自動視覺大大提高了許多領(lǐng)域控制的自動化、智能化，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展和社會的極大進(jìn)步。它被廣泛地應(yīng)用于表面檢測、自動定位、字符檢測和識別、尺寸測量等方面。自動視覺檢測的第一步就是在工件上找到定位點(diǎn)以確定工件之間的相對位置，完成下一步的檢測識別工作。在表面貼片技術(shù)生產(chǎn)線上，全自動印刷機(jī)需要對印刷電路板（PCB）上的定位點(diǎn)進(jìn)行定位。定位點(diǎn)的識別精度在電子元器件實(shí)際置放位置和基準(zhǔn)位置的畸變校正中起著舉足輕重的作用^[1]。2013全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽G題要求在普通單面覆銅板上設(shè)計和制作一款手寫繪圖輸入設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    本系統(tǒng)設(shè)計要求利用普通PCB覆銅板設(shè)計和制作手寫繪圖輸入設(shè)備。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。普通覆銅板尺寸為15 cm×10 cm，其四角用導(dǎo)線連接到電路，同時，一根帶導(dǎo)線的普通表筆連接到電路。表筆與覆銅板表面任意位置接觸，電路應(yīng)能檢測表筆與銅箔的接觸，并測量觸點(diǎn)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手寫繪圖功能。覆銅板表面可自行繪制縱橫坐標(biāo)以及6 cm×4 cm(高精度區(qū)A)和12 cm×8 cm(一般精度區(qū)B)(如圖中兩個虛線框所示)，并盡可能降低功耗。根據(jù)題目具體要求，考慮到覆銅板銅箔阻值小、板面氧化以及導(dǎo)線電阻、表筆觸頭電阻等因素，經(jīng)過精心設(shè)計，制作的手寫繪圖板系統(tǒng)榮獲陜西省賽區(qū)一等獎。

1 設(shè)計方案與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    針對本系統(tǒng)設(shè)計要求，核心思想是在覆銅板上進(jìn)行坐標(biāo)定位，著重考慮到以下設(shè)計方案：

    （1）基于電容觸摸屏的坐標(biāo)定位法^[2]，從二維電容觸摸屏的等效電路分析，建立電勢分布的微分方程，結(jié)合不同類型的電極特點(diǎn)，分析電容觸摸屏的觸摸電流的不同關(guān)系式。借助MATLAB軟件對電容觸摸屏的坐標(biāo)定位進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)而確定坐標(biāo)。此方案最后被放棄，原因是影響電容觸摸屏的坐標(biāo)定位的因素還有很多，比如電極的材料、ITO導(dǎo)電膜的平整度、檢測電路等。

    （2）四探針技術(shù)測量薄層電阻定位^[3]，通過對常規(guī)直線四探針測試技術(shù)的分析，該法不適用于微區(qū)薄層電阻的測量，若用改進(jìn)的范德堡法，則需要借助于放大鏡觀察樣品的測試位置，并且需要制備測試圖形。本方案最終也被放棄，原因是本系統(tǒng)在2013電子競賽期間完成，時間緊張，無法實(shí)施。

    （3）讓表筆在覆銅坐標(biāo)板上點(diǎn)動或滑動，接著檢測微小電阻上通過一定電流(恒流源提供)后其兩端電壓，通過兩級放大后， A/D對覆銅板的四角與表筆間電阻上電壓采樣，確定各點(diǎn)對應(yīng)的4個采樣數(shù)值，與先前存入的采樣值作比較，從而確定該點(diǎn)的坐標(biāo)或軌跡，最后通過液晶顯示坐標(biāo)、象限、軌跡。在判定坐標(biāo)時，需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

