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1、科技广场 2014.9Design and Implementation of Handwriting Drawing Board Based on STM32吴江平Wu Jiangping（江西财经大学软件与通信工程学院，江西 南昌 330013）（College of Software and Communication Engineering，Jiangxi University of Finance and Economics，Jiangxi Nanchang 330013）摘 要：本文提出了由微控制器 STM32 为主控制核心，利用普通的 PCB 覆铜板设计和制作低功耗手写绘图输入设
2、备，通过表笔与覆铜板接触进行电压信号采集，然后将采集到的信号经高精度仪表放大器 AD620 放大调理后再通过 24 位高精度 AD 转换器 ADS1256 转换为单片机能够处理的数字信号，最后在 LCD 屏上显示对应接触点的坐标位置。关键词：手写绘图板；覆铜板；STM32；AD620；ADS1256中图分类号：TN79文献标识码：A文章编号：1671-4792（2014）09-0100-04A bstract：This paper puts forward a low-energy handwriting drawing input device which uses microcontrol
3、lerSTM32 as the main control core, and was designed and made by the common PCB copper clad. With the contact of the pen and the copper clad, the device collects the voltage signal which is to be amplified by the high precision in- strumentation amplifier AD620,and to be converted by ADS1256 to the d
4、igital signal suitable for a microcomputer, and finally displays the corresponding coordinates of the contact on the LCD screen. K eyw ords：Handwriting Drawing Board；Copper Clad；STM32；AD620；ADS1256 0 引言众所周知，在被测电阻比较小时，只需一个万用 表就能测量出来。但是当遇到对精度要求较高，待测 电阻十分微小，想要测量出精准的阻值，就成为了一 个麻烦的问题。覆铜板是电子工业的基础材料，在设 计与使用
5、时基本忽略掉其电阻，可见覆铜板阻值极 其微小，而使用覆铜板与有线表笔制作绘图板意味 着对覆铜板表面位置的定位难度极高，这个设计的 目的就在于借助覆铜板实现对微小电阻的精准检 测。在电气应用中，超大功率发射机接地电阻、变压器绕组、通信电缆、飞机机体电阻通常为毫欧数量级1，使用一般的万用表无法测量出来，在实验室里通常使用电桥法进行测量，不过电桥法操作比较繁琐，并且 调试困难2。市场上虽然有采用大电流测量微小电阻 的微欧计，但由于测试电流较大，当电源供电太久会 使电路发热，被测电阻的温度也就随之升高，由于电 阻的负载效益，其阻值也会相应产生变化，造成测量 值变化不定，导致在实际应用中造成很大的测量偏
6、 差。所以微小电阻的测量在电子测量技术中具有非 常重要的意义。1 手写绘图板的设计原理本设计使用一块普通覆铜板设计和制作手写绘 图板，将覆铜板的四角用导线连接到电路，通过采集 100 基于 STM32 的手写绘图板的设计与实现信号采集模块如图二所示，通过开关阵列控制恒流源交替给覆铜板供电，在表笔接触覆铜板的瞬对 X 轴实现平面坐标定位。对考虑开关本身电阻对覆铜板电阻的影响外，还要考虑开关在对比和实验开关阵个独立可以设实为了降低电阻的负载效应，应当使得通过电阻的电流较小，但是小电流就降低了电因此采用脉冲电流对覆铜板供电的越短越电路造通过微处理器严格控制电流的开启和关闭时间，既可以降低系统功单端即
7、同相输入端接输入信号（接为使前级放大具有较好的线性关系，前置级增益不可过高，所以使用第二级放大电路用S TM 32表笔与覆铜板的接触电压差来实现手写绘图功能。 在电路设计中采用开尔文四线测量方法可以有效减 少表笔引线电阻和接触电阻的影响4。采用恒流源间，控制开关 T1、T2、T3、T4 的闭合使表笔 对 PCB 覆铜板的施加恒定电流，在覆铜板四端形成和 Y 轴分别进行电压采集， 比较稳定压降则有效地提高信号的稳定性。本设计于图中的开关阵列 T1、T2、T3、T4，除了需要 的难点在于对覆铜板表面电阻的检测，由于覆铜板电阻值太小，当表笔接触覆铜板并在覆铜板上滑动可以承受的电流大小和开合的速度。
8、时，表笔与覆铜板接触点与覆铜板四个端点之间的多种器件后采用光耦继电器 AQW212 组成 阻值的变化使测得的电压发生极其微小的变化，然列实现对微小模拟信号控制，AQW212 由两 后对这组微小电压信号检测并通过放大器放大待测N 沟道增强型 MOSFET 管串联而成，同时还 电压。当电压被放大到模数转换的量程范围内时，计成恒流源给覆铜板供电。由微处理器控制 AD 采集电压信号，这时可以欧姆在电路设计中，定律计算出电阻值。设计中采用高精度、低噪声的测量放大器和 24 位模数转换器，有效地减少了测量压信号的输出。误差，提高了测量精度。最后通过坐标变换以及程方式，从理论上来说，电流应越大越好，时间 序
9、处理，在 LCD 显示屏上显示出手绘图形的坐标和好，但在实际电路设计中，电流太大，容易对形状等相关信息。成损坏，并且对电流源的要求也高， 本设计主要由信号采集模块、信号调理模块、模数转换模块、主控模块和电源模块组成，设计原理框耗，又避免了负载效应。图如图一所示。图二 信号采集模块2.2 信号调理 在信号放大模块的第一级采用双端输入输出的差分放大方式，表笔），反相输入端接覆铜板电压较低的一脚图一 手写绘图板设计原理框图求差放大电路。2 手写绘图板的硬件设计2.1 信号采集于增益的补充，使得放大后的电压动态范围，构建 在 AD101基 于的 手 写 绘 图 板 的 设 计 与现科技广场 2014.
