1、本科毕业论文（20 届）手写绘图板的设计与实现所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）ii目录基于 ARM 的手写绘图板 .1前言 .2第 1 章 设计要求 .3第 1.1 节 设计任务 .3第 1.2 节 基本要求 .3第 1.3 节 优化部分 .3第 2 章 系统方案 .4第 2.1 节 恒流源模块比较与选择 .4第 2.2 节 控制模块比较与选择 .4第 2.3 节 放大模块比较与选择 .4第 2.4 节 液晶显示模块比较与选择 .5第 3 章 系统理论分析与计算 .6第 3.1 节 恒流源设计分析 .6第 3.2
2、 节 控制时序分析 .6第 3.3 节 放大电路设计分析 .6第 3.4 节 坐标点测量计算 .7第 4 章 电路与程序设计 .10第 4.1 节 总体设计 .10第 4.2 节 电压转换电路设计 .10第 4.3 节 恒流源电路设计 .11第 4.4 节 放大电路设计 .11第 4.5 节 低功耗设计 .12第 4.6 节 程序的设计 .12第 5 章 系统测试 .14第 5.1 节 软件仿真测试 .14第 5.2 节 测试条件与仪器 .15第 5.3 节 测试结果及分析 .16结论 .16致谢 .18附录 .19附录 1：元器件明细表 .19附录 2：仪器设备清单 .19附录 3：实物照片
3、说明 .19附录 4：程序清单 .20苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页手写绘图板的设计与实现【摘要】：论文设计的是简易低功耗手写绘图板，系统的控制核心为 ARM STM32F103V ，供电电源为 12V 的单一电源，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。本设计的手写绘图板，可正确显示触点的坐标及象限，记录表笔运动的轨迹。本设计的手写绘图板，测量分辨率为
4、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Abstract : The design is simple and low power handwriting drawing board, the core of the control system for the ARM STM32F103V, the power supply for the single power12V , the circuit transformation separately to ARM processor, amplifier,constant curren
5、t source, power supply +5v, 5V, 12V. Constant current source module provides two drive current, by ARM micro controller control diagonal cross two current. The voltage signal of the stylus by instrumentation amplifier, AD sampling, ARM controlled by the coordinate conversion algorithm, the physical
6、coordinate drawing board voltage, into logical coordinates display. The design of the handwriting drawing board, can correctly display coordinates and quadrant contacts, recording pen trajectory. The design of the handwriting drawing board,measuring resolution of 1mm, the working current is less tha
7、n 50mA, display clear and friendly interface.Key words : handwritten drawing board, coordinate conversion algorithm, micro controller苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页前言 手写板一般是使用一只专门的笔，或者手指在特定的区域内书写文字。手写板通过各种方法将笔或者手指走过的轨迹记录下来，然后识别为文字。对于不喜欢使用键盘或者不习惯使用中文输入法的人来说是非常有用的，因为它不需要学习输入法。手写板还可以用于精确制图，例如可用于电路设计、CAD 设计、图形设计、自
8、由绘画以及文本和数据的输入等。ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的 RISC 处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、 DSP 和移动式应用等。ARM 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和 OEM 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的 ARM 相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM 很快成为许多全球性 RISC 标准的缔造者。目前，总共有 30 家半导体公司与 ARM 签订了硬件技术使用许可协议，其中包括Intel、 IBM、 LG
9、 半导体、 NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和 MRI 等一系列知名公司。 ARM 架构是面向低预算市场设计的第一款 RISC 微处理器。STM32F103V 系列属于中低端的 32 位 ARM 微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是 Cortex-M3。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页第 1 章 设计要求第 1.1 节 设计任务 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
