CN112797882A - 一种防水型电子卡尺控制芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及位移传感器技术领域,具体为一种防水型电子卡尺控制芯片,其集成度高,芯片管脚少,大大降低整体控制电路的体积和成本,其包括电源转换模块、LC振荡器、基准振荡器,电源转换模块连接芯片的VCC管脚、VREF管脚、脉冲发生器的电源输入端、多路复用器的电源输入端、保护模块的电源输入端,脉冲发生器的的输出端连接芯片的Vpulse管脚,多路复用器的输入端连接芯片的传感器信号输入管脚、环形计数器的输出端,多路复用器的输出端通过LC振荡器连接斩波模块的输入端,斩波模块的输出端、环形计数器的输入端、基准振荡器的输出端、保护模块的输出端连接逻辑控制模块,逻辑控制模块还连接芯片的Disable管脚、FSOUT管脚、CLK管脚、FO管脚。
Description
技术领域
本发明涉及位移传感器技术领域,具体为一种防水型电子卡尺控制芯片。
背景技术
随着微电子技术的发展,各种应用电路模块的应用越来越重视集成化,既将大量的电路功能模块集成进一颗芯片,既能降低整体方案的成本,又能缩小整体方案的体积,在应用上逐渐成为主流趋势。然而,在传感器应用领域,尤其是电涡流位移传感器应用领域,主控芯片的集成相对滞缓,并未形成规模趋势。随着电涡流位移传感器应用的逐渐普及,应用规模的不断增大,对整体方案的体积、成本提出了更高的要求,集成化的主控芯片研发成为了该领域的竞争高地。
鉴于电涡流位移传感器长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、响应速度快、不受油水等介质的影响,在电子卡尺应用上具有相当大的市占率。公开号为CN101655346的专利申请中公开了一种防水型电子数显卡尺专用芯片,其内部集成了较多的模块,,但是其芯片管脚较多,使得芯片使用时整个控制电路接线复杂,提高了电子卡尺整个控制电路的体积和成本。
发明内容
为了解决现有芯片集成度不高、管脚多导致电子卡尺整个控制电路的体积和成本较高的问题,本发明提供了一种防水型电子卡尺控制芯片,其集成度高,芯片管脚少,大大降低整体控制电路的体积和成本。
其技术方案是这样的:一种防水型电子卡尺控制芯片,其包括电源转换模块、LC振荡器、基准振荡器,其特征在于,所述电源转换模块连接芯片的VCC管脚、VREF管脚、脉冲发生器的电源输入端、多路复用器的电源输入端、保护模块的电源输入端,所述脉冲发生器的的输出端连接所述芯片的Vpulse管脚,所述多路复用器的输入端连接所述芯片的传感器信号输入管脚、环形计数器的输出端,所述多路复用器的输出端通过所述LC振荡器连接斩波模块的输入端,所述斩波模块的输出端、环形计数器的输入端、基准振荡器的输出端、保护模块的输出端连接逻辑控制模块,所述逻辑控制模块还连接所述芯片的Disable管脚、FSOUT管脚、CLK管脚、FO管脚。
其进一步特征在于,所述基准振荡器连接所述芯片的F_Ctrl管脚;
所述保护模块包括比较器U1,所述比较器U1的正相输入端连接基准电压、反相输入端连接电阻R1一端和电阻R2一端,所述电阻R1另一端连接VDD,所述电阻R2另一端接地,所述比较器U1的输出端连接或门U2的一个输入端,所述或门U2的另一端输入端连接反相器U3的输出端,所述反相器U3的输入端连接电流源I2一端、三极管Q1的集电极,所述三极管Q1的基极连接电流源I1的一端、电阻R3一端,所述电流源I1另一端和所述电流源I2另一端连接VDD,所述三极管Q1的发射极、所述电阻R3另一端均接地,所述或门U2的输出端连接所述逻辑模块;
斩波模块包括比较器U4,所述比较器U4的反相输入端连接基准电压、正相输入端连接所述LC振荡器的输出端,所述比较器U4的输出端连接所述逻辑模块。
采用本发明后,芯片内部集成了多个模块,并且减少了芯片管脚数量,大大提高了芯片的集成度,降低了整体控制电路的体积和成本。
附图说明
图1为本发明控制芯片原理图;
图2为电涡流原理及LC振荡原理示意图;
图3为本发明实际应用示意图;
图4为保护模块电路原理图;
图5为斩波模块电路原理图。
具体实施方式
