梁仲华，庄兆永，洪远泉

（韶关学院 物理与机电工程学院,广东 韶关512005）

基于覆铜板的手写绘图板设计

梁仲华，庄兆永，洪远泉*

（韶关学院 物理与机电工程学院,广东 韶关512005）

摘要：系统以MSP430单片机为控制核心,包含有手写输入电路、输入检测放大电路、绘图铜板和液晶显示等接口的电路.绘图笔尖在铜板上滑动,笔尖点与覆铜板的四个顶点之间的阻值会发生变化,产生相应微小变化电压,对此微小信号检测、放大、变换等处理,最后显示相应图形的形状、坐标、位置等相关信息.经测试,系统能较好地实现手写绘图功能.

关键词：单片机；手写输入；覆铜板；位置；坐标

随着科学技术的快速发展,手写绘图板在教学、科研和生活中的应用越来越广泛.目前,市面上有很多手写绘图板,虽然精度高,但价格较昂贵,操作复杂,难以普及应用.而且,在很多场合,操作速度要求快.因此,操作简单,价格低廉、携带方便的手写绘图板有广泛的应用空间.笔者研究了一种基于MSP430处理器的手写绘图板系统,具有操作简单,携带方便,输入迅速,性价比高等优点.

1　手写绘图板原理

如图1所示,ABCD为用作手写绘图的覆铜板,E为手写笔在铜板上的接触点,R1～R4为E到四个边角的等效电阻,IS1和IS2为驱动恒流源.显然,E在铜板上位置变化时,R1～R4的阻值也会变化.将阻值变化和铜板平面坐标值的变化对应起来,就可实现手写板坐标识别功能［1-2］.由于铜板的等效电阻为毫欧数量级,阻值非常小,直接计算与测量比较困难.笔者利用电流源驱动铜板,将电阻变化转变为触点电位变化,间接测量电阻阻值变化.当开关K1接通时,稳恒电流IS1从A点流向D点,铜板由上往下,布满水平等电位线.触点处电压代表坐标Y轴值.同理,开关K2接通,稳恒电流IS2从C点流向D点,铜板由右往左,布满垂直等电位线.触点处电压代表坐标X轴值.

图1　手写绘图板原理图

2　系统电路设计

根据手写绘图板的工作原理,设计的系统控制结构如图2所示.以MSP430单片机为控制核心,P10和P11端口控制恒流源的输出,驱动铜板,在触点处产生代表X和Y轴坐标位置的微电压,经过放大滤波以及单片机采集处理后,在液晶上显示测量结果. 2.1 MSP430处理器及最小系统接口电路

图2　系统结构图

系统的主控制器为MSP430单片机,是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器,主要特点如下∶（1）低电源电压使用范围,1.8～3.6 V.（2）超低功耗,拥有不同的5种低功耗模式.（3）灵活的时钟使用模式.（4）高速的运算能力,16位RISC架构,指令周期为125 ns.（5）内含AD和DA等模块.（6）快速、灵活的编程方式,可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装载程序等［3-5］.其最小系统接口电路如图3所示.

图3　MSP430最小系统接口电路

2.2差分放大滤波电路

差分放大及有源二阶放大电路如图4所示.用仪表放大器AD620对手写触笔输出微弱电信号与铜板公共端取样电压进行差分放大,以便消除系统的共模干扰信号.差分放大增益计算如式子（1）所示,调节电阻RG,即可改变系统增益［6-7］.

差分放大电路将微电压信号放大到1 V左右,然后通过由电阻R11、R12和电容C1、C2以及运放LM358N组成的有源二阶低通滤波电路,消除高频噪声,送往微处理器内置的AD转换器,实现数据采集.

图4　差分放大滤波电路

2.3恒流源电路

手写绘图板触笔坐标的位置测量其实就是覆铜板水平和垂直等电位线的测量.由于铜板等效电阻非常小,位置变化产生的等电位线变化也非常小.测量时,如果电源有波动,则对测量结果的影响非常大.用稳定性能好、准确度高的稳恒电流源驱动铜板,有利于提高测量的准确性和稳定性.稳恒电流源电路如图5所示,由集成稳压芯片TL431将电阻R0上的电压稳定在2.5 V,三极管Q1实现电流放大［8］.输出电流的计算如式子（2）所示.微处理器P10和P11端口电压的高低变化,可控制三极管Q2和Q3的通断,实现恒流源的开关控制.

