文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2014)09-0081-04
自动视觉大大提高了许多领域控制的自动化、智能化，促进了生产力的发展和社会的极大进步。它被广泛地应用于表面检测、自动定位、字符检测和识别、尺寸测量等方面。自动视觉检测的第一步就是在工件上找到定位点以确定工件之间的相对位置，完成下一步的检测识别工作。在表面贴片技术生产线上，全自动印刷机需要对印刷电路板（PCB）上的定位点进行定位。定位点的识别精度在电子元器件实际置放位置和基准位置的畸变校正中起着举足轻重的作用[1]。2013全国大学生电子设计竞赛G题要求在普通单面覆铜板上设计和制作一款手写绘图输入设备，系统结构如图1所示。
本系统设计要求利用普通PCB覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。系统构成框图如图1所示。普通覆铜板尺寸为15 cm×10 cm，其四角用导线连接到电路，同时，一根带导线的普通表笔连接到电路。表笔与覆铜板表面任意位置接触，电路应能检测表笔与铜箔的接触，并测量触点位置，进而实现手写绘图功能。覆铜板表面可自行绘制纵横坐标以及6 cm×4 cm(高精度区A)和12 cm×8 cm(一般精度区B)(如图中两个虚线框所示)，并尽可能降低功耗。根据题目具体要求，考虑到覆铜板铜箔阻值小、板面氧化以及导线电阻、表笔触头电阻等因素，经过精心设计，制作的手写绘图板系统荣获陕西省赛区一等奖。
1 设计方案与系统结构
针对本系统设计要求，核心思想是在覆铜板上进行坐标定位，着重考虑到以下设计方案：
（1）基于电容触摸屏的坐标定位法[2]，从二维电容触摸屏的等效电路分析，建立电势分布的微分方程，结合不同类型的电极特点，分析电容触摸屏的触摸电流的不同关系式。借助MATLAB软件对电容触摸屏的坐标定位进行数值分析，进而确定坐标。此方案最后被放弃，原因是影响电容触摸屏的坐标定位的因素还有很多，比如电极的材料、ITO导电膜的平整度、检测电路等。
（2）四探针技术测量薄层电阻定位[3]，通过对常规直线四探针测试技术的分析，该法不适用于微区薄层电阻的测量，若用改进的范德堡法，则需要借助于放大镜观察样品的测试位置，并且需要制备测试图形。本方案最终也被放弃，原因是本系统在2013电子竞赛期间完成，时间紧张，无法实施。
（3）让表笔在覆铜坐标板上点动或滑动，接着检测微小电阻上通过一定电流(恒流源提供)后其两端电压，通过两级放大后， A/D对覆铜板的四角与表笔间电阻上电压采样，确定各点对应的4个采样数值，与先前存入的采样值作比较，从而确定该点的坐标或轨迹，最后通过液晶显示坐标、象限、轨迹。在判定坐标时，需要对大量数据进行处理。
经过反复论证，本系统采用方案（3）实施。
考虑给覆板输入一个恒流信号，四角连电阻接地形成电桥，将对角线的电压进行差分放大。另外，差分信号放大后，如何确定表笔在覆铜板上的坐标值是一个问题。因此，应该将铜板的物理坐标值与所测到的信号值进行相关对应，即可解决覆铜板坐标定位的问题。本系统设计主要由恒流源模块、测电压模块、放大模块、采样模块、信号处理模块、显示模块组成。精密恒流源电流通过微电阻，通过差分放大器将信号放大到能被提取出来，经过采集和处理并显示测量结果。系统原理框图如图2所示。
2 系统设计
2.1 恒流源电路
根据题目方案论证，拟采用精密恒流源在PCB板上产生压降，再用微弱信号检测装置检测压差，最后与坐标原点压差数据比较得出坐标。结合低功耗的要求，采用的恒流源电路由LM317搭建而成，LM317的IN脚接输入电压正，OUT脚接一个电阻后为恒流输出，ADJ脚直接接到恒流输出，就是OUT脚的电阻的另一端，负载接在这里，因为LM317中有基准的1.25 V电压，这个电压在LM317中有稳压措施，所以会一直保持不变，这个电压就在电阻的两端，电阻值是固定的，电压也是固定的，流过电阻的电流就是恒定不变的[4]。恒流值=1.25 V/电阻（Ω），覆铜板等效为可变电阻。基于低功耗的要求，恒流源输出恒流值为125 mA，恒流源电路原理图如图3所示。
2.2 电压检测电路
2.2.1 惠斯通原理
图4为惠斯通电桥原理图。4个电阻连成四边形，形成电桥的4个臂。四边形的一个对角线连有检流计，形成“桥”；四边形的另一对角接上电源，称为电桥的“电源对角线”。电源接通时，电桥线路中各电桥中之路均有电流通过。当B、D两点之间电位不相等时，桥路中的电流不为零，检流计的指针发生偏转；当B、D两点之间的电位相等时，
桥路中的电流为零，检流计指针指零，此时称电桥处于平衡状态[5]。
2.2.2 PCB定位系统电压检测原理
采用惠斯通原理进行电压采样。使用6位半数字万用表DM3061对150 mm×100 mm的铜板阻值进行测量，测量结果如表1所示。
