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Im Web gibt es viele Anleitung für den Auslesen eine digitalen Messschiebers. Man muss nur nach den Begriffen oder dem englischen 'digital Caliper' suchen. Es wird auch von verschieden Varianten berichtet.

Meine Messschieber habe ich für etwa 10,- das Stück in einem Online-Shop erstanden. Ich habe darauf geachtet, dass ein digitaler Anschluss in der Abbildung des Händlers sichtbar war oder die Anschlussmöglichkeit explizit in der Artikelbeschreibung angegeben war. Einerseits. Andererseits ist mir kein Angebot aufgefallen, dass keinen Anschluss hatte. Eine Produkt- oder Firmenbezeichnung habe ich nicht gefunden. Deshalb hier eine Abbildung der Verpackung.

Erklärungen zu den konkreten Protokollen gab es in keinem Fall. Angaben wie "RS232" kann man getrost mit "irgendwie seriell" gleichsetzen.  Also blieb nichts anderes üblich als in die Analyse einzusteigen.

 Ein wichtiger Punkt ist die niedrige Spannung von 1,5 V. Die reicht üblicherweise nicht aus, um Eingänge von Mikroprozessoren, die mit 5 V betrieben werden, sicher anzusteuern. Auch bei 3,3 V Betriebsspannung wird es knapp. Ein einfacher Transistor schafft Abhilfe. Näheres dazu weiter unten. Hier sei nur erwähnt, dass durch den Transistorverstärker das Signal invertiert wird. Dies muss bei der nachfolgenden Beschreibung berücksichtigt werden.

(Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf die verstärkten Signale, sind also invertiert zu den Basis-Daten. Die unterschiedliche Dauer der Clock-Pulse sind im wesentlichen Artefakte der Aufzeichnung.)

Anhand der Analyzer-Ausgabe kann man erkennen, dass auch bei den gekauften Messschiebern ein synchrones Protokoll verwendet wird. D.h. eine Leitung enthält ein Clock-Signal, die andere die Daten. Die Daten werden in 6 Paketen zu je 4 Bit übertragen. Insgesamt also 24 Bit.

Die Übertragung geschieht fortlaufend. Nach einiger Zeit ohne Änderung der Messwerte geht der Messschieber in einen Standby-Modus. Die Anzeige erlischt und die Datenübertragung wird eingestellt. Wenn der Schieber erneut bewegt wird, wird sofort wieder in den Anzeige-Modus zurückgeschaltet. Es erfolgt kein Zurücksetzen des Messwerts. (Der Standby-Modus kann auch mit der "On/Off"-Taste erzwungen oder abgebrochen werden.)

Zwischen den Datenpaketen liegt eine längere Pause. In meinem Fall beträgt die Pause zwischen zwei Datenpaketen minimal 2,5 mSec. Sie kann auch länger sein, z.B. dann, wenn der Messschieber in den Standby-Modus übergeht und keine Übertragung stattfindet. Während der Pausenzeit liegt das Signal auf Low-Level. Wegen der Inversion liegt damit das Original-Signal in den Pausenzeiten auf +1,5V. Wenn der Messschieber im Batterie-Betrieb läuft, muss dies beachtet werden. Ansonsten wird ggf. die Batterie über Gebühr belastet.

Wenn man sich den Signalverlauf genauer anschaut, erkennt man, dass die Daten sich niemals ändern, solange das Clock-Signal auf Low liegt. Wenn Clock auf High liegt, werden die neuen Signale auf der Datenleitung eingestellt. Damit ist die fallende Flanke der richtige Zeitpunkt, die Datenleitung abzugreifen.

Clock bleibt für ca. 100µSec auf Low, bei jedem 4. Mal für etwa 400µSec. Die Zeit, die Clock auf High verweilt, liegt zwischen 160 und 200 µSec. Insgesamt werden so 24 Bit übertragen. Die gesamte Übertragung eines Messwerts dauert etwa 9 mSec. Mit Pause also ca. 12 mSec. Somit werden etwas mehr als 15 Messwerte pro Sekunde versandt.

Die ersten 20 Bit sind der angezeigte Messwert in binärer Form, mit dem LSB zuerst. Obwohl die Viererpäckchen bei der Datenübertragung eine BCD-Codierung vermuten lassen, ist dies nicht der Fall. Das 21.Bit enthält das Vorzeichen 0=- 1=+ (bei invertiertem Eingang) und das 24.Bit die Einheit: 1=mm 0=inch (bei invertiertem Eingang).

Hiermit bietet sich folgender Auslese-Algorithmus an:

• Timer starten.
• Interrupt initialisieren, der auf die entsprechende Flanke reagiert (z.B. ICP).
• In der Interrupt-Routine:
1. Warten bis seit dem letzten Interrupt mindestens 2,5 mSec vergangen sind.
2. Variablen für ein Datenpaket initialisieren.
3. 24 Bit einlesen und zurecht schieben.
4. Vorzeichen und Maßeinheit verrechnen. 
5. Weiter bei 1.

Der Algorithmus ist eigentlich sehr einfach. Wenn man den Compiler "überreden" kann,  für die Zwischenwerte ansonsten nicht benutzte Register zu nehmen, ist es nicht notwendig, den kompletten Registersatz bei Interrupt-Eintritt zu sichern und beim Ende zurück zu speichern. Dann belastet der Interrupt den Prozessor kaum.

Ein Versuchsaufbau, der dies macht und die Daten per "regulärer" RS232 an einen PC schickt, wird nachfolgend präsentiert.

