基于覆銅板的手寫繪圖板設(shè)計

梁仲華，莊兆永，洪遠泉

（韶關(guān)學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院,廣東 韶關(guān)512005）

基于覆銅板的手寫繪圖板設(shè)計

梁仲華，莊兆永，洪遠泉*

（韶關(guān)學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院,廣東 韶關(guān)512005）

摘要：系統(tǒng)以MSP430單片機為控制核心,包含有手寫輸入電路、輸入檢測放大電路、繪圖銅板和液晶顯示等接口的電路.繪圖筆尖在銅板上滑動,筆尖點與覆銅板的四個頂點之間的阻值會發(fā)生變化,產(chǎn)生相應(yīng)微小變化電壓,對此微小信號檢測、放大、變換等處理,最后顯示相應(yīng)圖形的形狀、坐標(biāo)、位置等相關(guān)信息.經(jīng)測試,系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)手寫繪圖功能.

關(guān)鍵詞：單片機；手寫輸入；覆銅板；位置；坐標(biāo)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,手寫繪圖板在教學(xué)、科研和生活中的應(yīng)用越來越廣泛.目前,市面上有很多手寫繪圖板,雖然精度高,但價格較昂貴,操作復(fù)雜,難以普及應(yīng)用.而且,在很多場合,操作速度要求快.因此,操作簡單,價格低廉、攜帶方便的手寫繪圖板有廣泛的應(yīng)用空間.筆者研究了一種基于MSP430處理器的手寫繪圖板系統(tǒng),具有操作簡單,攜帶方便,輸入迅速,性價比高等優(yōu)點.

1　手寫繪圖板原理

如圖1所示,ABCD為用作手寫繪圖的覆銅板,E為手寫筆在銅板上的接觸點,R1～R4為E到四個邊角的等效電阻,IS1和IS2為驅(qū)動恒流源.顯然,E在銅板上位置變化時,R1～R4的阻值也會變化.將阻值變化和銅板平面坐標(biāo)值的變化對應(yīng)起來,就可實現(xiàn)手寫板坐標(biāo)識別功能［1-2］.由于銅板的等效電阻為毫歐數(shù)量級,阻值非常小,直接計算與測量比較困難.筆者利用電流源驅(qū)動銅板,將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橛|點電位變化,間接測量電阻阻值變化.當(dāng)開關(guān)K1接通時,穩(wěn)恒電流IS1從A點流向D點,銅板由上往下,布滿水平等電位線.觸點處電壓代表坐標(biāo)Y軸值.同理,開關(guān)K2接通,穩(wěn)恒電流IS2從C點流向D點,銅板由右往左,布滿垂直等電位線.觸點處電壓代表坐標(biāo)X軸值.

圖1　手寫繪圖板原理圖

2　系統(tǒng)電路設(shè)計

根據(jù)手寫繪圖板的工作原理,設(shè)計的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示.以MSP430單片機為控制核心,P10和P11端口控制恒流源的輸出,驅(qū)動銅板,在觸點處產(chǎn)生代表X和Y軸坐標(biāo)位置的微電壓,經(jīng)過放大濾波以及單片機采集處理后,在液晶上顯示測量結(jié)果. 2.1 MSP430處理器及最小系統(tǒng)接口電路

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的主控制器為MSP430單片機,是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器,主要特點如下∶（1）低電源電壓使用范圍,1.8～3.6 V.（2）超低功耗,擁有不同的5種低功耗模式.（3）靈活的時鐘使用模式.（4）高速的運算能力,16位RISC架構(gòu),指令周期為125 ns.（5）內(nèi)含AD和DA等模塊.（6）快速、靈活的編程方式,可通過JTAG和BSL兩種方式向CPU內(nèi)裝載程序等［3-5］.其最小系統(tǒng)接口電路如圖3所示.

圖3　MSP430最小系統(tǒng)接口電路

2.2差分放大濾波電路

差分放大及有源二階放大電路如圖4所示.用儀表放大器AD620對手寫觸筆輸出微弱電信號與銅板公共端取樣電壓進行差分放大,以便消除系統(tǒng)的共模干擾信號.差分放大增益計算如式子（1）所示,調(diào)節(jié)電阻RG,即可改變系統(tǒng)增益［6-7］.

差分放大電路將微電壓信號放大到1 V左右,然后通過由電阻R11、R12和電容C1、C2以及運放LM358N組成的有源二階低通濾波電路,消除高頻噪聲,送往微處理器內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集.

圖4　差分放大濾波電路

2.3恒流源電路

手寫繪圖板觸筆坐標(biāo)的位置測量其實就是覆銅板水平和垂直等電位線的測量.由于銅板等效電阻非常小,位置變化產(chǎn)生的等電位線變化也非常小.測量時,如果電源有波動,則對測量結(jié)果的影響非常大.用穩(wěn)定性能好、準(zhǔn)確度高的穩(wěn)恒電流源驅(qū)動銅板,有利于提高測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性.穩(wěn)恒電流源電路如圖5所示,由集成穩(wěn)壓芯片TL431將電阻R0上的電壓穩(wěn)定在2.5 V,三極管Q1實現(xiàn)電流放大［8］.輸出電流的計算如式子（2）所示.微處理器P10和P11端口電壓的高低變化,可控制三極管Q2和Q3的通斷,實現(xiàn)恒流源的開關(guān)控制.

