包括数字信号通信的用于坐标测量机的触控探针

技术领域

本公开涉及精密计量学，尤其涉及用于坐标测量系统的触控探针(touch probe)。

背景技术

例如一维或三维测量系统的某些坐标测量系统，如坐标测量机(CMM)，可以使用被配置为检测触控探针的触针(stylus)何时接触工件的触控探针，来获得工件的测量。触控探针使用各类位移传感器来感测触控探针触针的偏转，以指示其已经接触到了工件。

美国专利5,526,576('576专利)描述了一种使用触控探针的示例性现有技术CMM，在此通过引用将其全部内容并入本文。'576专利公开了一种移动机构，包括用于移动触控探针的多个驱动器、包括CANBUS数字通信系统等的相关电子系统以及与触控探针中(或来自其)的信号处理相关联的特征。美国专利4,817,362('362专利)描述了一种机械接触式触控探针，其包括仅使用双线在主机和探针之间的双向通信，在此通过引用将其全部内容并入本文。在'362专利中，接触工件会引起探针内的电路中的电流变化，其由主机上的电流感测电路感测。通过改变供应到探针的电压，并基于所感测的供电电压在探针中启动不同的功能，实现从机器到探头的通信。

另一个示例性触控探针被公开在美国专利5,755,038('038专利)中，在此通过引用将其全部内容并入本文。'038专利公开了一种紧凑型触控探针，其包括对探针的触针偏转响应的三个应变计以及ASIC处理器，该ASIC处理器接收应变计信号，并产生“自动归零”触发信号，该“自动归零”触发信号通过同轴电连接器被输出到主机。

虽然在'576、'362和'038专利中公开的系统包括与触控探针中处理信号相关联的特性和/或在触控探针和主机之间使用有限数目的线来传递某些类型的操作参数和/或数据，但在实践中，这些特征伴随着不期望的权衡(tradeoff)。不利影响因素已经包括探针大小和/或到触控探针的线的数目和/或用于与现有主机硬件的使用或兼容性的相关“改造能力(retrofit ability)”。其他受影响的因素包括所传递的信号的有限鲁棒性和范围和/或易用性等。将期望改进后的系统和特征，其使触控探针能够传递额外的操作数据，而不增加不期望的权衡(例如，同时保持最小尺寸、易用性和改造能力)。

发明内容

提供此部分是为了以简化形式介绍概念的选择，这在下面的“具体实施方式”中被作进一步的描述。本部分并不是为了确定权利要求的主要特征，也不打算用来帮助确定权利要求的范围。

现有技术的触控探针配置，包括上面所示的那些，已被确定为具有各种不期望的特征组合。触控探针体当前所要求的性能水平和小型化通常会迫使在这些设备中组合的所有元件之间进行权衡，特别是在增加新特征或功能时。例如，触控探针内增加的信号处理和/或触控探针和主机之间增加的通信复杂性通常造成增加的尺寸、增加的到触控探针的线的数目和/或结合现有主机硬件而使用触控探针的受限的“改造能力”。阻碍对这些问题的改进的解决方案的一个因素是：已证明难以提供这样的配置来在紧凑配置(例如，在某些实现中为大约12-15毫米的直径或者大约是人类“小指”的大小)中实现类似的高精度测量(例如微米或亚微米级重复性)、内部信号处理和与外部设备的数字信号通信。

与现有技术相比，这里公开了用于触控探针的配置，其包括特征的独特组合，其允许在触控探针中的有用的数字信号处理和控制功能，以及可靠的触发信号传输和与主机CMM的双向数字信号通信，而不需要相关联的尺寸增加，并且在触控探针和主机CMM之间仅使用两个电连接。例如，而不是限制，这样的配置可允许增加的探测功能和/或易用性以及将触控探针与现有主机硬件一起使用的“改造能力”。

根据这里公开的各种原则，提供了与CMM一起使用的包括内部数字信号处理的紧凑型触控探针。该紧凑型触控探针包括：位移传感器，其被配置为输出响应于附接到触控探针上的触针的位移的至少一个传感器信号；接口连接器，其包括将触控探针与CMM电连接的第一和第二电连接；以及触控探针电子电路，其被完全包括在所述紧凑型触控探针的壳体内。

所述触控探针电子电路包括：稳压电源电路；探针操作电路和存储器；触发信号生成电路，其输入所述至少一个传感器信号，并产生对应于所述触针的位移的触摸触发信号；以及数字通信电路，其包括通过所述第一和第二电连接输入和输出差分数字信号的差分信号配置。所述触控探针电子电路还包括专用电源隔离配置，其耦接到所述第一和第二电连接，以通过所述第一和第二电连接从CMM接收所连接的供电电压，并被配置为将所述稳压电源电路与加载通过所述第一和第二电连接的差分数字信号隔离。