    經(jīng)過反復(fù)論證，本系統(tǒng)采用方案（3）實(shí)施。

    考慮給覆板輸入一個恒流信號，四角連電阻接地形成電橋，將對角線的電壓進(jìn)行差分放大。另外，差分信號放大后，如何確定表筆在覆銅板上的坐標(biāo)值是一個問題。因此，應(yīng)該將銅板的物理坐標(biāo)值與所測到的信號值進(jìn)行相關(guān)對應(yīng)，即可解決覆銅板坐標(biāo)定位的問題。本系統(tǒng)設(shè)計主要由恒流源模塊、測電壓模塊、放大模塊、采樣模塊、信號處理模塊、顯示模塊組成。精密恒流源電流通過微電阻，通過差分放大器將信號放大到能被提取出來，經(jīng)過采集和處理并顯示測量結(jié)果。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 恒流源電路

    根據(jù)題目方案論證，擬采用精密恒流源在PCB板上產(chǎn)生壓降，再用微弱信號檢測裝置檢測壓差，最后與坐標(biāo)原點(diǎn)壓差數(shù)據(jù)比較得出坐標(biāo)。結(jié)合低功耗的要求，采用的恒流源電路由LM317搭建而成，LM317的IN腳接輸入電壓正，OUT腳接一個電阻后為恒流輸出，ADJ腳直接接到恒流輸出，就是OUT腳的電阻的另一端，負(fù)載接在這里，因?yàn)長M317中有基準(zhǔn)的1.25 V電壓，這個電壓在LM317中有穩(wěn)壓措施，所以會一直保持不變，這個電壓就在電阻的兩端，電阻值是固定的，電壓也是固定的，流過電阻的電流就是恒定不變的^[4]。恒流值=1.25 V/電阻（Ω），覆銅板等效為可變電阻?；诘凸牡囊螅懔髟摧敵龊懔髦禐?25 mA，恒流源電路原理圖如圖3所示。

2.2 電壓檢測電路

2.2.1 惠斯通原理

    圖4為惠斯通電橋原理圖。4個電阻連成四邊形，形成電橋的4個臂。四邊形的一個對角線連有檢流計，形成“橋”；四邊形的另一對角接上電源，稱為電橋的“電源對角線”。電源接通時，電橋線路中各電橋中之路均有電流通過。當(dāng)B、D兩點(diǎn)之間電位不相等時，橋路中的電流不為零，檢流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)B、D兩點(diǎn)之間的電位相等時，橋路中的電流為零，檢流計指針指零，此時稱電橋處于平衡狀態(tài)^[5]。

2.2.2 PCB定位系統(tǒng)電壓檢測原理

    采用惠斯通原理進(jìn)行電壓采樣。使用6位半數(shù)字萬用表DM3061對150 mm×100 mm的銅板阻值進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表1所示。

    從表1可以看出，整個覆銅板阻值非常小，若要區(qū)別銅板不同位置，需要灌入大電流，但是大電流勢必功耗增大?？紤]系統(tǒng)低功耗要求，最終 PCB覆銅板四角各接兩個1 Ω 3 W的電阻的并聯(lián)。恒流源從電阻端給覆銅板供電，觸筆端接地。當(dāng)觸筆端接觸覆銅板時，A、B、C、D 4點(diǎn)各有一個電壓返回到放大電路中，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采集放大電路放大的電壓差值信號并傳給單片機(jī)。單片機(jī)通過查表得出坐標(biāo)。PCB坐標(biāo)定位示意圖如圖5所示。

2.3 放大電路設(shè)計

    小信號的放大是本系統(tǒng)設(shè)計的一大難關(guān)，設(shè)計中采用了德州儀器的高精度、低功耗儀表放大器INA128進(jìn)行差分放大^[6-7]，跨阻選擇5 Ω，信號放大10 000倍。放大倍數(shù)G=(1+50 kΩ/R_g)，覆銅板的4個角A、B、C、D引出信號線隨著覆銅板上引線的移動產(chǎn)生4路差分信號。這個小信號經(jīng)過儀表放大器INA128放大10 000倍，可以區(qū)分覆銅板的不同點(diǎn)位置。差分放大原理如圖6所示。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換以及顯示電路

