1、-i-本科毕业论文（20 届）基于 ARM 的手写绘图板设计所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期-ii-基于 ARM 的手写绘图板设计目 录前言 .2第 1 章 系统方案 .3第 1.1 节 信号采集和放大的论证与选择 .3第 1.2 节 电源模块的论证与选择 .3第 1.3 节 控制模块的论证与选择 .3第 1.4 节 显示模块的论证与选择 .3第 1.5 节 放大模块的论证与选择 .4第 2 章 硬件电路设计 .5第 2.1 节 恒流源模块 .5第 2.2 节 差分放大模块 .7第 2.3 节 AD 转换模块 .7第 2.4 节 控制与显示模块 .8第 3 章 程序
2、设计 .13第 3.1 节 控制芯片 .13第 3.2 节 编程环境 .13第 3.3 节 程序设计思路与功能 .13第 3.4 节 程序总流程图 .14第 4 章 测试方案 .16第 4.1 节 测试方法 .16第 4.2 节 测试条件与仪器 .16第 4.3 节 测试结果及分析 .16结论 .17参考文献 .18致谢 .19附录 .20附录 1：原理图 .20附录 2：实物图 .21附录 3：部分源程序 .21第 1 页基于 ARM 的手写绘图板设计【摘要】：本系统以 STM32 单片机为核心，采用 STM32 自带 AD 进行数据采集,设计并制作了一个分辨率为 15cm*10cm 的覆铜
3、板坐标定位系统。该定位系统可以快速实现坐标显示，图形绘制，图形存储及回放。将 6cm*4cm(高精度区 A)和 12cm*8cm（一般精度区 B）对应的像素点显示在迷你型液晶上，并且具有高分辨率。并且通过按键可以实现不同功能之间的切换。通过单片机的控制实现各种显示存储功能。本系统的难点在于不用任何传感器，实现在覆铜板上的定位，这就需要微小电阻的测量方面的知识，典型方法有电桥法测微小电压，四点法测电位差。【关键词】：STM32 ；覆铜板；电位差；Abstract: The system uses STM32 microcontroller as the core, using STM32 wit
4、h the AD data acquisition, the design and implementation of a resolution of the CCL coordinate positioning system 15cm*10cm.The positioning system can quickly realize the coordinate display, graphics rendering, graphics storage and playback. Center of 6cm 4cm (high precision A) and 12cm*8cm (general
5、 precision B) corresponding to the pixel display in the mini type liquid crystal, and has high resolution. Switching different function through the key. Achieving the display and storage function through the MCU.Key words: stm32; copper clad laminate; potential difference;第 2 页前言如今，学习一种处理器的就有许多 ARM
6、内核的处理器可供使用，现在社会已步入嵌入式学习阶段。在嵌入式领域，8 位处理器已经不再胜任一些复杂的应用，比如GUI，TCP/IP ，FILESYSTEM 等，而 ARM 芯片凭借强大的处理能力和极低的功耗，非常适合这些场合。现在越来越多的产品在选型的时候考虑到使用 ARM 处理器，ARM 的应用是相当的广泛。ARM 的嵌入式控制应用如：汽车、电子设备、保安设备、大容量存储器、调制解调器、打印机等。目前已有超过 85的无线通信设备采用了 ARM 技术，ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。ARM 在此方面的应用如：手提式计算机、移动电话、PDA 等。随着宽带技术的推广，采用 AR
7、M 技术的 ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持。ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒、游戏机、数码相机、数字式电视机、GPS、机顶盒中得到广泛采用。现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术，手机中的 32 位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技术。本文前言讲述了该论文写作背景，主要阐述了 ARM 应用范畴，以及论文研究的内容；第一章讲述了研究课题的系统方案；第二章介绍了系统的硬件电路设计思路与方案；第三章介绍了程序设计的思路与方法；第四章介绍了本研究的测试方法和结果。第 3 页第 1 章 系统方案本系统主要由测