10、，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 1-1 系统构成框图第 1.2 节 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。第 1.3 节 优化部分 （1）更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 区内画三个直径分别为20mm，12mm
11、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）设计更加低功耗。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。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页第 2 章 系统方案本系统组成主要有恒流模块、控制模块、放大模块、显示模块、电源模块，下面分别论证这几个模块的选择。第 2.1 节 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
12、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好的效果。而且场效应管恒流源无需辅助电源，是一个纯两端网络，这种工作方式十分有用，可以用来代替任意一个欧姆电阻。方案二：选用集成运放 LM317 恒流源。由于温度对集成运放参数的影响不如对场效应管参数影响之显著，使得集成运放构成的恒流源具有稳定性更好，恒流性能更高的优点。尤其在负载一端需接地，要求大电流的场合，获得了广泛应用。方案三：集成运放与场效应管与三极管配合使用。这样设计的电路集合了集成运放恒流源、三极管与场效应恒流源的特点，三者之间相互补充，使其功耗更低，稳定性更好，恒流性能更高。综上所述
13、，我们决定选用最优化的设计方案三。第 2.2 节 控制模块比较与选择 方案一：采用 MSP430 单片机作为主控制器，该单片机是 16 位单片机，具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（ Mixed Signal Processor） 。其片内资源丰富，运算速度较快，功耗较其他单片机都要低。方案二：采用 AT89S51 单片机做主控制器，由单片机来完成采集和信号处理等底层的核心计算，它的成本低，易控制，易实现。其缺点：运行速度慢，功耗高，抗干扰能力弱。方案三：采用 ARM 微处理做主控芯片，ARM 处理器是一个 32 位元精简指令集(RISC)处理器架构，因其计算速度快，耗电少、功能强、存
14、储容量大，已被广泛地使用在许多嵌入式系统设计。主要的不足是设计复杂，需要应用者具备一定的开发经验。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。第 2.3 节 放大模块比较与选择苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页方案一：采用 INA128。INA128 是低功耗、高精度的仪表放大器。具有精密增益模块，输入为差分式，输出可以是差分式，也可以是相对于参考端的单端式。能够放大两个输入信号电压之间的差值，同时抑制两个输入端共有的任何信号。它把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活、放大倍数
15、调整非常方便等特点。广泛用于许多工业、测量、数据采集和医疗应用。 方案二：采用 OP07。Op07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于其具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25V） ，所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07 同时具有输入偏置电流低（OP07A 为2nA）和开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。但是功耗相对较大。为了实现测量区域范围的准确性及低功耗的性能，我们采用方案一。第 2.4 节 液晶显示模块
16、比较与选择方案一：采用 LCD12864。带中文字库的 128X64 是一种具有 4 位/8 位并行、2线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、 二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；该模块接口方式灵活，具备简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84 行 1616 点阵的汉字。也可完成图形显示。而且低电压、低功耗，价格相比其他模块略低。 方案二：采用 LCD1602。LCD1602 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行16 个字符液晶模块（显示字符和数字） 。由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示
17、器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。而且它的体积小，质量轻，但是它显示单一，不可以显示汉字和图像。方案三：采用 3.2” TFT LCD ILI9325 模块。显示功能强大，可显示文字和图形，显示内容清晰，有相应的驱动程序和库函数支持。不足之处是程序较复杂，功耗稍大。综上所述，为了显示更全面的界面，我们选择方案三。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页第 3 章 系统理论分析与计算第 3.1 节 恒流源设计分析恒流源是一种能向负载提供恒定电流的电源装置，它在外界电源产生波动和阻抗特性发生变化时仍能使输出电流保持恒定。恒流源电路具有输出电流恒定、温度稳定性好、