在各种实现中，专用电源隔离配置包括：耦接到第一电连接的差模扼流圈的第一线圈的第一端，其中差模扼流圈的第一线圈的第二端连接到稳压电源电路的正输入；耦接到第二电连接的差模扼流圈的第二线圈的第一端，其中差模扼流圈的第二线圈的第二端连接到稳压电源电路的负输入(例如，电路接地连接)；以及至少第一电源隔离电容器，其耦接在所述稳压电源电路的正负输入之间。所述专用电源隔离被配置为与所述触控探针电子器件的其他操作特性相结合，以实现上述理想的触控探针特性，而不存在重大折中(compromise)。在各种实现中，与在其他类型的应用中使用的已知隔离设计相比，差模扼流圈工作阻抗可以小得多(例如，小到1000倍)。

在各种实现中，数字通信电路包括差分信号配置，其通过通信隔离配置与第一和第二电连接交流(AC)耦合，所述通信隔离配置包括串联耦接到第一电连接的第一电容器以及串联耦接到第二电连接的第二电容器，并且，所述差分信号配置被配置为通过所述第一和第二电连接输入和输出差分数字信号。在各种实现中，差分数字信号包括：控制和数据信号，其为在控制和数据时段期间叠加在连接的供电电压上的输入和输出；以及触发信号生成电路生成的触摸触发信号，其为在不同于所述控制和数据时段的触发信号时段期间叠加在所连接的供电电压上的输出。在各种实施例中，至少大部分差分数字信号是基于标称DC平衡的串行通信编码方案而被格式化的。

附图说明

图1是示出包括利用诸如这里公开的触控探针的CMM的测量系统的各种组件的图；

图2是示出触控探针的实现的透视图；

图3是示出包括在两条触控探针电源线上叠加的触控探针数字串行通信的用于触控探针的电子电路的一种实现的部分示意框图；以及

图4和5A-5C是示出与图3的电子电路一起使用的串行通信方案的一个实现的某些方面的图。

具体实施方式

图1是示出包括利用诸如这里公开的触控探针200'的CMM 100'的测量系统的100各种组件的图。坐标测量机(CMM)是本领域公知的技术，如在Usui的美国专利申请公开2011/0192044中的，在此通过引用将其全部内容并入本文。图1中示意性地图示了CMM的布置，示出了包括CMM 100'的测量系统100，其使用触控探针200'。触控探针200'可以包括探针体200。测量系统100包括操作单元10、控制CMM 100'的移动的移动控制器15、主机计算机20和CMM 100'。操作单元10耦接到移动控制器15，并可包括用于手动操作CMM 100'的操纵杆11。主机计算机20耦接到移动控制器15，并操作CMM 100'，以及根据已知方法处理用于工件W的测量数据。主机计算机20包括用于输入例如测量条件的输入装置25(例如，键盘等)和用于输出例如测量结果的输出装置30(例如，显示器、打印机等)。

CMM 100'包括位于表面板110上的驱动机构120和用于将触控探针200'附接到驱动机构120的附接部分124。驱动机构120包括分别标记为122、121和123的x轴、y轴和z轴滑动机构，用于三维地移动触控探针200'。附接到触控探针200'的触针164包括接触部分165。触针模块160可以将触针164附接到探针体200的触针悬挂部分，其允许触针164在其接触部分165(例如，红宝石球)接触工件W的表面时偏转(deflect)，以产生触摸触发信号。商业可用的CMM的特性和操作在本领域中通常是公知的，因此，在这里没有更详细地描述。

触控探针200'提供三维触觉探测系统，其具有诸如一般机械刚度和对触针164的偏转的信号敏感度的特征，从而使这些特性能够可靠地正确反映由探测系统测量的实际坐标，其具有亚微米级的可重复性。对于经济上的高吞吐量，一般期望以高速执行CMM 100'的所有操作(例如，移动和感测)。在Briegel等人的美国专利申请公开2015/0323300中公开了高速接触检测器的示例性实现，在此通过引用将其全部内容并入本文。

图2是示出包括探针体200的触控探针200'的实现的透视图。如图2所示，探针体200包括以虚线示出的壳体301，以显示置于壳体301内的电路板组件配置400和移动元件组件300。本实现中的探针体200包括壳体301；连接组件302，其被配置为机械地和电地将探针体200连接到诸如CMM(例如，图1所示的CMM)的测量系统；刚性探针体结构310；电路板组件配置400；以及移动元件组件300，其包括顺应性(compliant)元件安装框架320、触针悬挂部分340(隐藏)和位移感测配置350(隐藏)。

