文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)09-0081-04
自動視覺大大提高了許多領域控制的自動化、智能化，促進了生產力的發展和社會的極大進步。它被廣泛地應用于表面檢測、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。在表面貼片技術生產線上，全自動印刷機需要對印刷電路板（PCB）上的定位點進行定位。定位點的識別精度在電子元器件實際置放位置和基準位置的畸變校正中起著舉足輕重的作用[1]。2013全國大學生電子設計競賽G題要求在普通單面覆銅板上設計和制作一款手寫繪圖輸入設備，系統結構如圖1所示。
本系統設計要求利用普通PCB覆銅板設計和制作手寫繪圖輸入設備。系統構成框圖如圖1所示。普通覆銅板尺寸為15 cm×10 cm，其四角用導線連接到電路，同時，一根帶導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，電路應能檢測表筆與銅箔的接觸，并測量觸點位置，進而實現手寫繪圖功能。覆銅板表面可自行繪制縱橫坐標以及6 cm×4 cm(高精度區A)和12 cm×8 cm(一般精度區B)(如圖中兩個虛線框所示)，并盡可能降低功耗。根據題目具體要求，考慮到覆銅板銅箔阻值小、板面氧化以及導線電阻、表筆觸頭電阻等因素，經過精心設計，制作的手寫繪圖板系統榮獲陜西省賽區一等獎。
1 設計方案與系統結構
針對本系統設計要求，核心思想是在覆銅板上進行坐標定位，著重考慮到以下設計方案：
（1）基于電容觸摸屏的坐標定位法[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，結合不同類型的電極特點，分析電容觸摸屏的觸摸電流的不同關系式。借助MATLAB軟件對電容觸摸屏的坐標定位進行數值分析，進而確定坐標。此方案最后被放棄，原因是影響電容觸摸屏的坐標定位的因素還有很多，比如電極的材料、ITO導電膜的平整度、檢測電路等。
（2）四探針技術測量薄層電阻定位[3]，通過對常規直線四探針測試技術的分析，該法不適用于微區薄層電阻的測量，若用改進的范德堡法，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，原因是本系統在2013電子競賽期間完成，時間緊張，無法實施。
（3）讓表筆在覆銅坐標板上點動或滑動，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，確定各點對應的4個采樣數值，與先前存入的采樣值作比較，從而確定該點的坐標或軌跡，最后通過液晶顯示坐標、象限、軌跡。在判定坐標時，需要對大量數據進行處理。
經過反復論證，本系統采用方案（3）實施。
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值是一個問題。因此，應該將銅板的物理坐標值與所測到的信號值進行相關對應，即可解決覆銅板坐標定位的問題。本系統設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，經過采集和處理并顯示測量結果。系統原理框圖如圖2所示。
2 系統設計
2.1 恒流源電路
根據題目方案論證，擬采用精密恒流源在PCB板上產生壓降，再用微弱信號檢測裝置檢測壓差，最后與坐標原點壓差數據比較得出坐標。結合低功耗的要求，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，負載接在這里，因為LM317中有基準的1.25 V電壓，這個電壓在LM317中有穩壓措施，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。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B、D兩點之間電位不相等時，橋路中的電流不為零，檢流計的指針發生偏轉；當B、D兩點之間的電位相等時，
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[5]。
2.2.2 PCB定位系統電壓檢測原理
采用惠斯通原理進行電壓采樣。使用6位半數字萬用表DM3061對150 mm×100 mm的銅板阻值進行測量，測量結果如表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。考慮系統低功耗要求，最終 PCB覆銅板四角各接兩個1 Ω 3 W的電阻的并聯。恒流源從電阻端給覆銅板供電，觸筆端接地。當觸筆端接觸覆銅板時，A、B、C、D 4點各有一個電壓返回到放大電路中，模/數轉換器采集放大電路放大的電壓差值信號并傳給單片機。單片機通過查表得出坐標。PCB坐標定位示意圖如圖5所示。
2.3 放大電路設計
小信號的放大是本系統設計的一大難關，設計中采用了德州儀器的高精度、低功耗儀表放大器INA128進行差分放大[6-7]，跨阻選擇5 Ω，信號放大10 000倍。放大倍數G=(1+50 kΩ/Rg)，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生4路差分信號。這個小信號經過儀表放大器INA128放大10 000倍，可以區分覆銅板的不同點位置。差分放大原理如圖6所示。
2.4 A/D轉換以及顯示電路
圖6輸出的四路差分信號接A/D轉換芯片進行模/數轉換，A/D轉換采用12位分辨率TLC2543轉換器。TLC2543芯片參考電壓為Vref=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行PCB位置定位的數據信息可以在單片機中建立一個坐標數據庫供定位查詢。坐標信息顯示采用采用LCD12864液晶模塊，LCD12864是128×64行點陣的單色、字符、圖形顯示模塊。模塊內藏64×64的顯示數據RAM，其中的每位數據對應于LCD屏上一個點的亮、暗狀態。其接口電路和操作指令簡單，有8位并行數據接口，可滿足題目要求。模/數轉換和顯示電路如圖7所示。
2.5 信號處理
系統的誤差主要由量化誤差及模擬誤差組成，即由A/D轉換器、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成。當然也要考慮外部噪聲和干擾，因此信號在A/D轉換之前先通過有源低通濾波器，濾除所有交流干擾，再用軟件進行數字濾波進一步提高抗干擾能力，濾波采用卡爾曼濾波。
3 軟件部分設計
本系統軟件的工作主要是進行數據建表和查表，對實時測量的放大后的電壓信號進行A/D轉換交給單片機建立數據表格，以供顯示查詢[8-9]。軟件流程如圖8所示。
4 結果測試與分析
4.1 結果測試
本作品經過了認真的分析與取舍，設計出合理的系統結構，較好地完成了電路功能。基本部分要求基本達到， 發揮部分的低功耗要求基本達到。題目要求與作品實際完成情況對比如表2所示。由于時間、經驗以及器件差異，本系統還有需要完善的空間。
4.2 調試過程注意事項
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的基準源與表筆的電壓一致，可以消除基準源的不穩導致測量的偏差。A/D采樣也會有噪聲，需要在軟件上用卡爾曼濾波。而且錄入各坐標點4路采樣數值后，再次重新定位時需要軟件做一定的補償，以提高系統的穩定度。
4.3 不足與展望
雖然賽事已經結束，所設計制作的手寫繪圖板系統榮獲全國大學生電子設計競賽陜西賽區一等獎，經過長時間的反思與總結，優勢在于本設計的思路是符合本科學生的理解能力的，基本功能是可以達到的，硬件系統也是緊湊利落的。但是尚存一些缺點和不足。首先，所設計的手寫繪圖板精度不夠，經過剖析原因，所采用的信號處理方法有待提高。此外，系統軟件部分嚴重不足，僅采用了查表法，建立的數據表格非常龐大，占用大量內存；另一方面沒有找到PCB銅箔表面的阻值與坐標的數學關系或者模型關系，也就是軟件補償沒有做好，這也本系統要完善的方向。
參考文獻
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[2] 朱維安，鄭壽云，陳莉.電容觸摸屏的坐標定位分析[J].電子測量技術，2009，32（5）：15-16.
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[9] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽技能訓練[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.