数显卡尺接口技术的研究

　　1 引 言

　　随着计算机技术及其相关技术的发展, 传统的机械式量具正越来越多地被数显量具所取代[1]。数显卡尺是目前应用最为广泛的数显量具之一, 它具有测量可靠、功能齐全、读数直观等诸多优点。但是, 由于目前国际上通用的数显卡尺产品的输出信号不规范, 为数显卡尺与高一级计算机联接构成测量系统造成了障碍。本文介绍了数显卡尺的工作原理, 并在此基础上, 总结了现有的接口电路, 进行了分类介绍。

　　2 数显卡尺工作原理

　　鉴相型容栅传感器是一大类变面积原理的电容传感器, 是数显卡尺的核心测量组件。鉴相型容栅传感器结构如图 1 所示。

　　它由动尺和定尺两部分组成, 动尺上有发射极 6 组:A、B、C、D、E、F, 每组有 8 个电极。在每组相同序号的发射电极上加一幅值、频率和相位相同的激励信号, 相邻序号电极上激励信号的相位差是 2π/N( N 为一组中发射电极的个数( 此为 8) 。动尺上还有一接收极。定尺是由一些矩形小方格组成的, 表面粘贴绝缘保护层, 这些小方格称为反射极, 其它连通部分屏蔽接地, 对测量没有影响。典型的鉴相型测量电路原理框图如图 2 所示。

　　由激励信号编码器等产生的 8 路调制的驱动信号,送到容栅传感器的发射电极上。容栅传感器输出的位移调相信号, 经解调、放大和整形, 再送入鉴相器, 以检出相位变化, 供运算器处理。运算器将鉴相器的数据与基准信号进行比较和运算, 然后进行公/英制转换和 BCD 码转换。再由译码器将 BCD 码转换成七段码, 送显示驱动单元。其中, 振荡器输出信号用作解调器、鉴相器的同步信号和运算器的定时信号。

　　鉴相型容栅传感器配以鉴相型测量电路已研制成专用的集成电路芯片。集成芯片安装在动尺的正面。

　　数显卡尺输出端口有 4 个, 输出信号是串行信号。这在以前的文献里都有说明, 不做介绍。对于时钟频率为90 kHz 的数显卡尺, 输出信号总体结构如图 3 所示。

　　其中, 信号 A 是同步时钟信号, 在一次数据传送中,开始是 44μs 的高电平段, 表示数据即将开始传送; 接下来是两段各有 24 个宽度为 11μs 的窄脉冲, 前后两段窄脉冲之间有 90μs 的间隔; 最后是 55μs 的高电平段, 以示数据传送结束。数据传送是周期性的, 周期间隔为 20ms,A 为一次数据传送的信号波形。

　　图中 B 表示数据信号。它是与同步信号相对应的高、低电平信号。在一次传送中, 共有2 组24 位数据, 其中一组是绝对量, 另一组为相对量, 均是经过编码的。

　　3 数显卡尺接口电路