在所示的实现中，连接组件302将探针体200及其电路刚性地(rigidly)连接到CMM。连接组件302包括作为安装和电连接的螺纹连接/连接器304以及接触电连接/连接器(contact electrical connection/connector)303，它们通过隔离器306彼此电隔离。连接组件302相对于壳体301固定。在一个实施例中，连接/连接器304可以包括凸缘(flange)部分(隐藏在图2中的环形壳体盖部分305内)，其通过壳体301和环形壳体盖部分305之间的压缩而被固定。在各种实施例中，凸缘部分可以通过周围的一个或多个隔离器(例如，隔离器308)被压缩，使其与壳体301和环形壳体盖部分305电隔离。可理解，连接组件302仅包括两个电连接，并且在功能上类似于已知的“继承(legacy)”类型的触控探针安装连接器，主要被用于模拟类型的触控探针信号。因此，触控探针200'可与现有的CMM安装接口硬件一起使用，其可包括昂贵的机动接头等。例如，类似的连接器组件在被并入的'038专利的图1中被图示出。应理解，连接组件302仅是示例性接口连接器，而不是限制性的。在各种实施例中，具有两个电连接的接口连接器可与机械安装布置被分开提供。虽然不像连接组件302那样简洁，但如果需要，这种布置在某些改造应用中仍然可以有用。

图2进一步图示了触针模块160，其刚性地保持触针164，并附接到包括在探针体200的移动组件343中的可移动触针捕获元件343D，该移动组件343耦接到移动元件组件300。这允许触针164在其接触部分165与工件表面接触时偏转，以产生触发信号。顺应性元件安装框架320接合到刚性探针体结构310并形成其附加部分。顺应性元件安装框架320包括中心部分320A、上部分320B和下部分320C，在本实现中，这些部分通过螺钉被夹紧在一起。在顺应性元件安装框架320内组装各种顺应性和/或移动元件及相关联的传感元件，以形成移动元件组件300。

在一个实现中，轴向扩展部分330(未示出)包括具有三角形截面的轴向构件，其大小用来接纳具有组件安装部分402A(不可见)、402B、402C的电路板组件配置400。组件安装部分402A(不可见)、402B、402C可以通过柔性电路构件(层)403互连，通常被对齐以覆盖轴向扩展部分330的表面。在连接组件302的上安装部分和移动元件组件300的主体之间，电路板组件配置400被牢固地置于并支撑于壳体301中。柔性导体连接器351可以将来自位移传感配置350的位移传感器的信号连接到电路板组件配置400。所图示的实现仅是示例性的，而非限制性的。

在各种实现中，触控探针200'理想地是相对紧凑且重量轻的(例如，在一些实现中，大约为12-15毫米的直径)，以便于快速加速/减速和减少振动，所有这些都有助于更高精度CMM检查吞吐量。应该理解，紧凑的体积和轻的重量通常也会限制内部电路的尺寸和复杂度。在一些实现中，为节省空间和功耗、同时在触控探针200'中提供增加的能力和处理，商业可用的现场可编程门阵列(FPGA)被包括在电路板组件配置400中，并被配置用来：使用FPGA的内置能力提供有用的或必要的功能，如触发信号处理、串行通信和某些存储功能。电路板组件配置400示出了对应的电路布局。这提供了“智能”的紧凑型触控探针，与各种已知的紧凑型触控探针相比，其提供了增加的功能性、多样性和易用性。然而，如果与仅使用触控探针和主机CMM之间的两个电连接的限制相关联的问题不被克服(例如，提供前述继承的CMM接口兼容性优势)，则将这样的内部处理特征与紧凑型触控探针配置相结合的优势可能不被接受。这里公开了关于这个二连接(或“二线”)触控探针接口问题的各个方面的解决方案，如下文更详细地描述的那样。

二线接口通常要求电源和通信信号被叠加在相同线上。在电子系统设计领域中这样做是公知的，并且可以在互联网上找到这样做的许多例子。除了被并入的一些参考文献之外，美国专利7,689,176、5,644,286、5,210,519和5,859,584也公开了与在相同线上叠加电源和通信信号有关的各种替代系统。然而，根据需要无线数据传输、或额外的电连接、或有限的通信信号内容、或不兼容的电路或部件大小，所有这些专利都要求与使用其所公开的紧凑“智能”触控探针中的原则相关联的折中。二线接口问题的一个方面在图2中被表示在电路板组件配置400的说明中，其示出了电路板上的空间是有限的，而且，在壳体301中允许的部件高度是有限的。隔离电源和通信信号的一种方法是在信号或电源隔离配置中使用扼流圈。近似的放置和扼流圈体积(choke volumn)471是用虚线轮廓示意性地表示的。一般而言，扼流圈体积471不足以直接使用紧凑型触控探针中的标准或已知的隔离电路。相反，需要探针特征、电路特性和通信信号特征的独特组合，以提供紧凑型触控探针200'的可靠“二线”操作等，如在下面更详细描述的那样。