从表1可以看出，整个覆铜板阻值非常小，若要区别铜板不同位置，需要灌入大电流，但是大电流势必功耗增大。考虑系统低功耗要求，最终 PCB覆铜板四角各接两个1 Ω 3 W的电阻的并联。恒流源从电阻端给覆铜板供电，触笔端接地。当触笔端接触覆铜板时，A、B、C、D 4点各有一个电压返回到放大电路中，模/数转换器采集放大电路放大的电压差值信号并传给单片机。单片机通过查表得出坐标。PCB坐标定位示意图如图5所示。
2.3 放大电路设计
小信号的放大是本系统设计的一大难关，设计中采用了德州仪器的高精度、低功耗仪表放大器INA128进行差分放大[6-7]，跨阻选择5 Ω，信号放大10 000倍。放大倍数G=(1+50 kΩ/Rg)，覆铜板的4个角A、B、C、D引出信号线随着覆铜板上引线的移动产生4路差分信号。这个小信号经过仪表放大器INA128放大10 000倍，可以区分覆铜板的不同点位置。差分放大原理如图6所示。
2.4 A/D转换以及显示电路
图6输出的四路差分信号接A/D转换芯片进行模/数转换，A/D转换采用12位分辨率TLC2543转换器。TLC2543芯片参考电压为Vref=2.511 V，可以分辨的最小的电压值为
通过差分放大的电压信号进行PCB位置定位的数据信息可以在单片机中建立一个坐标数据库供定位查询。坐标信息显示采用采用LCD12864液晶模块，LCD12864是128×64行点阵的单色、字符、图形显示模块。模块内藏64×64的显示数据RAM，其中的每位数据对应于LCD屏上一个点的亮、暗状态。其接口电路和操作指令简单，有8位并行数据接口，可满足题目要求。模/数转换和显示电路如图7所示。
2.5 信号处理
系统的误差主要由量化误差及模拟误差组成，即由A/D转换器、放大器等的非线性误差组成量化误差及由恒流源精度、温漂及增益误差组成的模拟误差构成。当然也要考虑外部噪声和干扰，因此信号在A/D转换之前先通过有源低通滤波器，滤除所有交流干扰，再用软件进行数字滤波进一步提高抗干扰能力，滤波采用卡尔曼滤波。
3 软件部分设计
本系统软件的工作主要是进行数据建表和查表，对实时测量的放大后的电压信号进行A/D转换交给单片机建立数据表格，以供显示查询[8-9]。软件流程如图8所示。
4 结果测试与分析
4.1 结果测试
本作品经过了认真的分析与取舍，设计出合理的系统结构，较好地完成了电路功能。基本部分要求基本达到， 发挥部分的低功耗要求基本达到。题目要求与作品实际完成情况对比如表2所示。由于时间、经验以及器件差异，本系统还有需要完善的空间。
4.2 调试过程注意事项
在测量过程中表笔会有抖动，表笔探头用屏蔽线，表笔到四角的电线一样长，且各焊点大小一致，尽可能减小外界分布电阻对测量的影响。A/D的基准源与表笔的电压一致，可以消除基准源的不稳导致测量的偏差。A/D采样也会有噪声，需要在软件上用卡尔曼滤波。而且录入各坐标点4路采样数值后，再次重新定位时需要软件做一定的补偿，以提高系统的稳定度。
4.3 不足与展望
虽然赛事已经结束，所设计制作的手写绘图板系统荣获全国大学生电子设计竞赛陕西赛区一等奖，经过长时间的反思与总结，优势在于本设计的思路是符合本科学生的理解能力的，基本功能是可以达到的，硬件系统也是紧凑利落的。但是尚存一些缺点和不足。首先，所设计的手写绘图板精度不够，经过剖析原因，所采用的信号处理方法有待提高。此外，系统软件部分严重不足，仅采用了查表法，建立的数据表格非常庞大，占用大量内存；另一方面没有找到PCB铜箔表面的阻值与坐标的数学关系或者模型关系，也就是软件补偿没有做好，这也本系统要完善的方向。
参考文献
[1] 许亚娟.PCB板中定位点的识别和定位[D].苏州：苏州大学，2009.
[2] 朱维安，郑寿云，陈莉.电容触摸屏的坐标定位分析[J].电子测量技术，2009，32（5）：15-16.
[3] 刘新福，孙以材，刘东升.四探针技术测量薄层电阻的原理及应用[J].封装测试技术，2004(7)：51-53.
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[5] 张学华.影响惠斯通电桥灵敏度因素的实验验证[J].大学物理实验，2010，12(6)：50-51.
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[7] 何希才.新型集成电路及其应用实例[M].北京：科学出版社，2003.
[8] 吴炳胜.80C51单片机原理及应用技术[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[9] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能训练[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.