8、量模块、电源模块、显示模块、STM32 系统模块和放大电路组成，下面分别论证这几个模块的选择。第 1.1 节 信号采集和放大的论证与选择由于信号很小采集和放大都需要认真考虑，现考虑以下方案：方案一：用恒压源进行采集数据，并用 2 级运算放大器进行放大送入单片机。这种方法由于铜板电阻太小，使用恒压源要么电流过大，要么误差很大没法精确测量。方案二：用恒流源进行采集数据，进行差分放大，这种方法既便于采集放大，也能提高精度。综上所述，信号采集和放大选择第二种方案。第 1.2 节 电源模块的论证与选择电源模块组要由恒流源，5v 电压源。恒流源是为铜板提供稳恒电流的，以测量电压信号。单变双电源以 LM78
9、05 和LM7905 为核心的将 12v 直流单电源变为5v 的双电源。单片机使用+5v 电源，运算放大电路采用5v 供电。但是经过检测，LM7805 和 LM7905 共地后，LM7905 的输出端电压未达到-5v，只有-2.6v。可以采用反转芯片 ICL7660 和微小电容组成的反转电路输出-5v 电压。而+5v 电源可以用 LM7805 经过稳压后输出，可以用手机充电器输出，也可以使用 USB 接口输出，ICL7660 接在+5v 后面，输出 -5v，这样可以灵活地提供电源组合。综上所述，电源模块采用后面一种方案。第 1.3 节 控制模块的论证与选择方案一：采用 51 系列的单片机作为主
10、控器件，使用最小系统板，用来实现要达到的各种要求。但是 AD 转化需要另外做。此方案规模小，成本低。方案二：采用我们此前购买的以 STM32 系列的单片机带有 2 个 12 位的 us 级的 A/D转换器位。此方案方便快捷，只需对 AD 和单片机进行程序编写。综合考虑，控制模块采用方案二，将方案一备用。第 1.4 节 显示模块的论证与选择第 4 页方案一：采用字符型 LCD1602 液晶显示器。微功耗、尺寸小，超薄轻巧，价格便宜，但显示信息量较少，仅限于字符，不能显示图形，难以满足设计需求。方案二：采用无字库 LCD12864，12864 是 128*64 点阵液晶模块，控制器为 KS0108
11、或兼容 ST7920、T6963C。12864 显示信息量大、字迹清晰、稳定，美观、视觉舒适低功耗，能够显示图形。方案三：采用 2.8 寸触摸 LCD 显示屏，显示清晰、稳定、编程简单、能进行图形显示、人机交互好。考虑显示效果与成本，显示模块选择方案二，可以用 LCD12864 液晶进行丰富的菜单显示，使整个控制系统更加人性化。第 1.5 节 放大模块的论证与选择方案一：采用差分放大电路。与普通单端放大器相比，差分放大器可以有效抑制输入信号中的共模噪声和地线电平电压浮动对电路的影响，能更好地抑制共模干扰。方案二：采用多级放大电路。虽然放大倍数比较大，但是多级放大电辟连接起来的时候，就出现了级与
12、级之间的耦合方式问题。通过电阻和电容将两级放大电路连接起来的方式称为阻容耦合。由于电容的作用，使各级放大电路的静态工作点互相独立，分析估算比较方便。但它不能放大变化缓慢的信号和直流信号，也不便于集成化；将前级输出与后级输入直接相连的方式称为直接耦合。它能传递相放大变化缓慢的信号和直流信号，便于集成，但由于是直接耦合，各级静态工作点互不独立，分析计算比较麻烦。另外，还存在着电平偏移和零点漂移现象；通过变压器的初级和次级把前级输出与后级输入连接起来的方式称为变压器耦合。它能够实现阻抗变换，以便在负载上得到最大的功率输出，各级静态工作点也互相独立。综合考虑，放大电路选用方案一。第 5 页第 2 章
13、硬件电路设计硬件电路由电源模块、差分放大模块、AD 采集模块、控制模块和显示模块组成，由于 STM32 芯片处理能力较强，又自带 2 个 12 位 AD 转换器，所以 AD 转换模块和控制模块由 STM32 芯片独自完成。第 2.1 节 恒流源模块系统的恒流源是根据三端稳压原理制成。这种结构的恒流源，不适合太小的电流，因为这个时候，三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。电流计算公式为：I=V/R，其中 V 是三端稳压的稳压数值。在+5v 电压源输出端串联一个电阻即可构成恒流源。常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 78系列和负电压输出的 79系列。顾名思义，三端 IC 是指这种稳压用的集成电
14、路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220 的标准封装，也有 TO-92 封装。方案采用 LM7805 输出+5v，而-5v 电源采用 ICL7600。ICL7660 是哈里斯公司采用 CMOS 工艺制成的高效率、小功率、低压直流电源变换器，亦称 DC/DC 电压转换器，国产型号为 5G7660，它不仅能将单电源转换成对称输出的双电源，还能通过几片串联方式获得多倍压输出，其空载时转换效率高达 99.7%，带负载后转换效率仍可达 95%，ICL7660 本身耗电小于 0.5mA，却能向负载提供 1020mA 的电流，其外围电路十分简单，只需接两只电
