基于MSP430F149的手写绘图板设计

胡学芝,刘笑平,王传呈

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)

0 引言

随着教育教学改革的进一步深化，电子白板产品备受教学设备市场关注，本文所研究的手写绘制板可作为电子白板的书写设备。系统使用覆铜板作为绘图板，把覆铜板作为输入设备控制上位机，在覆铜板上实现打点、画图、写字等功能，把打点、画图、写字的位置和形状在显示设备上精确显示。该绘图板还可做成鼠标、键盘等输入设备，可以用于教学、军事、生活等很多领域，具有很大的研究潜能和意义。硬件系统由恒流源、信号检测、 运算放大器、A/D采集、240×128液晶显示、按键输入等模块和普通铜板等部分组成，整机功耗1.2 W，它能快速、准确识别表笔落点的位置，并能跟踪识别表笔动作，在液晶上清晰地显示绘图轨迹。本系统功耗低、测量准确、系统稳定、整体性能良好。

1 系统工作原理

检测手写坐标位置通常有3种方法：精密交流电流源法、精密直流恒流源测量法和大脉冲电流测量法。精密交流电流源法实现时较复杂，而大脉冲电流测量法在实现时会引入较大的噪声，从而影响测量精度。因此本系统选用精密直流恒流源测量法，这种方法是通过测量流过覆铜板的电流产生的电压降来确定坐标，精度高且实现方便。

1.1 电场线和电势线的计算与仿真

在普通铜板上表笔触点与导线接地焊点可近似看成点电荷，铜板可看成均匀的导电物质，2个静止点电荷之间的作用力为：

(1)

式(1)中：q1、q2为2点的等效电荷量，R为2点的等效距离，力的方向在2个电荷的连线上，2个电荷同号时为斥力，异号时为吸力。

电场强度为：

(2)

而有势场E的势函数U为：

(3)

由以上公式可计算出各点的电势U、电场强度E，并用MATLAB绘出相应电荷的电场分布情况。应用MATLAB进行仿真时，一对等量异种点电荷的平面等势线可以用MATLAB的等高线命令绘制，仿真中2个等量的正负点电荷的电量分别取q1=2e-9,q2=-2e-9, 正电荷在x轴正半轴, 负电荷在x轴负半轴, 2个点电荷距原点的距离均设为a=0.02；假设平面范围为x0=0.05，y0=0.04，2个点电荷的坐标向量分别为x=linspace(-x0,x0,20)和y=linspace(-y0,y0,50)。设定平面的网格坐标为：[X,Y]=meshgrid(x), 各点到2个电荷的距离分别为：r1=sqrt((X-a)2+Y2),r2=sqrt((X+a)2+Y2)。取最高电势为：u0=50,最低电势为其负值。

画平面电场线可利用MATLAB 的箭头命令, 用各点的电场强度方向代替电力线，取电荷的半径为：r0=0.002,场强分解的2个分量和总场强计算公式为：

(4)

(5)

E=sqrt(Ex2+Ey2)

(6)

其中：(x1，y)为起始点到第1个点电荷的坐标，(x2，y)为起始点到第2个点电荷的坐标，r1,r2分别为该点到2个电荷的距离。用MATLAB仿真点电荷之间电场线与等势线的分布情况，MATLAB仿真图如图1所示。

图1 2个异种电荷电场线、电势线

1.2 坐标点的确定与转换

系统确定坐标的方法主要采用单臂桥测量小电阻的方法。铜板上随着表笔的移动，电阻发生变化，产生的电势也发生变化，通过测量触点与C之间的电势差，取得的信号值经过放大，由A/D转换成数字量，当表笔在绘图板上移动时，由于表笔距离4个检测点不同，导致4个检测点检测到的电阻值不同，反映到A/D上的值不同，并对应一组数据。通过计算得出每组数据都是唯一的，从而确定表笔的位置。检测电路原理图如图2所示。

假设此时触笔接触点为A点，此时采集A点的值为(a0,b0),将这个数据转换为(ax,by)(其中ax，by分别是由a0和b0转换到x轴、y轴上的坐标值)。测试A点坐标转换结构图如图3所示。

图2 检测电路原理图

图3 测试A点坐标转换结构图

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件组成

本系统采用MSP430F149单片机作为系统控制器，由恒流源、信号检测、运算放大、A/D采集、液晶显示、按键输入等部分组成[1]。在普通敷铜板上可以实现坐标的精确定位、画图，由LCD显示坐标位置和所画图的大致形状。系统组成框图如图4所示。