    圖6輸出的四路差分信號接A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換采用12位分辨率TLC2543轉(zhuǎn)換器。TLC2543芯片參考電壓為V_ref=2.511 V，可以分辨的最小的電壓值為通過差分放大的電壓信號進(jìn)行PCB位置定位的數(shù)據(jù)信息可以在單片機(jī)中建立一個坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫供定位查詢。坐標(biāo)信息顯示采用采用LCD12864液晶模塊，LCD12864是128×64行點(diǎn)陣的單色、字符、圖形顯示模塊。模塊內(nèi)藏64×64的顯示數(shù)據(jù)RAM，其中的每位數(shù)據(jù)對應(yīng)于LCD屏上一個點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)。其接口電路和操作指令簡單，有8位并行數(shù)據(jù)接口，可滿足題目要求。模/數(shù)轉(zhuǎn)換和顯示電路如圖7所示。

2.5 信號處理

    系統(tǒng)的誤差主要由量化誤差及模擬誤差組成，即由A/D轉(zhuǎn)換器、放大器等的非線性誤差組成量化誤差及由恒流源精度、溫漂及增益誤差組成的模擬誤差構(gòu)成。當(dāng)然也要考慮外部噪聲和干擾，因此信號在A/D轉(zhuǎn)換之前先通過有源低通濾波器，濾除所有交流干擾，再用軟件進(jìn)行數(shù)字濾波進(jìn)一步提高抗干擾能力，濾波采用卡爾曼濾波。

3 軟件部分設(shè)計

    本系統(tǒng)軟件的工作主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)建表和查表，對實(shí)時測量的放大后的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換交給單片機(jī)建立數(shù)據(jù)表格，以供顯示查詢^[8-9]。軟件流程如圖8所示。

4 結(jié)果測試與分析

4.1 結(jié)果測試

    本作品經(jīng)過了認(rèn)真的分析與取舍，設(shè)計出合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，較好地完成了電路功能?；静糠忠蠡具_(dá)到， 發(fā)揮部分的低功耗要求基本達(dá)到。題目要求與作品實(shí)際完成情況對比如表2所示。由于時間、經(jīng)驗(yàn)以及器件差異，本系統(tǒng)還有需要完善的空間。

4.2 調(diào)試過程注意事項(xiàng)

    在測量過程中表筆會有抖動，表筆探頭用屏蔽線，表筆到四角的電線一樣長，且各焊點(diǎn)大小一致，盡可能減小外界分布電阻對測量的影響。A/D的基準(zhǔn)源與表筆的電壓一致，可以消除基準(zhǔn)源的不穩(wěn)導(dǎo)致測量的偏差。A/D采樣也會有噪聲，需要在軟件上用卡爾曼濾波。而且錄入各坐標(biāo)點(diǎn)4路采樣數(shù)值后，再次重新定位時需要軟件做一定的補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度。

4.3 不足與展望

    雖然賽事已經(jīng)結(jié)束，所設(shè)計制作的手寫繪圖板系統(tǒng)榮獲全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽陜西賽區(qū)一等獎，經(jīng)過長時間的反思與總結(jié)，優(yōu)勢在于本設(shè)計的思路是符合本科學(xué)生的理解能力的，基本功能是可以達(dá)到的，硬件系統(tǒng)也是緊湊利落的。但是尚存一些缺點(diǎn)和不足。首先，所設(shè)計的手寫繪圖板精度不夠，經(jīng)過剖析原因，所采用的信號處理方法有待提高。此外，系統(tǒng)軟件部分嚴(yán)重不足，僅采用了查表法，建立的數(shù)據(jù)表格非常龐大，占用大量內(nèi)存；另一方面沒有找到PCB銅箔表面的阻值與坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系或者模型關(guān)系，也就是軟件補(bǔ)償沒有做好，這也本系統(tǒng)要完善的方向。

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