Цифровой штангенциркуль — всё больше людей переходят на использование цифровых штангенциркулей. Они обладают высокой точностью и удобством в использовании по сравнению с обычными инструментами. Хотя иногда приходится менять батарею, но это стоит того. Рекомендуется попробовать починить неисправный измеритель, прежде чем выбросить его, поэтому мы предлагаем разобрать прибор для осмотра внутренней электроники, а также изучить протокол связи и кодировку.
Цифровой штангенциркуль своими руками
Цифровой штангенциркуль — это прибор высокой точности, который используется для точных измерительных операциях. в противоположность штангенциркулю механического действия, цифровая версия не имеет традиционного реечного механизма, вместо этого она осуществляет измерения при помощи ряда ёмкостных датчиков, размещенных вдоль балки.
Может быть вам будет интересно посмотреть на сайте и это.
Внутри прочного корпуса из пластика размещен весь электронный блок цифрового штангенциркуля. На нижней стороне подвижной челюсти, то есть внизу основной платы, которая находится в корпусе выполненного из пластика, установлена специальная печатная плата с чипом.
Под основной шкалой (частью штангенциркуля, по которой двигается считывающая головка/ползунок) на медной полоске выгравированы несколько прямоугольных элементов. Напечатанные элементы в нижней части платы формируют сетку конденсаторов. При перемещении скользящей части по основной шкале емкость напечатанных рисунков меняется, контроллер (встроенный чип) находит неточности в показаниях, корректирует их и выводит данные на экран.
Сенсорная система на основе конденсаторов
Такая конструкция цифрового штангенциркуля функционирует на основе емкостной сенсорной системы. В цифровых штангенциркулях используются емкостные контроллеры, состоящие из комплекта емкостей и схемы корректировки сигналов. Сеточные емкости включают в себя статорную и скользящую сеточную емкость, рисунок которых нанесен на верхний медный слой стандартной печатной платы из стеклотекстолита.
Поскольку это относительный датчик, перед каждым использованием необходимо производить обнуление.
В слайдере имеется дополнительная печатная плата, на которой нанесены вытравленные сетки, известные как эмиттеры. Эти печатные платы вместе образуют два конденсатора переменной ёмкости. При движении ползунка ёмкость изменяется линейно и периодически. Оба конденсатора находятся в разной фазе.
Сигнальная обработка считает сетки при движении слайдера и осуществляет линейную интерполяцию на основе значений конденсаторов для точного определения положения слайдера.
Батарея и потребление электроэнергии
Ниже приведено увеличенное изображение печатной платы. В штангенциркуле используется батарейка LR44 с напряжением 1,5 В, типа «таблетка», однако ее срок службы оставляет желать лучшего из-за высокого потребления тока даже в режиме выключения (10-20 мкА). Это связано с тем, что сам прибор никогда не выключается полностью, а лишь отключается ЖК-дисплей, что приводит к постоянному разряду батареи LR44.
Цифровой штангенциркуль сохраняет относительное положение даже после выключения. Для полного отключения питания необходимо замыкать контакты и проводить калибровку при каждом включении прибора.
Порт для вывода информации — цифровой штангенциркуль
Этот стандартный китайский цифровой штангенциркуль имеет возможность выводить полученные значения через порт, расположенный в верхней части корпуса. Порт представляет собой группу близко расположенных дорожек на печатной плате, находящихся в верхнем правом углу.
Большинство цифровых штангенциркулей генерируют два низковольтных логических сигнала — тактовый сигнал и данные. С помощью мультиметра легко определить, какой сигнал соответствует V+ (+1,5 В), а какой — GND (0 В). Линия Clock находится рядом с дорожкой V+, а линия данных — рядом с дорожкой GND.
Порт передачи данных на самом деле представляет собой средство связи для взаимодействия цифрового штангенциркуля с компьютером или другим совместимым устройством. С помощью подключения порта к микроконтроллеру можно использовать цифровой штангенциркуль в качестве, например, датчика положения.
Существует три типа протоколов для их взаимодействия. Первый — «Digimatic» от Mitutoyo. Два других протокола предназначены для китайских штангенциркулей — «Китайский BCD» и «Китайский двоичный код» (суффиксы зависят от способа передачи данных).
В контексте BCD означает «двоично-десятичное число». При использовании этой схемы, где каждая десятичная цифра представляется полубайтом (4 бита), десятичное число 256 в формате BCD будет представлено как 0010, 0101, 0110 (2, 5, 6), в отличие от прямого двоичного представления 10000000 для числа 256.
Цифровой штангенциркуль — порт вывода и Ардуино
Чтение цифрового штангенциркуля с Arduino просто и понятно, но подключение его к 5-вольтовому микроконтроллеру, такому как Arduino, с низковольтной логической схемой (HIGH = 1,5 В) требует использования сдвига уровня, чтобы согласовать напряжения (HIGH = 3,5 В). Важно помнить, что данная схема инвертирует сигнал, поэтому необходимо учитывать это при дальнейшей обработке данных.
Большинство обычных цифровых штангенциркулей передают данные 8 раз в секунду, используя 24-битный блок, где измерение представлено целым числом, превышающим фактическое значение в 100 раз. Данные считываются при смене уровня тактового сигнала с высокого на низкий. Таймер находится в режиме ожидания на низком уровне, переходя в высокий перед передачей данных, что синхронизирует информацию перед возвратом в режим ожидания.
Иными словами, каждый бит сопровождается тактовым сигналом, и данные считываются во время перехода с высокого на низкий уровень. На линии данных фиксируется уровень сигнала, соответствующий каждому биту. После передачи серии 24-битных пакетов сигналом Clock и паузы (продолжительность паузы между 24-битными пакетами составляет около 115 мс), мы получаем обновления координат приблизительно 8 раз в секунду. Выводы данных/тактовые сигналы, отображаемые на логическом анализаторе, имеют следующий вид:
Первый бит является стартовым и всегда имеет высокий уровень (его можно просто проигнорировать). Следующие биты, начиная со второго, представляют собой биты числа, начиная с младших битов слева. А затем продолжая до 21-го бита, который указывает на знак числа (если он установлен в высокое состояние, то число считается отрицательным). 21-й бит определяет знак, а последние 3 бита кажутся неиспользуемыми. В документации также содержится описание протокола, что 24-й бит является флагом режима мм/дюйм.