18、直流电阻很小但等效交流输出电阻却很大等特点。恒流范围大致为 1A20A 。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数。本系统采用场效应管与集成运放与三极管等构成恒流源。向覆铜板上供电。场效应器件凭借其低功耗、性能稳定、抗辐射能力强等优势在集成电路中应用广泛，集成运放稳定性好、恒流性能高。通过两者结合，使其低功耗、稳定性、恒流性达到较高。第 3.2 节 控制时序分析 在触点检测时，采用表笔时差检测分别确定 s，t 轴的电位。通过使能端控制两路信号输入。当表笔动作时，先检测出 s 轴的电位，再检测 t 轴的电位，以确定触点坐标。通过 ARM 控制，送入
19、LCD 显示。根据设计任务，设计的控制时序如 Error! Reference source not found.所示。开启 s 轴电流检测 s 轴触笔电位开启 t 轴电流检测 t 轴触笔电位由 s , t 电位坐标转换x , y 坐标显示处理图 3-1 控制时序第 3.3 节 放大电路设计分析放大电路主要由两个精密低功耗的 INA128 的仪表放大器组成，系统由单一电源供电，经由电源降压转换后向放大模块供入 5v 的电压。 INA128 是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输出和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之
20、间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的 2 个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。3.3.1. 设计要点：(1)注意关键元器件的选取，要注意使运放 的特性尽可能一致 ;选用电阻时，应该使用低温度系数的电阻，以获得尽可能低的漂移;对 R4，R5 和 R6 的选择应尽可能匹配。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页(2)要注意在电路中增加各种抗干扰措施，比如在电源的引入端增加电源退耦电容，在信号输入端增加 RC 低通滤波或在运放 A1，A2 的反馈回路增加高频消噪电容，在
21、PCB 设计中精心布局合理布线，正确处理 地线等，以提高电路的抗干扰能力，最大限度地发挥电路的性能。第 3.4 节 坐标点测量计算对手写板进行测试时，为了确定 A 区与 B 区的范围提高测量精度，我们需要通过建立数学模型来进行坐标转换、点位校正。3.4.1. 坐标系转换数学模型的建立(1)、 基本信息设直角坐标系(x-y)的水平轴为 x 轴，垂直轴为 y 轴。绘图板上的电位坐标为非直角坐标系(s-t)，其两个轴分别为 s 轴和 t 轴。直角坐标系(x-y)与非直角坐标系(s-t) 的原点相同， x 轴与 s 轴的夹角为 ，t 轴与 s轴的夹角为 2。(2)、 坐标点表示设直角坐标系(x-y)某
22、坐标点为 P1(x1，y1)。对应的非直角坐标系(s-t) 的坐标点为 Q1(s1，t1)。P1(x1，y1)和 Q1(s1，t1)到原点的距离均为 L1。P1(x1，y1)与 x 轴的夹角为 1；Q1(s1，t1) 与 s 轴的夹角为 1。非直角坐标系(s-t) 的 4 象限如 图 3-2 所示：xystII II I II V2.604 . 8 05.446 1 . 7 xyP 1 ( x 1 , y 1 )Q 1 ( s 1 , t 1 )sts1t1x 1y 13 3 . 7 1 12.58L1图 3-2 非直角坐标系(s-t)的 4 象限 图 3-3 坐标转换(3)、 坐标转换公式：
23、坐标转换如 图 3-3 所示：由 Q1(s1,t1)求 P1(x1,y1)：苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页x=(t+s)/(2*cos); y=(t-s)/(2*sin);由 P1(x1,y1)求 Q1(s1,t1)：s= cos*x-sin*y; t= cos*x+ sin*y;(4)、 基准点对照如 表格 3-1 所示：表格 3-1 基准点对照s t x y Px 位置 说明0.000 0.000 0 0 0 原点1.387 3.606 3 2 1 A 区右上-3.606 -1.387 -3 2 2 A 区左上-0.832 -4.160 -3 -3 3 A 区左下1.387 3.
24、606 3 2 4 A 区右下2.774 7.211 6 4 5 B 区右上 t 最大-7.211 -2.774 -6 4 6 B 区左上 s 最小-2.774 -7.211 -6 -4 7 B 区左下 t 最小7.211 2.774 6 -4 8 B 区右下 s 最大2.496 2.496 3 0 9 A 区右中-1.109 1.109 0 2 10 A 区上中-2.496 -2.496 -3 0 11 A 区左中1.109 -1.109 0 -2 12 A 区下中4.992 4.992 6 0 13 B 区右中 x 最大-2.219 2.219 0 4 14 B 区上中 y 最大-4.99
25、2 -4.992 -6 0 15 B 区左中 x 最小2.219 -2.219 0 -4 16 B 区下中 y 最小3.4.2. 测量值到估算值的转换铜板上任意点的实际测量值，先对应到我们定义的 s-t 轴坐标（s,t）然后转化到 x-y轴坐标（x,y） 。我们先测量四个对角定点的实际值电压值，切定点在以确定的 x-y 轴坐标上，然后任意实际测量值，算到对应的 x-y 坐标，该坐标是估算出来的。 aenhdmhdnaemaenmsthdnmy nnhdnaenx 2222 2222 2222建立相应 C 语言的类型如下：typedef struct int Tab_w; /width: B 区 60=120/2 A 区：30=60/2int Tab_h; /high: B 区 40=80/2 A 区：20=40/2int s_base; /s 轴基准 minint s_full; /s 轴满程 max
