2013电子设计竞赛 一等奖报告 手写绘图板 罗登 覃元元 吴旭峰

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1 手写绘图板 摘要:设计了一种基于MSP430F149的手写绘图输入设备。系统以MSP430为主控器,以高精度AD采样电路、精密恒流源电路、微弱电阻测量电路为外围辅助电路,能检测表笔与铜箔的接触,测量触点位置,并实现了手写绘图、显示文字的功能。系统使用普通覆铜板作为绘图板,利用四线法测量微弱电阻来确定坐标,本系统考虑到低功耗要求,整机功耗1.3W,坐标测量分辨率4mm,绝对误差小于2mm,测量准确、系统稳定,效果比较满意。

关键词:手写绘图板 ;MSP430 F149;精密恒流源;微弱电阻测量;高精度AD 2

一、系统方案 1.1 方案比较与选择 微小电阻测量实现方案 方案一:大脉冲电流测量法。产生脉冲电流源,流过普通覆铜板后,通过测量普通覆铜板上的最大压降,确定坐标位置。 方案二:精密直流恒流源测量法。产生精密恒流源,流过普通覆铜板,产生恒定压降,通过测量电压确定坐标位置。 方案三:精密交流电流源。产生交流电流输出,流过普通覆铜板后,产生特定频率的正弦电压,通过锁相放大的方法排除噪声的干扰,实现微弱电压信号的提取,进而确定坐标位置。 方案二实现起来较为简单,方案一能够减小功耗,但是脉冲电流可能引入较大的噪声,影响测量精度,而且控制相对复杂,方案三实现起来较为复杂。考虑到题目中坐标测量分辨率为6mm时,绝对误差不大于3mm,方案二能够满足要求,故选择方案二。

高精度AD采样电路

ADS831716位ADC

AD8132全差分运放ADR420电压基准

电压信号调理电路

普通覆铜板精密电流源

LM2576DCDC

采样电阻AD8571运放反馈普通覆铜板开关开关

INA118仪表放大器INA118仪表放大器

开关

电源与数字逻辑MSP43012864LCD屏A1205 DCDC12V转±5V

图1 手写绘图板系统框图 3

1.2 系统结构 本系统以MSP430为核心处理器,通过对ADC、MOS开关、12864LCD显示屏的控制,检测表笔与铜箔的接触,测量触点位置,实现了手写绘图、显示文字的功能,达到手写绘图板的基本技术要求。如图1所示,本系统主要由电压信号调理电路、高精度AD采样电路、精密恒流源电路、MSP430处理模块和12864LCD显示屏构成。由精密恒流源输出1A的恒定电流,通过开关控制电流流入普通覆铜板的方向,将表笔两端的压降通过INA118仪表放大器将mV级电压信号放大至V级,之后经过ADS8317采样,经过MSP430处理,将对应的坐标值以及图形、文字显示在LCD屏上。

二、理论分析与计算

2.1 坐标点测量方法 测量坐标值,可以等效为测量微弱电阻值,如图2所示,T是表笔测试端子,A、B、C、D是覆铜板的4个顶角;当覆铜板上A、C两点之间流过恒定电流时,覆铜板各点之间会产生恒定的压降,其等势线如图2所示。 考虑到覆铜板是二维平面,等势线上各点电压相等,所以仅仅测量T点与覆铜板某个顶角两点之间的压降,无法确定唯一坐标。因此,可以测量T点和B点、T点和C点之间的恒定电压降(U1、U2)。对于每一个坐标值,都有唯一的一组电压降(U1、U2)与之对应,即有唯一的一组电阻值(R1、R2)与之对应,这样便可以确定唯一坐标。 通常电阻值的测量采用两线法,但由于导线电阻会引入很大误差。故对于微弱电阻的测量采用四线法,可以消除导线电阻的影响。如图3所示R1~R4为4根测量导线的电阻值,由于流过Rx的电流是恒定的Is,所以Rx两端的电压 UX=IS×RX

为恒定值。这样通过四线制的方法就消除了导线电阻的影响,可以精确测量

电阻值,通过一组数据就可以确定唯一坐标。

图2 坐标测量示意图 4

R1R4RxR2R3 恒流源Is测量电压Um

图3 微弱电阻测量示意图 2.2 误差分析 影响精确测量直流电压值的原因主要是各种误差源的影响,这些误差源如图4所示,主要包括:放大电路的温漂、失调、恒流源的漂移、工频干扰、

Rx热电势△U5运放温漂、失调△U1恒流源漂移△U250Hz工频干扰△U3覆铜板自身变化△U4+

-

Is仪表放大器

图4 误差源示意图 覆铜板本身的变化、热电势等。通常这些误差会严重影响微弱电压信号的放大以及测量,因此必须消除或者减小误差源,测量才有意义。 实验证明,在弱电阻测量时误差源基本不随测试电流方向变化,因此通过改变测试电流的方向(电流导向技术),进行两次电压测量,然后将两次测量结果相减就可以消除误差的干扰。设折算到仪放输入端的直流误差信号为: ∆U=∆U1+∆U2+∆U3+∆U4+∆U5