Schaltplan	Versuchsaufbau
Die Transistoren T1 und T2 verstärken das Signal des Messschiebers. Ein separater Kollektorwiderstand ist nicht notwendig, wenn der Pullup-Widerstand des entsprechenden µC-Pins eingeschaltet wird. Die Basiswiderstände sollten auf 1MΩ erhöht werden, wenn der Messschieber mit Batterien betrieben wird (Im Standby-Modus liegen Clock und Data auf High-Pegel(!). Es fließt also der Basis-Strom.).  Zu beachten ist, dass die die Transistoren das Signal invertieren. T3 bildet eine Spannungsquelle für etwa 1,5 V. Da bereits eine geregelte Spannung für die µC-Versorgung vorhanden ist, reicht ein Transistor in Kollektorschaltung mit festem Spannungsteiler an der Basis (R3/R5). R4 dient der Strombegrenzung bei Kurzschluss. Es würden dann max. 50 mA fließen. R6 stellt eine kleine Last für den Fall dar, dass kein Messschieber angeschlossen ist. Auf diesen Widerstand kann ggf. auch verzichtet werden. Mit dieser Schaltung lässt sich auch mehr als ein Messschieber betreiben. Ein einzelner Messschieber zieht etwa 0,2 mA. C1 ist im Messschieber selbst, anstelle der Batterie, eingelötet. Es gibt eine saubere Lösung von David Cook, der einen SMD-Kondensator in ein kleines Gehäuse in Batteriegröße untergebracht hat. Das war mir aber zu aufwändig. Da ich, wie das Foto zeigt, die Anschlussdrähte aus Ermangelung eines passenden Stecker direkt angelötet hatte, habe ich auch den Kondensator direkt an die Batterie-Klemmen angelötet. Im Test klappte auch alles ohne diesen Kondensator. Aber wenn später in der Nähe die Antriebsmotoren laufen ... Zu prüfen wäre, ob die 100 nF ausreichen. Wahrscheinlich ist es besser, noch einen weiteren Kondensator von 10-100 µF parallel zu schalten. Die anderen Anschlüsse (ISP, RS232, etc.) sind in diesem Schaltplan nicht enthalten.	So sah aus. 4 Adern eines Flachbandkabels wurden an den Datenschluss des Messschieber angelötet. Die andere Seite erhielt einen Stecker fürs Steckbrett. Zwei Transitoren dienen der Signalverstärkung. Weiterhin ist der ISP-Adapter (links auf dem Steckbrett) und der Pegelwandler für die RS232 zu sehen (zumindest ein wenig unter der PIN-Karten für den Chip). Um wenig Ärger mit der seriellen Übertragung zu bekommen, habe ich den Chip mit einem Quarz betrieben. Die Spannungsversorgung für den Messschieber ist noch nicht enthalten. Hier läuft er noch auf Batterie. Auch liegt der Anschluss noch nicht an den endgültigen Prozessor-Pins.

Das wichtigste Programmteil, die ISR, ist unten angeführt. Durch sie wrde die Variablen CaliperValue und CaliperUnit regelmäßig gefüllt.

typedef unsigned int icp_sample_t;

icp_sample_t icpStartTime;
icp_sample_t icpPeriod;
uint32_t Input;            //Zwischenpuffer zum durchschieben der Bits
uint8_t InpCnt;            //Anzahl eingelesener Bits

ISR(TIMER1_CAPT_vect)
{ uint8_t t;
  uint8_t tmp      = CaliperPIN;   // Datenleitung sichern
  icp_sample_t icr = ICP_ICR;      // Timerstand sichern 

  // hier kann der Interrupt unterbrochen werden
  sei();
  icp_sample_t icpPeriod = icr - icpStartTime; // Pulslänge berechnen
  icpStartTime = icr;                          // Neue Startzeit merken 

  if (tmp & CaliperDataMask)   // Invertierung aufheben, CaliperDataMask maskiert den Data-PIN
  { t = 0;
  }
  else
  { t = 1;
  }

  if (icpPeriod < 0x1600)                        // kurze oder lange Pause? 0x1600 entpricht bei 16MHz etwa 2,5 mSec
  { Input = (Input >> 1) | ((uint32_t) t << 23); // alten Wert rechtsschieben, neues Bit einfügen (auf Position 24)
    InpCnt++;                                    // Bitzähler hochzählen
    if (InpCnt == 24)                            // Alle Bits? Dann Ergebnis übertragen
    { cli();                                     // während der Datenübergabe keine Unterbrechung zulassen
      CaliperValue = Input & 0xFFFFF;            // Messwert ist in den untersten 20 Bit enthalten
      if (Input & 0x100000)
      { CaliperValue = -CaliperValue;
      }
      if (Input & 0x800000)
      { CaliperUnit = 2; // inch
      }
      else
      { CaliperUnit = 1; // mm
      }
      sei();  // Datenübergabe vollständig
    }
  }
  else   // Neues Datenpaket
  { Input = (uint32_t) t << 23;   // Zwischenspeicher initialisieren: 1. neue Bit auf Position 24
    InpCnt = 1; // Bitzähler auf 1
  }
  return;
}

Hier das gesamte Testprogramm als AVR-Studio-Projekt.

Anmerkung 1: Eine Alternative zu PD6 zur KClock-Erkennung wäre der Analog-Komparator. Dies hätte den Vorteil, dass ein Verstärkungstransistor weniger benötigt würde. Nachteilig ist jedoch, dass Data nach wie vor verstärkt werden muss, der Komparator benötigt einen zweiten Pins für die Referenzspannung, für deren Einstellung werden zwei Widerstände gebraucht.

Anmerkung 2: Zum Schluß bleibt nur noch zu überlegen, ob man die Taster ebenfalls beschaltet, also über den Controller die Anzeige an- und abschalten und die Anzeige auf 0.00 zurückgesetzt werden kann.

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