图3是示出位移传感器配置595以及包括在两条电源线上叠加的数字串行通信的用于触控探针的电子电路500的一种实现的各个元件的框图(例如，如在图2的电路板组件配置400中可包括的)。在各种实现中，如图2所示的紧凑型探针体200的配置允许相应部件被组装在电路板组件配置400中(例如，在12-15毫米的紧凑的直径中)，以在例如对应下面描述的探针中使用经济的非定制组件以提供某些信号处理操作。关于可以执行与电子电路500的一些类似操作的用于触控探针的某些类型的电子电路的详细信息，可在被共同转让的美国专利申请62/271,082和62/325,763中找到，在此通过引用将其全部内容并入本文。

在图3所示的实现中，电子电路500包括连接到位移传感器配置595的触发信号生成电路590、探针操作电路和存储部分510、稳压电源电路575和电源隔离配置570。在各种实施例中，位移传感器配置595可以包括至少一个位移传感器(例如，3、4个或更多的应变计)，并输出响应于附接到触控探针的触针的位移的至少一个传感器信号(例如，3、4个或更多传感器信号)。触发信号生成电路590可以包括信号组合处理部分591和触发阈值处理电路592，并生成与触针的位移相对应的触摸触发信号597T，如在下面更详细描述的。探针操作电路(和处理)和存储部分510可以包括探针操作电路520和探针存储部分580。将理解，这里描述的各种电路可以根据嵌入式代码、例程或程序等提供各种信号处理和/或控制操作，如本领域的技术人员将理解的。探针操作电路520可以包括操作存储管理器521和数字通信电路540。探针存储部分580可以包括非易失性存储部分581、探针操作例程和配置存储部分582以及探针操作参数存储部分583。在所图示的实施例中，数字通信电路540可以包括通信处理电路550，其连接到包括发射机/接收机部分561和驱动集成电路部分562的输入/输出差分信号配置560。在各种实施例中，数字通信电路540和/或输入/输出差分信号配置560的元件可被合并和/或不可区分。数字通信电路540被配置成分别通过第一和第二电连接EC1和EC2在线SL1和SL2上输入和输出差分数字信号(包括信号DDS1和DDS2)。在图示的实施例中，连接EC1和EC2是连接器MC(例如，连接组件302，如图2所示)的一部分。下面进一步描述示例性差分数字信号。

根据已知技术，稳压电源电路575可以被配置为向电子电路500的各个部分提供一个或多个稳压电压(例如，电压V1out、V2out、V3out)。在一个实施例中，稳压电源电路575可以包括例如一个或多个商业可用的稳压集成电路，其输出1.2、2.5和3.3伏特的电压。

在各种实施例中，电源隔离配置570可用于线VL1和VL2，使得其通过第一和第二电连接EC1和EC2耦接，以接收来自CMM的所连接的供电电压(例如，通过可以连接到第一和第二电连接EC1和EC2的主机线HL1和HL2)。电源隔离配置570被配置为将稳压电源电路与加载通过第一和第二电连接EC1和EC2的差分数字信号DDS1和DDS2隔离。图3图示出了电源隔离配置570的一个示例性实施例，其中：差模扼流圈571的第一线圈的第一端耦接到第一电连接EC1，差模扼流圈571的第一线圈的第二端连接到稳压电源电路575的正输入；差模扼流圈571的第二线圈的第一端连接到第二电连接EC2，差模扼流圈的第二线圈的第二端连接到稳压电源电路的负输入(例如，接地输入Gnd)；并且，至少第一电源隔离电容器572耦接在稳压电源电路575的正负输入之间。在一个实现中，电源隔离电容器572可以具有大约45μF的值(然而，该值仅为示例性的，而不是限制性的)。在一些实施例中，多个并联的电源隔离电容器也可以用作电源隔离电容器572(例如，由于布局和/或尺寸约束)。可选地，反向电压保护二极管573可以耦接在稳压电源电路575的正负输入之间，如图3所示。

