2013-年全国大学生电子设计竞赛手写绘图板.pdfVIP

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2013 年全国大学生电子设计竞赛 手写绘图板(G 题) 【本科组】 2013 年 9 月 4 日 摘要 本文设计的是低功耗简易手写绘图板,系统采用 Arm STM32F103VBT6 为控 制核心,用 12v 的单一电源供电,再经电路变换后分别向ARM 处理器、放大器、 恒流源提供+5v 、±5v 、12v 的电源。恒流源模块提供两路驱动电流,由ARM 微控 制器交叉控制对角两路电流,手写笔的电压信号经仪表放大器放大,AD 采样, 由ARM 控制坐标转换算法,将绘图板电压的物理坐标转换为显示器的逻辑坐标。 通过测试,设计手写绘图板可正确显示触点的坐标及象限,记录表笔运动的轨迹。 测量分辨率为 1mm,工作电流小于 50mA,显示界面清晰友好。 关键词:手写绘图板,坐标转换算法,微控制器 目录 I II 任务与要求 1.1 任务 利用普通 PCB 覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。系统构成框图如图 1-1 所示。覆铜板四角用导线连接到电路,同时,一根带导线的普通表笔连接到电 路。表笔可与覆铜板表面任意位置接触,电路应能检测表笔与铜箔的接触,并测 量触点位置,进而实现手写绘图功能。 图 0-1 系统构成框图 1.2 设计要求 1.2.1 基本要求: (1)指示功能:表笔接触铜箔表面时,能给出明确显示。 (2)能正确显示触点位于纵坐标左右位置。 (3)能正确显示触点四象限位置。 (4 )能正确显示坐标值。 (5)显示坐标值的分辨率为 10mm,绝对误差不大于 5mm。 1.2.2 发挥部分: (1)进一步提高坐标分辨率至8mm 和 6mm;要求分辨率为8mm 时,绝对 误差不大于 4mm ;分辨率为 6mm 时,绝对误差不大于 3mm。 (2)绘图功能。能跟踪表笔动作,并显示绘图轨迹。在A 区内画三个直径分 1 别为 20mm,12mm 和 8mm 不同直径的圆,并显示该圆;20mm 的圆要求能在 10s 内完成,其它圆不要求完成时间。 (3)低功耗设计。功耗为总电流乘 12V;功耗越低得分越高。要求功耗等于 或小于 1.5W。 (4 )其他。如显示文字,提高坐标分辨率等。 2 系统方案 本系统主要由控制模块、恒流模块、放大模块、显示模块、电源模块组成, 下面分别论证这几个模块的选择。 1.3 控制模块比较与选择 方案一:采用 FPGA 做主控制器,由 FPGA 来完成采集和信号处理等底层的核 心计算,它是作为专用集成电路(ASIC )领域中的一种半定制电路而出现的,既 解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。但 FPGA 控制功能稍显不足,大电流小电压处理有些困难,但它的功能强大,功耗较低, 可快速成品。 方案二:采用 AT89S52 单片机做主控制器,AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器,具有 8K Flash 存储器。在单芯片上,拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash,使得AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、 超有效的解决方案。它的成本低,易控制,易实现。缺点:运行速度慢,存储容 量小,难以完成复杂的运算。 方案三:采用 ARM 微处理做主控芯片,ARM 处理器是一个 32 位元(RISC)处 理器架构,因其计算速度快,耗电少、功能强、存储容量大,已被广泛地使用在 许多。主要不足是设计复杂,需要有一定开发经验。 经过以上三个方案比较,为了实现电路设计的低功耗及高速的运算速度,故 采用方案三。 1.4 恒流源模块比较与选择 为了能够检测绘图板触笔位置,需要在导电的 PCB 板上形成一定强度的电流, 考虑到功耗和电源的限制,故需要设计恒流源电路。 方案一:选用场效应管恒流源。其基本电路与晶体管恒流源类似。场效应管 恒流源较之晶体管恒流源,其等效内阻较小,但增大电流负反馈电阻,场效应管 恒流源会取得更

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