能。設(shè)計(jì)時(shí)通過表筆接觸覆銅板完成信號采集，然后將采集得到的微小信號經(jīng)放大電路放大后輸入單片機(jī)的A/D采樣端，并由片內(nèi)的12位A/D模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)算法經(jīng)TableCurve 3D軟件數(shù)據(jù)擬合計(jì)算出表筆在覆銅板上的坐標(biāo)并最終在LCD12864顯示屏上顯示，最后由表筆坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)筆跡跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)手寫繪圖的功能。

關(guān)鍵詞：F28027單片機(jī)；手寫繪圖；OPA2227；微小信號檢測

中圖分類號：TM50 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-03

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，越來越多的場合需要手寫繪圖的可視化控制與展示，目前使用較多的手寫板分為電阻式壓力板、電磁式感應(yīng)板和近期發(fā)展的電容式觸控扳[1，2]，但這三者的弊端在于需要額外的手寫設(shè)備，不能有效的利用各種設(shè)備的金屬殼體作為輸入識別設(shè)備。

本文介紹了一種基于F28027主控芯片的手寫繪圖板的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的核心在于微小信號的檢測與處理以及相關(guān)軟件算法的設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)精度高，能耗低，能有效利用各種設(shè)備的金屬殼體作為手寫信號識別區(qū)，能廣泛應(yīng)用于各種有繪圖顯示需求的導(dǎo)電金屬表面，未來應(yīng)用前景廣闊。

1 總體思路

本設(shè)計(jì)采用一塊規(guī)格為10 cm×8 cm的單面覆銅板制作成手寫繪圖板，通過高精度恒流源對覆銅板施加恒定的電流，可在覆銅板上形成穩(wěn)定的微小壓降，覆銅板四角均連接恒流源一端，等勢線分布較為平均，可以有效地減小采集誤差。由單片機(jī)控制繼電器切換覆銅板上電場線的橫縱走向，即可得到表筆觸點(diǎn)的橫向和縱向電壓降，并經(jīng)過高精度運(yùn)放OPA2227放大后，通過F28027單片機(jī)的內(nèi)置A/D模塊可對它進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換采集，采集到的數(shù)據(jù)由TableCurve 3D軟件擬合得出表筆坐標(biāo)與電壓的擬合曲線，再經(jīng)過軟件算法可計(jì)算出表筆在覆銅板上的位置并在LCD12864屏幕上顯示出來。

本設(shè)計(jì)主要由信號采集模塊、信號處理模塊、繪圖顯示模塊和電源模塊組成，設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號采集

本設(shè)計(jì)前期應(yīng)進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)分析，分別給覆銅板加上橫向和縱向電流源，使用GW Instek GDM-8246高精度數(shù)字萬用表對覆銅板上的點(diǎn)進(jìn)行多次測量并記錄數(shù)據(jù)，依據(jù)測取的電壓值畫出等勢線，經(jīng)過分析可得出圖2所示的施加橫縱電流源下覆銅板上的大致等電勢線。

根據(jù)以上分析，信號采集電路如圖3所示，對角分別接電流源正負(fù)端，A點(diǎn)和B點(diǎn)接繼電器定端，通過單片機(jī)輸出信號控制繼電器動作，切換A、B點(diǎn)與恒流源正負(fù)端的連接，實(shí)現(xiàn)覆銅板上施加的恒流源電流橫向和縱向的切換，使得表筆接觸覆銅板上的某點(diǎn)時(shí)能采集到該點(diǎn)的橫縱不同的電壓值。利用脈沖大電流法測量微小電阻，電流的大小和脈寬應(yīng)根據(jù)電阻的阻值大小和放大器的性能決定[3]。由于覆銅板電阻值過小，表面沾污、氧化等因素易造成測量誤差加大，因此本設(shè)計(jì)在覆銅板的四角均加了小電阻作為負(fù)載，減少測量誤差，表筆接運(yùn)放輸入正，固定負(fù)接運(yùn)放輸入負(fù)。此外，由于電阻的阻值增加與溫度的變化呈線性關(guān)系，而電阻溫度的變化又與通過電阻的電流及時(shí)間有關(guān)，要使大電流通過電阻且使阻值的變化很小，就應(yīng)使用脈沖大電流[4，5]。本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)嚴(yán)格控制繼電器接通和關(guān)斷的時(shí)間，使得電流為脈沖形式施加到覆銅板上，既避免了電阻的負(fù)載效應(yīng)，又能使數(shù)據(jù)測取方便，同時(shí)還能有效降低系統(tǒng)的整體功耗。

2.2 信號處理

由信號采集電路可以測得覆銅板上的電壓值在毫伏級別，由于系統(tǒng)要求及單片機(jī)A/D量程限制，不能直接進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，故需要通過放大電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，考慮單級放大的放大倍數(shù)過高易產(chǎn)生較大的誤差，現(xiàn)采用二級放大電路，第一級為雙端輸入單端輸出的差分放大電路，第二級為同相比例放大電路，使得經(jīng)二級放大電路得到的電壓動態(tài)范圍在單片機(jī)的A/D量程以內(nèi)[6]，實(shí)際電路中采用精密電位器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，具體電路如圖4所示。因?yàn)閷ξ⑿⌒盘柕姆糯髮\(yùn)放要求很高，若運(yùn)放性能不夠，輸入端的微小信號可能在放大后就淹沒在產(chǎn)生的噪聲里，給后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換帶來麻煩。本設(shè)計(jì)采用TI公司出品的OPA2227高精度雙路運(yùn)放，具有零點(diǎn)漂移小、噪聲低、功耗低及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在放大電路中的增益精度和線性度都很不錯(cuò)。