图4 系统组成框图

2.2 电源的选择

采用12 V直流电源供电。因LM7912，LM7805稳压后纹波系数大、发热量大，不易用在小信号测量电路中。LM2576稳压性能好、发热量小、可提供功率大，所以本系统用LM2576稳压到±12 V供放大器使用，LM2576稳压到5 V供液晶使用，ASM1117稳压供MSP430F149使用。本系统用推挽电路实现单电源转双电源，电路如图5所示[2]。

图5 单电源转双电源电路

本系统电源采用SG3525作为驱动电路，SG3525可产生相位相差180°的2路PWM信号[3]，且频率为：f=1/(Cf(0.7Rr+3Rd))，SG3525驱动电路如图6所示[3]。

图6 SG3525驱动电路

2.3 液晶显示模块的选择

采用LCD 240×128液晶显示，LCD 240×128和LCD 12864相似，也具有8位并行和串行数据传输，控制简单，操作方便且具有240×128的分辨率[4]，更能满足图像显示要求。

2.4 A/D采样电路设计

采用TI公司的12位串行模数转换器TLC2543进行A/D转换，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。基准电压3.3 V，精确到0.05 mV 。采集到的电压计算公式为：

U=(3.3/65535)X

(7)

式(7)中：X为A/D采集后寄存器中的值。

3 系统软件设计

系统软件由一个菜单模块构架，使用大屏幕和矩阵键盘作为人机交互界面，在不同的菜单下可运行相互独立的多种功能，使得软件结构分明[4-5]，可通过矩阵键盘选择系统校正、显示左右象限、显示打点坐标、显示绘制图形等多种功能。为了采集数据的准确性应用了经典的卡尔曼滤波算法。卡尔曼滤波算法是基于状态空间方法的一套递推滤波算法，在状态空间方法中，引入了状态变量的概念[6]。在实际应用中，可以通过选取合适的状态变量来体现系统的特征、特点和状况的变化。同时，还应用了数据转化和数据处理的一系列公式，保证数据在LCD上坐标显示的准确性。软件设计流程图如图7所示。

图7 软件设计流程图

4 测试方案与测试结果

4.1 测试方案

板子采用15 cm×10 cm普通的覆铜板，表笔采用万用表的表尖，覆铜板上用笔画上小方格，以提高显示的分辨率。测试结果显示可识别精度为2 cm，可以在液晶上准确显示打点坐标、所在象限和在坐标系中的位置。能够绘制矩形、三角形等基本图形，在液晶中显示基本图形的大致形状。测试开始时必须对系统进行一次校验来保证采集数据的准确性、有效性。测试设计图如图8所示。

图8 测试设计图

4.2 测试结果分析

测量结果表明，该设计方案切实可行，无论触笔点在铜板测试区域任何一点，在LCD上都可以准确显示触点象限、坐标，用触笔在铜板测试区域画出图形，在LCD上都能时时跟随触笔动作，显示触笔运动的轨迹，也就是触笔在铜板测试区域所画的图形。在本设计中，电路结构清晰明了，软件设计思路清晰，算法精妙，计算准确。

5 总结

本系统应用了单臂桥测小电阻法，测量恒定电流通过铜板产生的电势差，运用差分放大、比例放大把小信号放大成A/D可采集信号，其中还应用了二阶低通滤波电路、卡尔曼经典滤波算法，保证采集数据的稳定性、准确性。12位A/D保证了采集数据的精确性。由于环境不同、磁场不同，其对系统的影响不同。针对环境的影响，本设计采用系统校验来消除。

参考文献

[1] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京：北京航空航天大学出版社, 2006.

[2] 孙肖子,邓建国，陈南，等.电子设计指南[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 黄争.德州仪器高性能模拟器件在大学生创新设计中的应用与快速选型指南[M].上海：德州仪器(上海)有限公司大学计划部，2009.

[4] 谭洪，邓彬伟，温沐阳，等.激光枪自动射击装置设计与实现[J].机械研究与应用，2013，26(1)：76-79.

[5] 夏益民,杜敏.AT89C2051在加热炉温度采集系统中的应用[J].电子世界，2005(10)：35-37.

[6] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京：北京航空航天大学大学出版社，2001.