在各种实现中，结合触控探针电子装置(例如，电子电路500)的其他操作特性选择差模扼流圈571的特性，以为紧凑型触控探针提供可靠操作，包括在两条电源线上叠加数字串行通信，而不影响触控探针的紧凑性。例如，在一些实现中，对于与差分数字信号DDS1和DDS2相关联的频率，可以选择具有大约10-25μH的阻抗的差模扼流圈571(尽管在各种实现中，这种阻抗只是示范性的，而不是限制性的)。这是一个极小的阻抗，在各种已知的应用中，对于预期函数来说通常被认为过小(例如，以1000的因子)。根据已知的原则，可认为对差分数字信号DDS 1和DDS 2使用高频可有助于提高差模扼流圈571向它们呈现的电感阻抗。然而，在这里公开的实现中，除了隔离差分数字信号DDS1和DDS2以避免被电源电路加载之外，差模扼流圈571还必须自由地通过直流电压和/或电流。上面针对差模扼流圈571概述的小阻抗允许小的部件尺寸，这有利于封装紧凑型触控探针，但它也导致直流电流效应致使差模扼流圈571的芯饱和的问题(从而降低其有效性)。因此，紧凑型触控探针中的直流电流消耗(current draw)(和/或一般功耗)必须结合使用小的差模扼流圈571而被最小化。高数字信号频率可以与更大的功耗和/或直流电流消耗相关联。因此，与已知的教义相反，在这里公开的各种紧凑型触控探针电子实现中，期望将相对低频的数字信号处理和/或数字通信信号与非常小的差模扼流圈571结合使用。在一些实施例中，在第一和第二电连接EC1和EC2处接收到的来自主机CMM的电压可约为4伏，并且，在一些实施例中，触控探针电子电路500可被配置为消耗大约100mA或85mA或更少的电流。在一些实现中，差分数字通信信号可以具有大约1.5Mbps的工作频率或比特率。下面，参照图4和图5A-5C更详细地描述示例性的数字通信信号，其可与紧凑型触控探针中的电子电路500结合使用。将理解，上述电路操作和元件值仅是示例性的，而不是限制性的。可以基于根据这里公开的原则的适应，对这里概述的各种特征的概要组合进行各种调整。

图3还示意性地显示了“非稳压(unregulated)”电压VU被提供给电子电路500的一部分，从而降低了稳压电源电路575中的负载和相关损耗。具体地，非稳压电压VU可以被用于对差分信号配置560供电，其允许差分信号DDS1和DDS2具有尽可能高的差分电压，以提高它们的信噪(S/N)比。

在操作中，位移传感器配置595被配置为输出响应于附接到触控探针的触针(例如，触针164)的位移的至少一个传感器信号。在各种实现中，位移传感器配置595可以包括各种组件和传感器(例如，内部弯曲计(internal flexure)、应变计等)用于感测触控探针的触针的相对小的偏转。触发信号生成电路590可以根据触控探针设计领域的技术人员所知原理的和/或如在并入的参考文献中公开的原理来实现。在一个示例性实现中，该触发信号生成电路590可输入多个位移信号(例如，从包括在位移传感器配置595中的各种传感器，如四个应变计的配置等)。信号组合处理部分591接收信号，并确定组合的位移信号(例如，位移量值)。触发阈值处理电路592定义切换阈值，并将其与组合的位移信号进行比较。当组合的位移信号超过切换阈值时，触发阈值处理电路592输出指示触针已经接触到工件的触摸触发信号597T。输出处的迟滞电路可以使用已知方法增强触发信号的稳定性。在美国专利7,792,654中描述了触发信号确定电路和处理方法(包括切换阈值定义)的进一步的例子，通过引用将其全部内容并入此处。在所示的实施例中，在触发信号时段期间，可以通过数字通信电路540或其一部分，将触摸触发信号597T作为线SL1和SL2上的差分数字信号，并通过第一和第二电连接EC1和EC2传递到主机CMM等，如下面更详细描述的。

在各种实施例中，“AC耦合的”通信隔离配置被用于线SL1和SL2。图3中示出了一个示例性的通信隔离配置565，其中：第一通信隔离电容器566-1串联耦接到第一电连接EC1以及差分信号配置560的第一收发节点TN1；并且，第二通信隔离电容器566-2串联耦接到第二电连接EC2和差分信号配置560的第二收发节点TN2之间。在所图示的实施例中，第一和第二通信电容器566-1和566-2通过共模扼流圈567连接到各自的收发节点。然而，在一些实施例中，在无共模扼流圈567的情况下，信号可靠性和/或噪声可能也足够，并且其使用是可选的。在这样的实施例中，第一通信隔离电容器566-1可直接从第一电连接EC1串联耦接到第一收发节点TN1，并且，第二通信隔离电容器566-2可以直接从第二电连接EC2串联耦接到第二收发节点TN2。使用可选的共模扼流圈567的图示实施例可以在一些应用中(例如，在“电噪声”系统或环境中)提供增强的信号可靠性。在这样的实施例中，第一通信隔离电容器566-1从第一电连接EC1串联耦接到共模扼流圈567的第一线圈的第一端，并且，共模扼流圈567第一线圈的第二端耦接到第一收发节点TN1。第二通信隔离电容器566-2从第二电连接EC2串联耦接到共模扼流圈567的第二线圈的第一端，并且，共模扼流圈567的第二线圈的第二端耦接到第二收发节点TN2。

在上述任一配置中，这可以是有利的(但可选)：使用在第一和第二收发节点TN1和TN2之间耦接的终端电阻器568，根据已知阻抗匹配原则，其值被选择为匹配线SL1和SL2的阻抗。