则当测试电流为+IS时,电流自上而下流过电阻RX,此时

Uo1=+IS×RX+∆U 则当测试电流为−IS时,电流自上而下流过电阻RX,此时 Uo2=−IS×RX+∆U 将两次测量结果想减,得到 Uo=2IS×RX

这样直流误差就能消除,而且测量精度可以提高。

2.3 低功耗设计 根据题目中要求,总功耗限制在1.5W以内,电源为单12V供电。则总电流应5

该限制在0.125A以下。本设计中流过普通覆铜板的电流大小为1A,则精密恒流源的负载大小对功耗会产生很大的影响。设恒流源的负载电阻为R,则负载的功耗为: P=I2×R=(1A)2×R 由于要控制电流的流向,所以恒流源的负载包括普通覆铜板和开关,如图4所示。普通覆铜板的电阻大小约为50mΩ,因此需要减小开关的电阻。在本设计 中,开关采用IRF3205,其导通电阻仅为8mΩ,这样恒流源回路电阻为: R=50mΩ+8mΩ+8mΩ=66mΩ

普通覆铜板

Is开关开关

图5 恒流源负载示意图 恒流源回路上的功耗仅为66mW,成功的避免了大电流带来的大功耗。 同时控制中心采用低功耗单片机MSP430,显示屏使用12864,两者静态功耗仅为0.2W;仪表放大器选用INA118,其静态电流仅350uA,采用±5V供电,功耗仅3.5mW;ADC采用5V供电的ADS8317,采样率为10kHz时,功耗仅为0.5mW。综上通过合理的器件选型与电路设计,能够成功地实现低功耗设计。

三、电路与程序设计

3.1 主要功能电路设计 (1)恒流源电路设计 恒流源电路如图6所示,由AD8571、NPN管和TPS5430构成一个大反馈。反馈环较大容易产生振荡,但通过合理的调节参数可以使输出稳定。此电路可以在消耗很小的功率条件下输出最大3A的电流。输出电流受输入电压的控制,其关系为:

ILOAD=Vin

R2

本系统将输出电流设计为1A,这样输入电压为0.1V。由于运放采用单电压

供电,0.1V的输入电压相对过小,为保证运放正常工作可以设置偏置电压和采用轨至轨输入运放。本设计采用轨至轨输入运放AD8571,AD8571的输入电压可以低至0V。AD8571及NPN管的供电电压由稳压芯片提供。 (2)检测电路设计 检测电路如图7所示,使用高精度低功耗仪放INA118对表笔两端的电压进行放大,放大倍数设定为1000倍。为了避免工频等其他干扰,输入与输出均接有截至频率约30Hz的一阶RC滤波器。输入输出均有对地10KΩ的电阻,用于泄放高阻抗节点寄生电容耦合的噪声干扰。 6

图6 恒流源电路 图7 检测电路 (3)AD采样电路设计 AD采样电路如图8所示,其中AD8132全差分运放用于将输入信号由单端输入转换成双端差分输入,以减小噪声的干扰;全差分运放的共模电平和ADC的基准电压由外部参考源ADR420电压基准芯片提供。ADS8317是16位高精度ADC,能够满足6cm x 4cm内,精确测量3mm的精度要求。

3.2 主要程序设计 (1)系统程序流程图 由于要时刻判断表笔是否接触以及等待着按键的触发,因而整体流程使用循环的模式,在循环中进行AD采样、状态改变以及液晶的显示。由于按键的触发需要实时判断,因而采用外部中断的方式来判断按键触发,并在中断中进行按键处理。整体流程图如图9。 7

图8 AD采样电路 程序开始时,单片机控制不同的IO口输出不同的电压,从而控制加在覆铜板电流的方向, AD采样不同坐标处的电压值后,就可以得到每一坐标处两个不同方向电流所对应的电压值,再经过查表得到相应的坐标。图中的五种状态是通过按键触发中断实现转换的,状态一中对读取的坐标值的基本判断,其中的坐标值储存是做的一个扩展功能,当判断接触并且前后两点的误差大于3mm时,表示此点有效并将此点储存起来;状态二是将坐标值用液晶显示出来并依次连接有效的相邻两点;状态三中连成文字,需要进行接触判断处理,如果画线过程中有表笔没接触的情况,则表示文字的某一笔一划写完,下一点不能与此前的最后一点连接;状态四实现状态一中存储数据的显示;状态五也是做的一个扩展功能,只需确定两点就能够快速的画出一个圆形,第一点确定圆心,第二点与第一点距离确定半径。 (2)AD采样消除工频干扰的实现 由于输出的直流电平中含有很小的50Hz工频干扰信号,因而单次AD采样得到的值不是一个定值,此时就需要一定的算法来消除此干扰信号。工频干扰信号是一种正弦信号,所以取工频信号的一个周期,并在周期内连续多次采样,求出的平均值就是直流输出电平的值。为了实现此算法,我们先用示波器测得AD采样一次数据花的时间约为60.6 us,因此需要连续采样330次,才能取得一个完整周期20ms内的所有值。这样处理之后发现AD采样的值能够很稳定,误差约为1‰,精度完全满足要求。 (3)系统校零的实现 由于系统的工作电压的微小变化都会引起AD采样数据的变化,从而会使得到的坐标值有微小的漂移,此时就需要进行系统校零来消除此误差。当按键二按下时,将会触发IO口中断,在中断中进行AD采样,此时将触笔接到坐标中的原点,记录此时的AD采样数值,那么以后的AD采样数值都是在此基础上进行一定的增量、减量计算,再经过上面的坐标值确定算法,就可以比较准确的得到和系统工作电压相关性很小的坐标值。