一种防水型电子卡尺控制芯片

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。外围极其简单，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。