在上述“交流耦合”通信隔离配置的任一个中，第一和第二通信隔离电容器566-1和566-2通过线SL1和SL2上的“交流(AC)”的差分数字信号，并且，阻止第一和第二电连接EC1和EC2上存在的直流(DC)电压到达差分信号配置560。如果使用共模扼流圈567，则共模扼流圈567阻止共模信号(一种噪声)到达差分信号配置560。在一个实施例中，扼流圈567可以在物理上相对小，并可被选择以提供在100MHz处的大约100欧姆的阻抗，以抑制宽带噪声。在一个实施例中，电容器566-1和566-2可具有约1μF的电容。然而，这些不同的值仅为示例，而非限制性的。

如前所述，在一些实施例中，电子电路500可以包括商业上可用的现场可编程门阵列(FPGA)，其被配置为使用FPGA的内置功能提供诸如触发信号处理、串行通信和某些存储功能的有用的或基本的功能。在这种实现中，可以在FPGA中实现一些探针操作电路(和处理)520，如数字通信电路540的一些或大部分，包括通信处理电路550。无论如何，在各种实施例中，通信处理电路550可以实现数字通信协议(例如，串行通信协议)。在图3所示的实现中，通信处理电路550实现串行通信协议，并通过信号线RXD、TXD和DRIVE与差分信号配置560进行交互和/或控制差分信号配置560。在一个实现中，差分信号配置560可以包括合适的商业可用RS485收发机IC，它们是广泛可用并为本领域技术人员所熟知的，并且如果期望，信号线RXD、TXD和DRIVE与这种收发机IC兼容。

在所图示的实现中，线RXD承载(carry)在收发节点TN1和TN2处接收的作为来自主机CMM的差分信号的串行数据。线TXD承载将要在收发节点TN1和TN2处作为差分信号从触控探针发送到主机CMM的串行数据。线DRIVE连接到差分信号配置560的“启用(enable)”引脚或输入。在任何给定时间，差分信号配置560可以或发送或接收，但不能同时发送和接收。线DRIVE上的第一极性数字信号允许从主机CMM接收差分数字信号，而线DRIVE上的相反极性数字信号允许向主机CMM发送差分数字信号。下面将更详细地描述可与上述特征相结合使用的示例性串行通信协议。

图4和5A-5C是示出与图3的电子电路一起使用的串行通信方案的一个实现的某些方面的图。如前所述，在这里公开的各种实施例中，紧凑型触控探针被配置为通过还承载直流电源的第一和第二电连接EC1和EC2输入和输出差分数字信号(参见图3)。将理解，除了通过第一和第二电连接发送触控探针触发信号的要求之外，还可以期望通过第一和第二电连接在触控探针和主机CMM之间发送和接收其他数据和/或命令。提供所有这些特征的一个实现可以被方便地描述为使用两种“信号模式”。例如，在“命令模式”中，差分数字信号可包括控制和数据信号，其是在控制和数据时段期间叠加在所连接的供电电压上的输入和输出，并且，在“正常模式”中，差分数字信号可以包括由触发信号生成电路(例如触发信号生成电路590)生成的触摸触发信号，其是在与通信时段不同的触发信号时段期间叠加在所连接的供电电压上的输出。

图4示出了一个示例性的“正常模式”串行通信协议，其可用于以期望的探针采样周期频率从触控探针向主机CMM发送触摸触发信号(以及其他信息)，在一些实现中，期望的探针采样周期频率至少为：在进行中的触控探针测量操作期间，每秒50000个采样。在所示的实现中，在正在进行的触控探针测量操作中，它是每秒100000个采样。在图4所示的示例中，10微秒的“采样周期”被分为两个部分，一个是6.667微秒的传输子时段“传输(Transmit)”(来自探针)，而另一个是3.333微秒监听子时段“监听(Listen)”，其中，主机控制器可以启动传输(到探针)，但在进行中的测量操作期间通常什么也不做。例如，在一个实现中，在传输子时段期间，控制信号DRIVE(见图3)以将差分信号配置560置于传输模式，并且，通信处理电路550根据以下所述的协议输出信号。相反地，在监听子时段期间，控制信号DRIVE(见图3)以将差分信号配置560置于接收模式，并且，通信处理电路550根据以下所述的协议接收信号。

在所示的实现中，该协议是重复的流式四位信息；如下面更详细描述的,在“传输”子时段期间的触发(TRIG)、暂停(HALT)和碰撞(COLL)“触发”信号和错误(ERROR)标志。使用补充位：nTRIG、nHALT和nCOLL，以便在此协议中总有平衡的“0”和“1”的数目(各5个)。这使得交流耦合的差分数字信号的直流电平保持平均值，使得变化的直流信号成分不会引起通过交流耦合的泄漏，并降低用于检测数字信号信息的安全余量。在这个例子中的比特率是每10微秒15比特＝1.5Mbps。