3　软件设计流程与坐标定位算法

系统软件程序设计流程如图6所示.系统通电后先进行初始化,再用按键选择系统状态.系统默认在运行状态工作,开机后长按校正按键,可进入坐标校准状态.

坐标校准时,以10mm为基准坐标间隔, 将15 cm×10 cm的铜板分成150个基准坐标点,逐点测量X和Y轴电压值,并存入系统.

图5　恒流源电路

图6　程序流程图

系统运行时,先判断触笔是否接触到铜板.如果触笔接触铜板,控制IO口打开电流源IS1,产生水平等电位线,采集坐标Y轴电压；然后,关闭IS1,打开IS2,产生垂直等电位线,采集坐标X轴电压.为降低功耗,电压采集完成后,需关闭稳恒电流.经过实际测试表明,覆铜板流入恒流源形成的水平或者垂直等电位线并不是直线,具有一定的非线性.笔者将查表算法和线性插值算法结合起来,实现坐标精确定位.如图7所示,交叉线上的黑点为基准坐标点,其坐标值和电压值在校准时已保存在系统.线性插值的本质是将非线性的等电位线局部线性化.假设系统运行时,书写触笔在P点位置,采集的电压值为（U,V）,距离P点最近的基准坐标点为L,点M和N为点L的相邻基准坐标.L、M、N点的坐标值分别为为（XL,YL）、（XM,YM）和（XN,YN）,对应的电压值为（UL,VL）、（UM,VM）和（UN,VN）.在局部区域内,L、M、N和P点的电压变化是线性的.P点坐标值（X,Y）计算如式子（3）所示.

图7　线性插值法

4　数据测试分析

数据测试包含基准坐标校准测试和任意坐标点线性插值测试两部分.基准坐标校准测试数据表1所示.表1中数据表明,手写板等电位线是非线性的.如点（-6,0）与点（6,0）构成的直线上,Y轴电压并不恒定,而是在350～360mV之间.X轴坐标变化一个单位时,电压的变化率也不一致.

表1　基准坐标测试数据

系统校准完成后,采用线性插值算法计算绘图板任意点的坐标值.系统测试的部分数据如表2所示.坐标定位绝对误差在5mm以内,基本实现手写板坐标识别功能.

表2　系统测试数据

手写板坐标定位精度,与模数转换器的分辨率和基准坐标的个数有关.增加模数转换器的精度和基准坐标点的个数,可进一步降低坐标定位误差.

5　结语

根据该手写绘图板的工作原理和系统的软硬件设计,笔者制作了实验平台,完成了数据测试,坐标定位误差5mm以内,实现了手写绘图功能.可广泛地应用于手写汉字输入板、手写绘图板等不需要很高精度的手写输入场合.

参考文献：

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（责任编辑∶李婉）

中图分类号：TP23

文献标识码：A

文章编号：1007-5348（2015）10-0041-04

［收稿日期］2015-06-30

［基金项目］广东省教育厅科技创新项目（2013KJCX0169）；韶关学院2014年国家级大学生创新训练项目（201410576012）.

［作者简介］梁仲华（1993-）,男,广东肇庆人,韶关学院物理与机电工程学院学生；研究方向∶电子技术.*通信作者.

Deslgn of Draw lng Board for Slm Ple Hand InPut Based on CoPPer Clad Panel

LIANG Zhong-hua,ZHUANG Zhao-yong,HONG Yuan-quan*
（Institute of Physics and Mechanica1&E1ectrica1Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

Abstract:The system is basica11y contro11ed by the MCU（Micro Contro11er Unit）named MSP430.The interface main1y contains circuits of handwriting inPut,inPut detecting amP1ifying circuits,drawing coPPer,LCD circuits and so on.When moving the mu1ti-meter Probes,there is an extreme1y s1ight change in resistance from that Point to the four vertexes by testing the surface resistance of the coPPer c1ad 1aminate,and there is tiny corresPonding vo1tage.Then the graPhic shaPe,coordinate and the 1ocation can be shown on the disP1ay screen by testing,amP1ification,converting and Programmatica11ymaniPu1ating of the tiny signa1.The system can successfu11y conduct the drawing functions after testing.

Key words:MCU；handwriting inPut；coPPer c1ad Panne1；1ocation；coordinate