基于STM32的主动式电容笔设计

姚诗磊，李龙辉，孙嘉骞，易黄建

（西北大学 信息科学与技术学院，陕西 西安 710000）

0 引 言

主动式电容笔的作用对象是电容屏，电容屏是近年来兴起的一类屏幕，目前大多数电子设备应用的都是电容屏[1-2]。电容笔通过内部电路产生的信号与触摸屏作用从而产生电流，产生的电流可以用来检测笔的坐标。电容笔输出的信号能够模拟人体电流作用于电容屏，起到代替手指的功能。用户可以流畅地在屏幕较大的电子设备上书写。研究的核心问题在于如何输出连续、平稳且能够作用于电容屏的信号，且考虑到电容笔的功能实现，不能将笔设计得太大，因此选择可集成、体积小的器件来实现功能。

目前市场上主动式电容笔售价较高，很少有厂家开发这样的电容笔。本文主要基于正弦信号发生和模数转换设计了一款能够作用于电容屏的电容笔，且在各电路模块上可以进行拓展以增加电容笔的功能。

1 主动式电容笔的主要原理研究

电容笔的作用对象是电容屏，首先要了解电容屏的结构及工作原理。电容屏的结构是一块四层复合玻璃层，将ITO导电材料涂在内表面和夹面之间[3]。电容屏的工作原理是人的皮肤与电容屏有接触时，皮肤作为导体，皮肤和电容屏之间会产生耦合电容，电容屏幕会在接触点生成一个小电流，电流最终流向屏幕处于对角的4个电极中，计算这些电流到达电极的时间，确定触摸的准确位置。电容笔的工作原理与之类似，电容笔与屏幕接触产生动作电流，电流流入屏幕对角的4个电极中，并且电流到达电极的时间与电流流过的距离成正比，处理器对4个电流的到达时间和距离进行计算，可以定位到屏幕上接触点的位置。

根据电容屏的基本特征，设计一款模拟人体电流的电容笔，满足人们在电子设备上书写的需求。本文利用文氏桥振荡电路产生一个正弦波，而后对正弦波进行处理和分析，输出一个精度较高的模拟信号。在此过程中需要考虑各模块的选用和设计以及电路参数的设置。

2 主动式电容笔系统模块

2.1 主动式电容笔模块设置

主动式电容笔包括电容笔模块、STM32芯片模块、压力传感器模块和蓝牙模块，如图1所示。压力传感器安装在笔尖处，用于收集笔尖压力信息而后传给STM32芯片，从而改变输出信号幅值。蓝牙模块与STM32连接使电容笔工作。

图1 各模块示意图

2.2 主动式电容笔控制模块

控制模块包括STM32F4ZET6主控芯片、蓝牙和压力传感器。STM原理图如图2所示。

图2 STM32芯片原理

当蓝牙模块与STM32连接之后，给PA4输出高电平，给电路模块供电，当无连接时电路断路不输出信号。笔尖的压力传感器用于感知笔尖压力大小，当压力越大时改变输出信号幅值，从而改变书写宽度。

控制代码如下：

2.3 主动式电容笔信号产生模块

主动式电容笔内部电路组成包括信号发生模块、模数转换模块、LC选频模块、电路保护模块，如图3所示。

图3 电容笔内部示意图

2.3.1 信号发生模块

信号发生模块采用的是文氏桥振荡电路（Wien Bridge Oscillator Circuit），其通过对各项参数的设置能够产生电路所需的正弦信号。在此部分需要解决的问题是如何调节各项参数的值来获得所需信号以及如何使输出的正弦波更稳定[4]。信号发生模块电路图如图4所示。

图4 信号发生模块电路

信号发生模块由电阻、电容、二极管和运算放大器组成，通过调节R2，C1，R3，C2的值来调整输出正弦波的频率[4]，调节R1，R4和R5可以改变电路放大倍数（Au1为二极管导通前放大倍数，Au2为二极管导通后放大倍数），计算公式如下：

正弦波发生器对阻抗匹配要求严格，故选频网络的电阻电容值需要符合要求，在滤除产生的各次谐波之后可以产生更加平滑的正弦曲线。调节R5的电阻值可以调节获得正弦波的幅值，确保输出信号不出现非线性失真的情况[5-6]。

为确保不出现失真，需要改变模块的放大倍数Au。当Au＜3时，电路主要是负反馈，此时电路不输出信号；当Au＞3时，电路主要是正反馈，此时电路输出信号会出现失真；当Au=3时，正负反馈处于平衡，波形不会出现失真情况，此时输出波形稳定。

这种电路物理实现性低，是因为难以控制电路放大倍数恰好为3，所以对电路做出如下修改：

在原有的基础上增加2个并联反向二极管，这样做的目的是当振荡信号比较小时，二极管处于不导通状态，其支路相当于断路，当Au＞3，二极管导通，降低了放大倍数，使电路逐渐恢复正常工作。改进之后输出波形如图5所示。

图5 信号发生电路改进后输出波形

2.3.2 模数转换模块

模数转换模块采用的是滞回型电压比较器，将文氏桥产生的正弦信号进行处理，将正弦波转化成为同频率的矩形波，优点是抗干扰性好且输出稳定[7]。电压比较器作用是比较同相输入和反相输入端输入的电压的大小并输出高低电平[8]。

电压比较器有两个工作状态：一是同相端电压高于反相端电压，产生高电平信号；二是同相端电压低于反相端电压，产生低电平信号[9]。此模块采用反相输入模式，设计时需要考虑的问题有：稳压管的大小如何选择，稳压管可以改变比较器的输出波形；R的取值，R的大小决定了运放的工作状态。电压比较器工作示意图如图6所示。

图6 电压比较器工作示意图

滞回比较器的左右电压变化范围为：

电压比较器电路原理图如图7所示，数模转换输出波形图如图8所示。

图7 电压比较器电路原理

图8 数模转换输出波形

2.3.3 LC选频模块

电压比较器产生的信号通过LC并联选频网络，从输入信号中选择出所需的信号，滤除产生的无用信号，减少谐波输出[10]。电容和电感的取值取决于在文氏桥振荡电路所产生的信号频率大小[11-12]。实验结果显示，在添加保护模块之后能够使输出信号在高低电平持续期间不断变化，使电容笔书写时不容易出现间断现象。

将通过LC谐振电路的信号通过笔头作用于电容屏上达到模拟人手指触摸的功能。信号在谐振频点处通过，在-3 dB处的信号被截止，通过傅里叶变换可以看出其在频域下的分量。傅里叶分析如图9所示。

图9 傅里叶分析

实验结果表明，信号频域分量在谐振频点处的能量值最大，其余频点处的分量小，滤波效果较好。LC谐振电路输出波形图如图10所示。

图10 LC谐振电路输出波形

输出信号傅里叶变换见表1所列。输出傅里叶变换参数见表2所列。

表1 输出信号傅里叶变换

表2 输出傅里叶变换参数

2.3.4 电路保护模块

在LC选频网络中设置电路保护模块，因为LC选频网络输出信号与笔尖连接，可以防止因笔头反流电流过大而造成内部电路的损坏；且为了避免电路中浪涌冲击导致模块损毁[13]，选择使用二极管对输出端进行稳压。

3 结 语

本文研究了主动式电容笔的内部主要原理和外部控制电路，阐述了主动式电容笔结构及原理。在不改变现有触摸屏的架构之下，设计出具有信号发生和运算、数模转换、选频滤波等功能的电路。在解决了能产生基本信号的基础上，改进了电路的性能，令电容笔使用更符合人们要求。