基于STM32的主動式電容筆設(shè)計

姚詩磊，李龍輝，孫嘉騫，易黃建

（西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710000）

0 引 言

主動式電容筆的作用對象是電容屏，電容屏是近年來興起的一類屏幕，目前大多數(shù)電子設(shè)備應(yīng)用的都是電容屏[1-2]。電容筆通過內(nèi)部電路產(chǎn)生的信號與觸摸屏作用從而產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流可以用來檢測筆的坐標(biāo)。電容筆輸出的信號能夠模擬人體電流作用于電容屏，起到代替手指的功能。用戶可以流暢地在屏幕較大的電子設(shè)備上書寫。研究的核心問題在于如何輸出連續(xù)、平穩(wěn)且能夠作用于電容屏的信號，且考慮到電容筆的功能實現(xiàn)，不能將筆設(shè)計得太大，因此選擇可集成、體積小的器件來實現(xiàn)功能。

目前市場上主動式電容筆售價較高，很少有廠家開發(fā)這樣的電容筆。本文主要基于正弦信號發(fā)生和模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計了一款能夠作用于電容屏的電容筆，且在各電路模塊上可以進(jìn)行拓展以增加電容筆的功能。

1 主動式電容筆的主要原理研究

電容筆的作用對象是電容屏，首先要了解電容屏的結(jié)構(gòu)及工作原理。電容屏的結(jié)構(gòu)是一塊四層復(fù)合玻璃層，將ITO導(dǎo)電材料涂在內(nèi)表面和夾面之間[3]。電容屏的工作原理是人的皮膚與電容屏有接觸時，皮膚作為導(dǎo)體，皮膚和電容屏之間會產(chǎn)生耦合電容，電容屏幕會在接觸點生成一個小電流，電流最終流向屏幕處于對角的4個電極中，計算這些電流到達(dá)電極的時間，確定觸摸的準(zhǔn)確位置。電容筆的工作原理與之類似，電容筆與屏幕接觸產(chǎn)生動作電流，電流流入屏幕對角的4個電極中，并且電流到達(dá)電極的時間與電流流過的距離成正比，處理器對4個電流的到達(dá)時間和距離進(jìn)行計算，可以定位到屏幕上接觸點的位置。

根據(jù)電容屏的基本特征，設(shè)計一款模擬人體電流的電容筆，滿足人們在電子設(shè)備上書寫的需求。本文利用文氏橋振蕩電路產(chǎn)生一個正弦波，而后對正弦波進(jìn)行處理和分析，輸出一個精度較高的模擬信號。在此過程中需要考慮各模塊的選用和設(shè)計以及電路參數(shù)的設(shè)置。

2 主動式電容筆系統(tǒng)模塊

2.1 主動式電容筆模塊設(shè)置

主動式電容筆包括電容筆模塊、STM32芯片模塊、壓力傳感器模塊和藍(lán)牙模塊，如圖1所示。壓力傳感器安裝在筆尖處，用于收集筆尖壓力信息而后傳給STM32芯片，從而改變輸出信號幅值。藍(lán)牙模塊與STM32連接使電容筆工作。

圖1 各模塊示意圖

2.2 主動式電容筆控制模塊

控制模塊包括STM32F4ZET6主控芯片、藍(lán)牙和壓力傳感器。STM原理圖如圖2所示。

圖2 STM32芯片原理

當(dāng)藍(lán)牙模塊與STM32連接之后，給PA4輸出高電平，給電路模塊供電，當(dāng)無連接時電路斷路不輸出信號。筆尖的壓力傳感器用于感知筆尖壓力大小，當(dāng)壓力越大時改變輸出信號幅值，從而改變書寫寬度。

控制代碼如下：

2.3 主動式電容筆信號產(chǎn)生模塊

主動式電容筆內(nèi)部電路組成包括信號發(fā)生模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、LC選頻模塊、電路保護(hù)模塊，如圖3所示。

圖3 電容筆內(nèi)部示意圖

2.3.1 信號發(fā)生模塊

信號發(fā)生模塊采用的是文氏橋振蕩電路（Wien Bridge Oscillator Circuit），其通過對各項參數(shù)的設(shè)置能夠產(chǎn)生電路所需的正弦信號。在此部分需要解決的問題是如何調(diào)節(jié)各項參數(shù)的值來獲得所需信號以及如何使輸出的正弦波更穩(wěn)定[4]。信號發(fā)生模塊電路圖如圖4所示。

圖4 信號發(fā)生模塊電路

信號發(fā)生模塊由電阻、電容、二極管和運(yùn)算放大器組成，通過調(diào)節(jié)R2，C1，R3，C2的值來調(diào)整輸出正弦波的頻率[4]，調(diào)節(jié)R1，R4和R5可以改變電路放大倍數(shù)（Au1為二極管導(dǎo)通前放大倍數(shù)，Au2為二極管導(dǎo)通后放大倍數(shù)），計算公式如下：