15、容即可工作。（1）电路工作原理。ICL7660 采用 8 脚双列直插式封装，VDD、GND 分别接电源的正、负端，V0 为负输出端，芯片内部主要包括稳压器、RC 振荡器、二分频器、逻辑控制器、电平转换器、四只模拟开关 SW1-SW4，ICL7660 的等效电路如图 2-1 所示。C1、C2 为外接电容，在正半周时，SW1、SW2 闭合，SW3、SW4 断开，VDD 沿着SW2C1 SW2 GND 的途径对 C1 充电，C1 被充到 VDD。在负半周时，SW3、SW4闭合，SW1、SW2 断开，使 C1 的正端接地，负端接 V0 端，C1 的放电回路为，C1 正极SW2GNDC3 负极SW4C1
16、 负极，因此 C1 上的一部分电荷就转移到 C2 上,并在C2 两端形成负压输出。由于模拟开关动作频率很高（约 10kHz），C1 被不断充电，使其两端压降维持在 VDD 值。显然，C1 的作用就相当于一个“充电泵”，故称之为充电泵电容，由 C1 和 C2 过程的一个泵电源。第 6 页图 2-1 ICL7660 的等效电路LM7805 和 ICL7660 组成的+5v 和-5v 电压源原理图如图 2-2 和图 2-3 所示。图 2-2 +5v 电压源图 2-3 -5v 电压源第 2.2 节 差分放大模块第 7 页这部分电路是利用三个 OP27 和电阻连到一起构成一个差分放大器。OP27 精密运
17、算放大器兼有 OP27 的低失调电压和漂移特性与高速、低噪声特性。失调电压低至 25V，最大漂移为 0.6V/C，因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选。极低噪声（10Hz时 en=3.5nV/Hz），低 1/f 噪声转折频率(2.7Hz)以及高增益(180 万)，能够使低电平信号得到精确的高增益放大。8MHz 增益带宽积和 2.8V/s 压摆率则可以在高速数据采集系统中实现出色的动态精度。利用偏置电流消除电路，OP27 可实现10nA 的低输入偏置电流。电路如图 2-4 所示。图 2-4 差分放大电路此部分电路对精度要求比较高，全部使用的高精度的电阻。放大倍数 G=2R1/R4*R2/R3=
18、100。放大器输入端电位差为 10mv，经过放大后，信号为 1.04v，采集的信号经过运算放大电路放大了 100 倍。第 2.3 节 AD 转换模块系统要求 AD 的分辨率比较高，而 STM32 自带 2 个 12 位的 us 级的 A/D 转换器（16通道），可以满足本设计的要求。STM32 的 A/D 测量范围：0-3.6V 。具有双采样和保持能力。STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。 它有 18 个通道，可测量 16个外部和 2 个内部信号源。各通道的各通道的 A/D 转换可以单次、连续扫描或间断模式执行。ADC 的结果可以左对齐或右方式存储在 16 位数据寄
19、存器中模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出户定义的高/低阀值。STM32F103 系列最少都拥有 2 个 ADC，STM32 的 ADC 最大的转换速率为 1Mhz，也就是转换时间为 1us（在 ADCCLK=14M，采样周期为 1.5 个 ADC 时钟下得到），不要让 ADC 的时钟超过 14M，否则将导致结果准确度下降。第 8 页STM32 将 ADC 的转换分为 2 个通道组：规则和注入通道组。规则相当于正常运行的程序，而注入通道呢就相当于中断。在程序正常执行的时候，中断是可以打断执行。类似，注入通道转换可以打断规则通道的转换，在注入通道被转换完成之后，规则通道才得以继续转换。
20、每个通道转换时间为：（2-个 周 期采 样 时 间 5.12convT1）STM32 的 AD 内部结构如图 2-5 所示。图 2-5 STM32 中 AD 结构框图第 2.4 节 控制与显示模块2.4.1. STM32RBT6 芯片STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M3 内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为 36MHz，以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能，是 16 位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存，不同的是SRAM 的最大容量和外设接口的组合。时钟频率 72MHz 时，从闪存执行代码，STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当于 0.5mA/MHz。