3　軟件設(shè)計流程與坐標(biāo)定位算法

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計流程如圖6所示.系統(tǒng)通電后先進行初始化,再用按鍵選擇系統(tǒng)狀態(tài).系統(tǒng)默認在運行狀態(tài)工作,開機后長按校正按鍵,可進入坐標(biāo)校準(zhǔn)狀態(tài).

坐標(biāo)校準(zhǔn)時,以10mm為基準(zhǔn)坐標(biāo)間隔, 將15 cm×10 cm的銅板分成150個基準(zhǔn)坐標(biāo)點,逐點測量X和Y軸電壓值,并存入系統(tǒng).

圖5　恒流源電路

圖6　程序流程圖

系統(tǒng)運行時,先判斷觸筆是否接觸到銅板.如果觸筆接觸銅板,控制IO口打開電流源IS1,產(chǎn)生水平等電位線,采集坐標(biāo)Y軸電壓；然后,關(guān)閉IS1,打開IS2,產(chǎn)生垂直等電位線,采集坐標(biāo)X軸電壓.為降低功耗,電壓采集完成后,需關(guān)閉穩(wěn)恒電流.經(jīng)過實際測試表明,覆銅板流入恒流源形成的水平或者垂直等電位線并不是直線,具有一定的非線性.筆者將查表算法和線性插值算法結(jié)合起來,實現(xiàn)坐標(biāo)精確定位.如圖7所示,交叉線上的黑點為基準(zhǔn)坐標(biāo)點,其坐標(biāo)值和電壓值在校準(zhǔn)時已保存在系統(tǒng).線性插值的本質(zhì)是將非線性的等電位線局部線性化.假設(shè)系統(tǒng)運行時,書寫觸筆在P點位置,采集的電壓值為（U,V）,距離P點最近的基準(zhǔn)坐標(biāo)點為L,點M和N為點L的相鄰基準(zhǔn)坐標(biāo).L、M、N點的坐標(biāo)值分別為為（XL,YL）、（XM,YM）和（XN,YN）,對應(yīng)的電壓值為（UL,VL）、（UM,VM）和（UN,VN）.在局部區(qū)域內(nèi),L、M、N和P點的電壓變化是線性的.P點坐標(biāo)值（X,Y）計算如式子（3）所示.

圖7　線性插值法

4　數(shù)據(jù)測試分析

數(shù)據(jù)測試包含基準(zhǔn)坐標(biāo)校準(zhǔn)測試和任意坐標(biāo)點線性插值測試兩部分.基準(zhǔn)坐標(biāo)校準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)表1所示.表1中數(shù)據(jù)表明,手寫板等電位線是非線性的.如點（-6,0）與點（6,0）構(gòu)成的直線上,Y軸電壓并不恒定,而是在350～360mV之間.X軸坐標(biāo)變化一個單位時,電壓的變化率也不一致.

表1　基準(zhǔn)坐標(biāo)測試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)校準(zhǔn)完成后,采用線性插值算法計算繪圖板任意點的坐標(biāo)值.系統(tǒng)測試的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示.坐標(biāo)定位絕對誤差在5mm以內(nèi),基本實現(xiàn)手寫板坐標(biāo)識別功能.

表2　系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

手寫板坐標(biāo)定位精度,與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率和基準(zhǔn)坐標(biāo)的個數(shù)有關(guān).增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度和基準(zhǔn)坐標(biāo)點的個數(shù),可進一步降低坐標(biāo)定位誤差.

5　結(jié)語

根據(jù)該手寫繪圖板的工作原理和系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,筆者制作了實驗平臺,完成了數(shù)據(jù)測試,坐標(biāo)定位誤差5mm以內(nèi),實現(xiàn)了手寫繪圖功能.可廣泛地應(yīng)用于手寫漢字輸入板、手寫繪圖板等不需要很高精度的手寫輸入場合.

參考文獻：

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（責(zé)任編輯∶李婉）

中圖分類號：TP23

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-5348（2015）10-0041-04

［收稿日期］2015-06-30

［基金項目］廣東省教育廳科技創(chuàng)新項目（2013KJCX0169）；韶關(guān)學(xué)院2014年國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（201410576012）.

［作者簡介］梁仲華（1993-）,男,廣東肇慶人,韶關(guān)學(xué)院物理與機電工程學(xué)院學(xué)生；研究方向∶電子技術(shù).*通信作者.

Deslgn of Draw lng Board for Slm Ple Hand InPut Based on CoPPer Clad Panel

LIANG Zhong-hua,ZHUANG Zhao-yong,HONG Yuan-quan*
（Institute of Physics and Mechanica1&E1ectrica1Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

Abstract:The system is basica11y contro11ed by the MCU（Micro Contro11er Unit）named MSP430.The interface main1y contains circuits of handwriting inPut,inPut detecting amP1ifying circuits,drawing coPPer,LCD circuits and so on.When moving the mu1ti-meter Probes,there is an extreme1y s1ight change in resistance from that Point to the four vertexes by testing the surface resistance of the coPPer c1ad 1aminate,and there is tiny corresPonding vo1tage.Then the graPhic shaPe,coordinate and the 1ocation can be shown on the disP1ay screen by testing,amP1ification,converting and Programmatica11ymaniPu1ating of the tiny signa1.The system can successfu11y conduct the drawing functions after testing.

Key words:MCU；handwriting inPut；coPPer c1ad Panne1；1ocation；coordinate