正弦波發(fā)生器對阻抗匹配要求嚴(yán)格，故選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻電容值需要符合要求，在濾除產(chǎn)生的各次諧波之后可以產(chǎn)生更加平滑的正弦曲線。調(diào)節(jié)R5的電阻值可以調(diào)節(jié)獲得正弦波的幅值，確保輸出信號不出現(xiàn)非線性失真的情況[5-6]。

為確保不出現(xiàn)失真，需要改變模塊的放大倍數(shù)Au。當(dāng)Au＜3時，電路主要是負(fù)反饋，此時電路不輸出信號；當(dāng)Au＞3時，電路主要是正反饋，此時電路輸出信號會出現(xiàn)失真；當(dāng)Au=3時，正負(fù)反饋處于平衡，波形不會出現(xiàn)失真情況，此時輸出波形穩(wěn)定。

這種電路物理實現(xiàn)性低，是因為難以控制電路放大倍數(shù)恰好為3，所以對電路做出如下修改：

在原有的基礎(chǔ)上增加2個并聯(lián)反向二極管，這樣做的目的是當(dāng)振蕩信號比較小時，二極管處于不導(dǎo)通狀態(tài)，其支路相當(dāng)于斷路，當(dāng)Au＞3，二極管導(dǎo)通，降低了放大倍數(shù)，使電路逐漸恢復(fù)正常工作。改進(jìn)之后輸出波形如圖5所示。

圖5 信號發(fā)生電路改進(jìn)后輸出波形

2.3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用的是滯回型電壓比較器，將文氏橋產(chǎn)生的正弦信號進(jìn)行處理，將正弦波轉(zhuǎn)化成為同頻率的矩形波，優(yōu)點是抗干擾性好且輸出穩(wěn)定[7]。電壓比較器作用是比較同相輸入和反相輸入端輸入的電壓的大小并輸出高低電平[8]。

電壓比較器有兩個工作狀態(tài)：一是同相端電壓高于反相端電壓，產(chǎn)生高電平信號；二是同相端電壓低于反相端電壓，產(chǎn)生低電平信號[9]。此模塊采用反相輸入模式，設(shè)計時需要考慮的問題有：穩(wěn)壓管的大小如何選擇，穩(wěn)壓管可以改變比較器的輸出波形；R的取值，R的大小決定了運(yùn)放的工作狀態(tài)。電壓比較器工作示意圖如圖6所示。

圖6 電壓比較器工作示意圖

滯回比較器的左右電壓變化范圍為：

電壓比較器電路原理圖如圖7所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出波形圖如圖8所示。

圖7 電壓比較器電路原理

圖8 數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出波形

2.3.3 LC選頻模塊

電壓比較器產(chǎn)生的信號通過LC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，從輸入信號中選擇出所需的信號，濾除產(chǎn)生的無用信號，減少諧波輸出[10]。電容和電感的取值取決于在文氏橋振蕩電路所產(chǎn)生的信號頻率大小[11-12]。實驗結(jié)果顯示，在添加保護(hù)模塊之后能夠使輸出信號在高低電平持續(xù)期間不斷變化，使電容筆書寫時不容易出現(xiàn)間斷現(xiàn)象。

將通過LC諧振電路的信號通過筆頭作用于電容屏上達(dá)到模擬人手指觸摸的功能。信號在諧振頻點處通過，在-3 dB處的信號被截止，通過傅里葉變換可以看出其在頻域下的分量。傅里葉分析如圖9所示。

圖9 傅里葉分析

實驗結(jié)果表明，信號頻域分量在諧振頻點處的能量值最大，其余頻點處的分量小，濾波效果較好。LC諧振電路輸出波形圖如圖10所示。

圖10 LC諧振電路輸出波形

輸出信號傅里葉變換見表1所列。輸出傅里葉變換參數(shù)見表2所列。

表1 輸出信號傅里葉變換

表2 輸出傅里葉變換參數(shù)

2.3.4 電路保護(hù)模塊

在LC選頻網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置電路保護(hù)模塊，因為LC選頻網(wǎng)絡(luò)輸出信號與筆尖連接，可以防止因筆頭反流電流過大而造成內(nèi)部電路的損壞；且為了避免電路中浪涌沖擊導(dǎo)致模塊損毀[13]，選擇使用二極管對輸出端進(jìn)行穩(wěn)壓。

3 結(jié) 語

本文研究了主動式電容筆的內(nèi)部主要原理和外部控制電路，闡述了主動式電容筆結(jié)構(gòu)及原理。在不改變現(xiàn)有觸摸屏的架構(gòu)之下，設(shè)計出具有信號發(fā)生和運(yùn)算、數(shù)模轉(zhuǎn)換、選頻濾波等功能的電路。在解決了能產(chǎn)生基本信號的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了電路的性能，令電容筆使用更符合人們要求。