在本例中，三个触发信号(TRIG、HALT和COLL位)指示三个不同的位移阈值(例如，如在图3所示的触发阈值处理电路592中所确定的那样)。在图示的示例中，当触针位移信号指示触针尚未偏转，并且因此，触针未与工件表面接触时，TRIG、HALT和COLL位中的每个为零或低，其是产生的“空”触发信号。TRIG位可被看作是“常规”触摸触发信号，它指示触针位移信号当前是否超过最小(最敏感)的触针位移信号阈值。响应于指示触针正在接触工件的TRIG位(TRIG位等于1或“高”)，主机CMM可根据已知方法锁定其当前位置值作为触点坐标的测量值。在一些实施例中，可以使用HALT位来帮助控制主机CMM，其可超过触针位移信号对应于第一接触工件的点(例如，如TRIG位所指示的)移动或“越位(overtravel)”，以更可靠地确保或确认工件的有效触摸测量。HALT位指示触针位移信号当前是否超过对应于CMM的“确认越位”的期望停止点(超过TRIG位指示工件触摸的点)的触针位移信号阈值。响应于指示CMM的“越位”所期望的停止点(HALT＝1或“高”)的HALT位，可以根据已知方法停止CMM的移动，并在需要时执行各种测量验证操作。在一些实施例中，可以使用COLL位来帮助控制主机CMM，以便在触针与意外物体或表面(例如，在CMM上的未预料到的固定装置等)发生“碰撞”的情况下，更可靠地停止CMM，并将潜在的损坏降到最低。COLL位指示触针位移信号当前是否超过了“危险”阈值，这在正常的CMM和/或触控探针操作期间并未被预料遇到。响应于指示未预料到的触针偏转(COLL位等于1或“高”)的COLL位，CMM可根据已知的方法实现紧急停止。根据已知方法，在检测到触控探针中(例如，在电子电路500中)的各种错误条件时，ERROR标志位可被设为1或“高”。

图4中所示的协议包括在“监听”子时段期间重复监听(例如，如上文所述，在接收模式下利用差分信号配置560)。如果主机CMM在监听子时段期间发起传输，则探针协议改为命令模式。在命令模式下，主机CMM可读写探针电子电路500中的寄存器(例如，读写探针存储部分580中的寄存器)，例如，用于改变触发信号阈值电平或启用滤波器等。主机CMM可在监听子时段期间开始发送前导码(Preamble)(下面更详细地描述)。探针电子电路500被配置为对此进行检测并进入命令模式。在命令模式期间，探针挂起(suspend)上述正常模式协议(即，中断传输触发信号信息等)。

在命令模式下，主机控制器向探针电子电路寄存器发送读和写命令。在一个示例性实现中，所有的命令模式数据都以8位二进制形式“低位优先(LSB first)”发送，其由起始位和停止位构成。在命令模式协议的各种实现中，可能期望在触控探针电子电路(例如，通信处理电路550)和主机CMM中使用DC平衡的编码方案(如已知的曼彻斯特编码方案等)。以类似于之前参考图4中示出的DC平衡协议所述的方式，这允许AC耦合的差分数字信号的DC电平维持平均值，使得变化的直流信号成分不会引起通过交流耦合的泄漏，并降低用于检测数字信号信息的安全余量。

图5A和图5B分别显示了写序列协议(用于主机CMM写入触控探针)和读序列协议(用于主机CMM从触控探针读取)的一个示例性的“命令模式”实现。为了说明描述的清晰性和说明的紧凑性，没有说明DC平衡编码方案，但可理解，基于上述原因，根据已知方法，可以使用曼彻斯特编码等应用传输所图示的字节。

在图5A中，所有字节都是由主机CMM写入的。前两个字节是用于同步的前导码。在此实现中，只要传输/接收方向保持相同，那么，即使发送了多个命令，前导码也只发送一次。下文将参照图5C对前导码作进一步说明。在这个实现中，第三字节是命令码—其中，位7指定写命令(“1”)，并且，N字节[0:6](Nbyte[0:6])指定地址后的数据字节的数目。Nbytes的最大值为127。例如，要写入两个字节，命令码为82₁₆。第四字节指定将写入数据字节的地址。在此实现中，地址的最大值可为255。探针电子电路的内部地址寄存器(例如，在操作存储管理器521中实现)可被配置为在写入每个字节后增加。第五字节是第一数据字节。有由Nbytes指定的N个数据字节。探针电子电路可以从指定的寄存器地址开始将数据字节复制到其寄存器中。在最后的数据字节数据N(DataN)之后，探针预期来自主机CMM的另一个命令。主机CMM应该立即发送命令以保持同步。