A/D轉(zhuǎn)換器的精度由其位數(shù)所決定，分辨率越高，A/D轉(zhuǎn)換器的抗噪聲能力越強(qiáng)[7]。本設(shè)計(jì)采用的是F28027單片機(jī)片內(nèi)自帶的A/D模塊，48腳封裝的F28027單片機(jī)擁有13通道、12位低功耗、高精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，最大分辨率為0.8mV，基本滿足本設(shè)計(jì)的需要[8]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

本設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖5所示。

3.2 坐標(biāo)算法設(shè)計(jì)

算法中常常需要確定一個(gè)變量依存于另一個(gè)或更多的變量的關(guān)系，即函數(shù)。但實(shí)際上確定函數(shù)的形式往往沒有先驗(yàn)的依據(jù)，只能在收集的實(shí)際數(shù)據(jù)中選擇一個(gè)最能擬合有關(guān)數(shù)據(jù)的函數(shù)形式[9]，又由于測取的數(shù)據(jù)量有限，單純建立數(shù)據(jù)庫造成的測量誤差偏大，故本設(shè)計(jì)采用TableCurve 3D軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。TableCurve 3D是自動三維曲線擬合與經(jīng)驗(yàn)公式查找軟件，它能分析三維數(shù)據(jù)并自動進(jìn)行曲面擬合，將測取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為擬合曲線與經(jīng)驗(yàn)公式，軟件內(nèi)部擁有453，697，387個(gè)方程式，只要導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該軟件便能從數(shù)以萬計(jì)的方程式中找到一個(gè)最接近3D數(shù)據(jù)的方程來擬合曲線。設(shè)計(jì)的具體過程為先在覆銅板上標(biāo)上5 mm精度的坐標(biāo)線，進(jìn)行逐點(diǎn)測值，由單片機(jī)控制繼電器切換覆銅板上所加的橫縱電流源，即可測取表筆所觸點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)關(guān)于橫向、縱向兩個(gè)恒流源作用下的兩個(gè)不同電壓值的關(guān)系，把測取的數(shù)據(jù)記錄在Excel表格里，再把表格導(dǎo)入到TableCurve 3D內(nèi)進(jìn)行擬合，圖6為軟件擬合界面。

此外，在多次測量過程中我們發(fā)現(xiàn)，由于頻繁通電和通電時(shí)間過長導(dǎo)致的覆銅板電阻變化會帶來一定的干擾，因此我們在程序中加入了中值平均濾波算法來抑制其造成的數(shù)據(jù)干擾。先連續(xù)采集N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉數(shù)據(jù)的一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，再計(jì)算剩下的N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值[10]。在硬件濾波的基礎(chǔ)上加上軟件濾波，能夠有效降低偶然誤差帶來的影響，使得結(jié)合擬合方程計(jì)算出的坐標(biāo)值更加精確。

3.3 繪圖算法設(shè)計(jì)

通過前期實(shí)驗(yàn)采樣和使用TableCurve 3D軟件擬合方程得到了點(diǎn)的坐標(biāo)與電壓值的對應(yīng)關(guān)系，只要表筆接觸覆銅板的某一點(diǎn)時(shí)，程序就能依據(jù)測取的橫縱不同電壓值計(jì)算出此點(diǎn)的坐標(biāo)，而繪圖功能的基礎(chǔ)就是點(diǎn)的坐標(biāo)值。眾所周知，兩點(diǎn)確定一條直線，數(shù)學(xué)中的直線方程有點(diǎn)斜式，截距式，兩點(diǎn)式等等，用其中任意一個(gè)公式我們都能得到一個(gè)正確的直線方程。在繪圖算法的設(shè)計(jì)中，通過相等時(shí)間間隔確定點(diǎn)的坐標(biāo)再通過算法繪制經(jīng)過每一個(gè)坐標(biāo)的曲線來達(dá)到跟蹤表筆軌跡繪圖的目的。

算法具體如下，首先通過設(shè)置采樣間隔時(shí)間，獲得每條線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)起點(diǎn)坐標(biāo)為（X1，Y1），終點(diǎn)坐標(biāo)為（X2，Y2），由此可以獲得兩點(diǎn)間的一條直線方程，然后比較X2-X1與 Y2-Y1的大小，若X2-X1> Y2-Y1則通過 X1+1，X1+2…X1+n 來確定對應(yīng)Y的坐標(biāo)， 直到X1+n=Y 為止，同理如果X2-X1

4 結(jié) 語

現(xiàn)場演示效果如圖7所示，依據(jù)本設(shè)計(jì)，基本能達(dá)到在10 cm×8 cm的普通覆銅板上確定坐標(biāo)，精度在2 mm誤差以內(nèi)，并且能夠跟蹤表筆運(yùn)行軌跡達(dá)到簡單圖形的繪制，運(yùn)行功耗很低。通過對本項(xiàng)目的研究及實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)對普通金屬表面的坐標(biāo)測定及手寫繪圖等方面有一定的實(shí)用價(jià)值。

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