基于msp430f149芯片的手繪繪圖板控制系統設計

0制上位機其特點隨著教育和教育改革的深化，電子白板產品深受教材市場的影響。本研究中描述的圖紙板可用作電子白板的寫入裝置。系統使用覆銅板作為繪圖板,把覆銅板作為輸入設備控制上位機,在覆銅板上實現打點、畫圖、寫字等功能,把打點、畫圖、寫字的位置和形狀在顯示設備上精確顯示。該繪圖板還可做成鼠標、鍵盤等輸入設備,可以用于教學、軍事、生活等很多領域,具有很大的研究潛能和意義。硬件系統由恒流源、信號檢測、運算放大器、A/D采集、240×128液晶顯示、按鍵輸入等模塊和普通銅板等部分組成,整機功耗1.2W,它能快速、準確識別表筆落點的位置,并能跟蹤識別表筆動作,在液晶上清晰地顯示繪圖軌跡。本系統功耗低、測量準確、系統穩定、整體性能良好。1大脈沖電流測量法檢測手寫坐標位置通常有3種方法:精密交流電流源法、精密直流恒流源測量法和大脈沖電流測量法。精密交流電流源法實現時較復雜,而大脈沖電流測量法在實現時會引入較大的噪聲,從而影響測量精度。因此本系統選用精密直流恒流源測量法,這種方法是通過測量流過覆銅板的電流產生的電壓降來確定坐標,精度高且實現方便。1.1構建現代社會各點電荷的u3000空間分布在普通銅板上表筆觸點與導線接地焊點可近似看成點電荷,銅板可看成均勻的導電物質,2個靜止點電荷之間的作用力為:式(1)中:q1、q2為2點的等效電荷量,R為2點的等效距離,力的方向在2個電荷的連線上,2個電荷同號時為斥力,異號時為吸力。電場強度為:而有勢場E的勢函數U為:由以上公式可計算出各點的電勢U、電場強度E,并用MATLAB繪出相應電荷的電場分布情況。應用MATLAB進行仿真時,一對等量異種點電荷的平面等勢線可以用MATLAB的等高線命令繪制,仿真中2個等量的正負點電荷的電量分別取q1=2e-9,q2=-2e-9,正電荷在x軸正半軸,負電荷在x軸負半軸,2個點電荷距原點的距離均設為a=0.02;假設平面范圍為x0=0.05,y0=0.04,2個點電荷的坐標向量分別為x=linspace(-x0,x0,20)和y=linspace(-y0,y0,50)。設定平面的網格坐標為:[X,Y]=meshgrid(x),各點到2個電荷的距離分別為:r1=sqrt((X-a)2+Y2),r2=sqrt((X+a)2+Y2)。取最高電勢為:u0=50,最低電勢為其負值。畫平面電場線可利用MATLAB的箭頭命令,用各點的電場強度方向代替電力線,取電荷的半徑為:r0=0.002,場強分解的2個分量和總場強計算公式為:其中:(x1,y)為起始點到第1個點電荷的坐標,(x2,y)為起始點到第2個點電荷的坐標,r1,r2分別為該點到2個電荷的距離。用MATLAB仿真點電荷之間電場線與等勢線的分布情況,MATLAB仿真圖如圖1所示。1.2繪制表筆位置檢測電路系統確定坐標的方法主要采用單臂橋測量小電阻的方法。銅板上隨著表筆的移動,電阻發生變化,產生的電勢也發生變化,通過測量觸點與C之間的電勢差,取得的信號值經過放大,由A/D轉換成數字量,當表筆在繪圖板上移動時,由于表筆距離4個檢測點不同,導致4個檢測點檢測到的電阻值不同,反映到A/D上的值不同,并對應一組數據。通過計算得出每組數據都是唯一的,從而確定表筆的位置。檢測電路原理圖如圖2所示。假設此時觸筆接觸點為A點,此時采集A點的值為(a0,b0),將這個數據轉換為(ax,by)(其中ax,by分別是由a0和b0轉換到x軸、軸上的坐標值)。測試A點坐標轉換結構圖如圖3所示。2系統硬件設計2.1貼放系統的精確定位功能本系統采用MSP430F149單片機作為系統控制器,由恒流源、信號檢測、運算放大、A/D采集、液晶顯示、按鍵輸入等部分組成。在普通敷銅板上可以實現坐標的精確定位、畫圖,由LCD顯示坐標位置和所畫圖的大致形狀。系統組成框圖如圖4所示。2.2電路工作原理采用12V直流電源供電。因LM7912,LM7805穩壓后紋波系數大、發熱量大,不易用在小信號測量電路中。LM2576穩壓性能好、發熱量小、可提供功率大,所以本系統用LM2576穩壓到±12V供放大器使用,LM2576穩壓到5V供液晶使用,ASM1117穩壓供MSP430F149使用。本系統用推挽電路實現單電源轉雙電源,電路如圖5所示。本系統電源采用SG3525作為驅動電路,SG3525可產生相位相差180°的2路PWM信號,且頻率為:f=1/(Cf(0.7Rr+3Rd)),SG3525驅動電路如圖6所示。2.3顯示模塊的選擇2.4a/d轉換電路采用TI公司的12位串行模數轉換器TLC2543進行A/D轉換,使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。基準電壓3.3V,精確到0.05mV。采集到的電壓計算公式為:式(7)中:X為A/D采集后寄存器中的值。3卡爾曼濾波算法的應用系統軟件由一個菜單模塊構架,使用大屏幕和矩陣鍵盤作為人機交互界面,在不同的菜單下可運行相互獨立的多種功能,使得軟件結構分明,可通過矩陣鍵盤選擇系統校正、顯示左右象限、顯示打點坐標、顯示繪制圖形等多種功能。為了采集數據的準確性應用了經典的卡爾曼濾波算法。卡爾曼濾波算法是基于狀態空間方法的一套遞推濾波算法,在狀態空間方法中,引入了狀態變量的概念。在實際應用中,可以通過選取合適的狀態變量來體現系統的特征、特點和狀況的變化。同時,還應用了數據轉化和數據處理的一系列公式,保證數據在LCD上坐標顯示的準確性。軟件設計流程圖如圖7所示。4測試計劃和測試結果4.1基本圖形的繪制和檢驗可提高顯示的分辨率板子采用15cm×10cm普通的覆銅板,表筆采用萬用表的表尖,覆銅板上用筆畫上小方格,以提高顯示的分辨率。測試結果顯示可識別精度為2cm,可以在液晶上準確顯示打點坐標、所在象限和在坐標系中的位置。能夠繪制矩形、三角形等基本圖形,在液晶中顯示基本圖形的大致形狀。測試開始時必須對系統進行一次校驗來保證采集數據的準確性、有效性。測試設計圖如圖8所示。4.2觸筆的識別功能測量結果表明,該設計方案切實可行,無論觸筆點在銅板測試區域任何一點,在LCD上都可以準確顯示觸點象限、坐標,用觸筆在銅板測試區域畫出圖形,在LCD上都能時時跟隨觸筆動作,顯示觸筆運動的軌跡,也就是觸筆在銅板測試區域所畫的圖形。在本設計中,電路結構清晰明了,軟件設計思路清晰,算法精妙,計算準確。5采集數據處理本系統應用了單臂橋測小電阻法,測量恒定電流通過銅板產生的電勢差,運用差分放大、比例放大把小信號放大成A/D可采集信號,其中還應用了二階低通濾波電路、卡爾曼經典濾波算法,保證采集數據的穩定性、準確性。12