见图1,图3所示,一种防水型电子卡尺控制芯片,其包括电源转换模块、LC振荡器、基准振荡器,电源转换模块连接芯片的VCC管脚、VREF管脚、脉冲发生器的电源输入端、多路复用器的电源输入端、保护模块的电源输入端,VCC管脚连接外部电源,可由干电池提供,通常为1.5-5.5V,电源转换模块将该电压进行转换,一方面转换成内部电源VDD为脉冲发生器和多路复用器等模块供电,另一方面转换成电源VREF,可以为后续的MCU供电,通常芯片内部电源和VREF电压为2.1V(通常在1.2V~3.3V范围期间),脉冲发生器的的输出端连接芯片的Vpulse管脚,脉冲发生器不定时地产生窄脉冲信号,窄脉冲信号通过Vpulse管脚输出,多路复用器的输入端连接芯片的传感器信号输入管脚(包括FS1-FS8)、环形计数器的输出端,多路复用器的输出端通过LC振荡器连接斩波模块的输入端,斩波模块的输出端、环形计数器的输入端、基准振荡器的输出端、保护模块的输出端连接逻辑控制模块,逻辑控制模块还连接芯片的Disable管脚、FSOUT管脚、CLK管脚、FO管脚,基准振荡器连接芯片的F_Ctrl管脚,F_Ctrl管脚连接晶振,多路复用器采用8选1选择器,输出至LC振荡器,8路选择通过A、B、C三个信号编码选择,三个编码可组成000、001、......、111共8中选择,从而实现8选1功能,CLK管脚接收到的时钟信号经由逻辑模块处理后送至环形计数器,产生三个输出信号A、B、C,环形计数器的功能是让这三个信号实现000、001、......、111、000、001.....这样的循环变化。基准振荡器由F_Ctrl管脚接收外部振荡信号,实现固定的频率输出,经由逻辑模块处理后,由FO管脚输出,通常外部振动信号由晶振生成并输入至芯片内。
其中,见图4所示,保护模块包括比较器U1,比较器U1的正相输入端连接0.5V基准电压、反相输入端连接电阻R1一端和电阻R2一端,电阻R1另一端连接VDD,电阻R2另一端接地,比较器U1的输出端连接或门U2的一个输入端,或门U2的另一端输入端连接反相器U3的输出端,反相器U3的输入端连接电流源I2一端、三极管Q1的集电极,三极管Q1的基极连接电流源I1的一端、电阻R3一端,电流源I1另一端和电流源I2另一端连接VDD,三极管Q1的发射极、电阻R3另一端均接地,或门U2的输出端连接逻辑模块,保护模块一方面可以检测电源电压是否满足要求,另一方面可以实现温度保护,如若电源电压不稳定或欠压,或是温度过高,保护模块输出信号经由逻辑处理后得到Disable信号,该信号为控制后续MCU是否工作的使能。假如电源VDD偏低,则比较器U1翻转输出变高,经过或门U2输出信号OUT变高;下部分为过温保护电路,两路电流源I1、I2分别流向电阻R3和三极管Q1,三极管Q1的集电极经过反相器U3连接到或门U2,常温或低温条件下,三极管Q1作为NPN管,NPN管的Vbe较大,则NPN管不打开,NPN的集电极为高电平,高温条件下,NPN管的Vbe较小,则NPN管导通,NPN的集电极电压变低,经反相器U3后变高电平,则或门U2输出高电平。保护模块可同时检测电源电压和温度,一旦电源电压异常偏低,或温度高于设定值,都会导致该模块输出高电平,实现保护功能。
见图5所示,斩波模块包括比较器U4,比较器U4的反相输入端连接0.5V基准电压、正相输入端连接LC振荡器的输出端,实际上为连续的波浪信号,比较器U4的输出端连接逻辑模块,波峰电压高于0.5V,波谷电压低于0.5V,则该波浪信号鲸鱼0.5V基准进行比较后,输出产生连续方波型的时钟信号,后面后续MCU采集该频率。
见图2所示,电涡流原理及LC振荡原理,上部分包含开关S,电容C,电感L,L和C构成LC振荡器,脉冲信号通过开关S送至LC振荡器,主要起起振作用,开关S闭合,一个脉冲送入LC,则LC振荡器开始振荡,振荡频率可表示如下:
振荡频率仅由电感L和电容C决定,应用上,该频率通常设计在几MHz至几十MHz,振荡幅度由输入的起振脉冲决定,通常在1.2V~3.3V之间。理论上,L和C皆为储能器件,无能量消耗,振荡会一直持续下去,然后实际上由于存在寄生电阻,会产生一定的能量消耗,能量消耗的过程,振荡幅度会慢慢下降,但是振荡频率不变。因此即使当LC已经振荡后,脉冲信号也会间歇性地输入,以补充能量,确保LC振荡频率可控。