10、9的量程范围内。信号放大第二级采用同相放大，即运放同相输入端连接第一级的信号输出，反相输入 端直接接地。微小信号放大要求放大器具有非常好的线性度，并且低零点漂移、低噪声和抗干扰能力强，本设 计使用的是 AD620 运算放大器。AD620 芯片是采 用运放设计的低功耗高精度通用仪表放大器，具有 很高的共模抑制比，在放大很高的倍数时，也能保持 很好的线性和增益精度。2.3 模数转换对于 PCB 覆铜板来说，表笔位置的变化所引起 的电阻变化非常小，即使进行放大后，数据的差别也 很小，而且噪声对信号的影响很大，所以 AD 的精度 和抗噪声的能力在信号采集上都十分重要。模数转换器的位数决定转换电压的精度
11、，精度越高，信号处理的分辨率也就越高，抗噪声能力越 强，信号的跳变及误差也就越小。本设计采用的是24 位 8 通道的微功耗、高精度、高速率的模数转换器 ADS1256。ADS1256 提供高达 23 比特的无噪声 精度，其中 8 个通道可独立工作，也可以使用差分的工作模式来提高采样率。另外，ADS1256 板载输入模拟多路开关、可编程增益放大器和可编程数字滤波器 等外设，极大方便对采集到的数据进行优化处理。ADS1256 采集到的数据有 24 位，其中最高位是符号位，后面的 23 位才表示转换数据的有效值， 所以其正的最大输出为 7FFFFFh，负的最大输出为800000h。测量的电压值和转换
12、的数据之间正值和 负值的计算式如下8：数据为正值时，测量值为：3手写绘图板的软件设计3.1 主程序流程 主程序流程图如图三所示。图三 主程序流程图3.2 软件技术处理在本系统设计中，存在着周期的干扰，如 50HZ 工频干扰，可以通过 50HZ 的陷波器滤除干扰。另外 还存在着非周期的随机干扰，无法或者很难通过硬 件消除，不过可以通过数字滤波方法削弱甚至完全 滤除。所谓数字滤波，就是通过软件设计算法降低干 扰信号在信号中的比重7，完全由软件实现，不需要 增加硬件设备，并且对于不同的干扰信号，可以使用 不同的滤波方法或者组合，具有使用方便、可靠性 高、稳定性好的特点。中位值平均滤波法能有效滤除由于
13、偶然原因导致的波动干扰。主要方法是对于连续采集到的 M 个 值进行排序，去掉其中最大和最小的 N（N<M/2）个数 据，然后计算剩下 M2N 个数据的算术平均值8。偏差限幅滤波法能有效滤除由于偶然原因导致 的波动干扰，但无法消除具有周期性的干扰。程序中默认两次连续采样允许的最大偏差值，设为 N。然后 连续进行两次采样，将两次采样的偏差值与 N 比数据为负值时，测量值为： 102 系列的电压值，然后将采集到的信号放大调理和模数转换为单片机能够处理的数字信号并进行计算处标位置。进而实现手写绘图功能。其系统设计思想对于微小电阻的测量具有一定的参写图 的量系统实阻精密测量系统的设计J.机械四线连
14、接电阻测试技第 5 版）北京航空航天大DS125633(03)：中国计研究方4 结束语本设计以单片机 STM32 为主控制核心控制整S TM 32较，如果不小于 N，则本次值有效，并取两次采样的个电路系统，通过表笔和覆铜板的接触采点，得到一 平均值进行计算；如果大于 N，则本次值无效，放弃本次值，重新进行采样。3.3 校准算法设计理，最后在 LCD 屏上显示对应接触点的坐 当绘图板更换场所使用或电压供电出现变化当表笔在覆铜板上移动时，时，原先的校准数据不再准确，因此设计中应当添加可以随时进行系统校准的功能。当系统启动时，检考价值。 测校准标志位是否为 1，即是否校准过，未校准则首 先进行校准设
15、置，并将校准后的数据存入 EEPROM参考文献存储器中6。在系统运行时，由于电压不稳定或电源1安莹，胡娟.低测试电流的微电阻测 漂移严重时，可按需进行校准设置。校准方法为采J.光电技术应用，2011，26(05)：68-71. 集覆铜板上规定的 9 个点的电压值，流程如图四所2杨媛如，徐熙平.小电示。J.电子测量技术，2010，33(04)：16-18. 3李杨华，裴东兴.基于小电阻的研究管理开发，2007，(03)：5-6. 4赵英伟，庞克俭.Kelvin术及应用J.半导体技术，2005，30(11)：43-45. 5康华光.电子技术基础 数字部分（M. 北京：高等教育出版社，2006.6刘军.例说 STM32M.北京： 学出版社，2011.7孙沁梅，卢益民.高精度模数转换器 A的原理和应用 J. 计算机与数字工程，2005，94-97. 8王颖，金志军.常用数字滤波算法J.量，2012，(03)：99-100.图四 校准算法流程图作者简介吴江平（1975），男，江西南昌人，主要 向：嵌入式系统。103基 于的 手绘 板 设计与现