自動(dòng)視覺(jué)大大提高了許多領(lǐng)域控制的自動(dòng)化、智能化，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)的極大進(jìn)步。它被廣泛地應(yīng)用于表面檢測(cè)、自動(dòng)定位、字符檢測(cè)和識(shí)別、尺寸測(cè)量等方面。自動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)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(duì)位置，完成下一步的檢測(cè)識(shí)別工作。在表面貼片技術(shù)生產(chǎn)線上，全自動(dòng)印刷機(jī)需要對(duì)印刷電路板（PCB）上的定位點(diǎn)進(jìn)行定位。定位點(diǎn)的識(shí)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(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽G題要求在普通單面覆銅板上設(shè)計(jì)和制作一款手寫(xiě)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(jì)要求利用普通PCB覆銅板設(shè)計(jì)和制作手寫(xiě)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(shí)，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(cè)表筆與銅箔的接觸，并測(cè)量觸點(diǎn)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手寫(xiě)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(gè)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(guò)精心設(shè)計(jì)，制作的手寫(xiě)繪圖板系統(tǒng)榮獲陜西省賽區(qū)一等獎(jiǎng)。

1 設(shè)計(jì)方案與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    針對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(shì)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(duì)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(cè)電路等。

    （2）四探針技術(shù)測(cè)量薄層電阻定位^[3]，通過(guò)對(duì)常規(guī)直線四探針測(cè)試技術(shù)的分析，該法不適用于微區(qū)薄層電阻的測(cè)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(cè)試位置，并且需要制備測(cè)試圖形。本方案最終也被放棄，原因是本系統(tǒng)在2013電子競(jìng)賽期間完成，時(shí)間緊張，無(wú)法實(shí)施。

    （3）讓表筆在覆銅坐標(biāo)板上點(diǎn)動(dòng)或滑動(dòng)，接著檢測(cè)微小電阻上通過(guò)一定電流(恒流源提供)后其兩端電壓，通過(guò)兩級(jí)放大后， A/D對(duì)覆銅板的四角與表筆間電阻上電壓采樣，確定各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的4個(gè)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(guò)液晶顯示坐標(biāo)、象限、軌跡。在判定坐標(biāo)時(shí)，需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

    經(jīng)過(guò)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(gè)恒流信號(hào)，四角連電阻接地形成電橋，將對(duì)角線的電壓進(jìn)行差分放大。另外，差分信號(hào)放大后，如何確定表筆在覆銅板上的坐標(biāo)值是一個(gè)問(wèn)題。因此，應(yīng)該將銅板的物理坐標(biāo)值與所測(cè)到的信號(hào)值進(jìn)行相關(guān)對(duì)應(yīng)，即可解決覆銅板坐標(biāo)定位的問(wèn)題。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由恒流源模塊、測(cè)電壓模塊、放大模塊、采樣模塊、信號(hào)處理模塊、顯示模塊組成。精密恒流源電流通過(guò)微電阻，通過(guò)差分放大器將信號(hào)放大到能被提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)采集和處理并顯示測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(hào)檢測(cè)裝置檢測(cè)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(gè)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(zhǎng)M317中有基準(zhǔn)的1.25 V電壓，這個(gè)電壓在LM317中有穩(wěn)壓措施，所以會(huì)一直保持不變，這個(gè)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(guò)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。基于低功耗的要求，恒流源輸出恒流值為125 mA，恒流源電路原理圖如圖3所示。

2.2 電壓檢測(cè)電路

2.2.1 惠斯通原理

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

2.2.2 PCB定位系統(tǒng)電壓檢測(cè)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(wàn)用表DM3061對(duì)150 mm×100 mm的銅板阻值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

    從表1可以看出，整個(gè)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(shì)必功耗增大。考慮系統(tǒng)低功耗要求，最終 PCB覆銅板四角各接兩個(gè)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(shí)，A、B、C、D 4點(diǎn)各有一個(gè)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(hào)并傳給單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)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(jì)

    小信號(hào)的放大是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大難關(guān)，設(shè)計(jì)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(hào)放大10 000倍。放大倍數(shù)G=(1+50 kΩ/R_g)，覆銅板的4個(gè)角A、B、C、D引出信號(hào)線隨著覆銅板上引線的移動(dòng)產(chǎn)生4路差分信號(hào)。這個(gè)小信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)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(guò)差分放大的電壓信號(hào)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(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)應(yīng)于LCD屏上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)。其接口電路和操作指令簡(jiǎn)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(hào)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(hào)在A/D轉(zhuǎn)換之前先通過(guò)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(jì)

    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(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的放大后的電壓信號(hào)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(cè)試與分析

4.1 結(jié)果測(cè)試

    本作品經(jīng)過(guò)了認(rèn)真的分析與取舍，設(shè)計(jì)出合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，較好地完成了電路功能。基本部分要求基本達(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(duì)比如表2所示。由于時(shí)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(guò)程注意事項(xiàng)

    在測(cè)量過(guò)程中表筆會(huì)有抖動(dòng)，表筆探頭用屏蔽線，表筆到四角的電線一樣長(zhǎng)，且各焊點(diǎn)大小一致，盡可能減小外界分布電阻對(duì)測(cè)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(cè)量的偏差。A/D采樣也會(huì)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(shí)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(jì)制作的手寫(xiě)繪圖板系統(tǒng)榮獲全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽陜西賽區(qū)一等獎(jiǎng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的反思與總結(jié)，優(yōu)勢(shì)在于本設(shè)計(jì)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(jì)的手寫(xiě)繪圖板精度不夠，經(jīng)過(guò)剖析原因，所采用的信號(hào)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?jī)?nèi)存；另一方面沒(méi)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(méi)有做好，這也本系統(tǒng)要完善的方向。

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