再结合图2下部分,电感L的下方存在金属反射体后,金属反射体中会产生涡流现象,涡流产生自己的磁场,从而反过来影响上面的电感,会直接改变上面电感的感量,最终影响LC振荡器的振荡器频率。而且,上面电感与下面反射体之间的距离越小,上面电感感量的影响越大,反之,电感与反射体之间距离越远,电感感量的变化越小,也即LC振荡器的频率可以直接反映出与反射体直接的距离,且该频率与距离呈现一一对应关系,这便是电涡流位移传感器的原理。在电子卡尺的应用上,反射体固定在定尺上,而LC振荡器固定在动尺上,因此动尺的移动会改变LC振荡频率,且动尺移动的距离与LC振荡频率具有一一对应关系。
见图3所示,FS1~FS8管脚各自外接一个电感,脉冲发生器的输出引到8个电感的公共端,F_Ctrl管脚外接晶振。***极其简单,整个方案的体积及成本得到了很好的兼顾。本发明的工作原理:干电池供电后,芯片产生低压电源通过VREF管脚为MCU供电,同时芯片内部模块也开始工作,保护模块保持检测电源电压是否正常、温度是否正常;脉冲发生器间歇性地发出脉冲至8个电感的公共端,8个电感的另一端由多路复用器选通,并直接与LC振荡器模块中的电容各自组成LC振荡器,振荡器产生振荡的波浪形信号经由斩波模块处理得到连续方波频率,经由逻辑处理后由FSOUT管脚输出。由MCU控制的时钟信号CLK经逻辑模块送至环形计数器,得到三位编码信号,可循环地选通8个电感,因此FSOUT管脚循环地输出8种频率。由FSOUT管脚产生的8钟频率与晶振产生的基准频率FO经过MCU的处理,可以反映出8个电感的感量,基于电涡流原理,实际上可以反映出当前的8个电感与金属反射体之间的距离。在整个防水型电子卡尺装置中,当动尺移动距离为x1时,8路LC振荡器的频率为(f1_x1、f2_x2、...、f8_x1),因此,动尺移动任何距离,都会有一组频率产生,任何一组频率与基准频率送至MCU处理后,可以反映出动尺移动的距离,且动尺移动距离与一组频率具有一一对应关系。
本发明采用电涡流位移传感器原理,可以实现卡尺的量测功能,且由于控制芯片的集成性,可以大大降低整体方案的体积和成本。
Claims (4)
1.一种防水型电子卡尺控制芯片,其包括电源转换模块、LC振荡器、基准振荡器,其特征在于,所述电源转换模块连接芯片的VCC管脚、VREF管脚、脉冲发生器的电源输入端、多路复用器的电源输入端、保护模块的电源输入端,所述脉冲发生器的的输出端连接所述芯片的Vpulse管脚,所述多路复用器的输入端连接所述芯片的传感器信号输入管脚、环形计数器的输出端,所述多路复用器的输出端通过所述LC振荡器连接斩波模块的输入端,所述斩波模块的输出端、环形计数器的输入端、基准振荡器的输出端、保护模块的输出端连接逻辑控制模块,所述逻辑控制模块还连接所述芯片的Disable管脚、FSOUT管脚、CLK管脚、FO管脚。
2.根据权利要求1所述的一种防水型电子卡尺控制芯片,其特征在于,所述基准振荡器连接所述芯片的F_Ctrl管脚。
3.根据权利要求1所述的一种防水型电子卡尺控制芯片,其特征在于,所述保护模块包括比较器U1,所述比较器U1的正相输入端连接基准电压、反相输入端连接电阻R1一端和电阻R2一端,所述电阻R1另一端连接VDD,所述电阻R2另一端接地,所述比较器U1的输出端连接或门U2的一个输入端,所述或门U2的另一端输入端连接反相器U3的输出端,所述反相器U3的输入端连接电流源I2一端、三极管Q1的集电极,所述三极管Q1的基极连接电流源I1的一端、电阻R3一端,所述电流源I1另一端和所述电流源I2另一端连接VDD,所述三极管Q1的发射极、所述电阻R3另一端均接地,所述或门U2的输出端连接所述逻辑模块。
4.根据权利要求1所述的一种防水型电子卡尺控制芯片,其特征在于,所述斩波模块包括比较器U4,所述比较器U4的反相输入端连接基准电压、正相输入端连接所述LC振荡器的输出端,所述比较器U4的输出端连接所述逻辑模块。
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