关于图5B，如前所述，在此命令模式实现中，只要传输/接收方向保持相同，即使发送了多个命令，图5A中所示的两个字节的前导码(参照图5C进一步描述)仅被发送一次。图5B假设它的读取序列不是命令模式下的第一个命令—否则，除了图示的字节之外，还需要两个字节的前导。在这些假设下，在图5B中，主机写入CMM第一两字节，且探针电子电路用图示的“探针响应”字节进行响应。在第一两字节的主机CMM传输和探针响应字节的探针响应传输之间示出了短延迟，从而允许触控探针中的差分信号配置(例如，参见图3中的元件560)以及主机CMM中的其对应部分更改其收发器的方向。在所示的示例中，此延迟约为5.3微秒。在此延迟之后，探针电子电路通过发送两个前导码字节(参见下面的图5C)、然后从指定的地址开始发送N个字节、每个字节递增地址，来进行响应。在读序列协议结束后，在所示的实现中，探针电子电路可以自动终止命令模式并默认恢复先前所述的正常模式。(在一个实现中，在任何情况下，通过主机CMM发送Nbytes＝0的读或写序列，都可以终止命令模式。不需要地址或数据。)

在各种实现中，在命令模式期间，与产生触发信号相关联的触控探针信号处理可以在探针电子电路中以与正常模式期间相同的探针采样周期继续进行。在这样的实现中，当命令模式结束并恢复正常模式时，触发信号数据可以根据相关联的正在进行的探针采样周期中的下一个“预定”数据传输时间以正常模式发送。

图5C示出了上面引用的两字节前导码的一个示例性“命令模式”实现。在所示的示例中，图示出前导码，其包括DC平衡的曼彻斯特编码。众所周知，曼彻斯特编码用每个数据位恢复时钟信号，因此即使对于长数据序列也是鲁棒的。如前所述，DC平衡曼彻斯特编码等也可最大化用于检测AC耦合的差分数字通信信号的噪声安全余量。在所图示的示例中，假设在正常的UART信号(例如，在数字通信电路540的一部分中)和信号线TXD和RXD之间应用曼彻斯特编码(例如，在通信处理电路550中)。这意味着开始位和停止位都被保留在图示的通信帧中。所示的示例假设应用IEEE 802.3(以太网)的相位约定，其中，高到低转换代表“0”，而低到高转换代表“1”。

所示的两字节前导码用于同步在主机CMM和探针电子电路之间通信的收发机、接收机和发射机。在所示的示例中，发射机发送前导码55₁₆、D5₁₆。传输低位优先，该码得到图5C的时序图。前导码具有这样的有用特征：在前18位中，转换只发生在位时间的中间，而不是在位边界(垂直虚线)。这使得接收机与发射机很容易同步。发最后三位(“111”)的信号表示前导码的结束，并且，连接到接收机的电路被配置为识别这些位，并实现适当的“就绪状态”，以接下来接收命令或数据字节。

关于使用命令模式的一些示例，可将用于触发阈值处理电路592和/或电子电路500的其他组件或部分的某些设置(例如默认设置)存储在探针存储器部分580中，从而使得在第一次为触控探针启动加电操作周期时可以对其进行存取。然而，如果确定触发阈值处理电路592的默认阈值在特定环境和/或应用(例如，太多虚假触发信号等)中不产生所期望的结果，则用户可以操作主机CMM以使用命令模式(例如，由用户)来提供触发阈值处理电路592所要使用的不同的阈值和/或低通数字滤波器设置等。在一些实现中，此类数据可被存储在CMM主机系统中，并可在每次启动新的加电操作周期时被提供，并可覆盖存储在触控探针存储器部分580中的任何默认设置。在某些实现中，如果触控探针参数已经针对特定工件检查序列被优化，并且触控探针被移动到第二主机CMM，则可以使用上述各种协议将存储在触控探针中的任何适当数据/设置传递到第二主机CMM，以确保与第二CMM主机系统兼容操作。

在上述描述中，公开了通信协议，其中所有差分数字信号位可以基于DC平衡的串行通信编码方案被格式化或编码。然而，将理解，虽然这在各种实现中可能是首选的，但它只是示范性的，而非限制性的。在一些实现中，利用不那么严格的协议也可以提供足够鲁棒的操作。例如，在一些实现中，如果至少大部分差分数字信号是基于标称DC平衡的串行通信编码方案被格式化，则可能就足够了。此外，将理解，上述所公开的各种特定组件值、特定工作频率和特定通信协议仅是示例性的，而非限制性的。

虽然已经说明和描述了本公开的优选实现，但对于本领域的技术人员来说，基于这里所例示和/或公开的原则，在说明和描述的特征和操作序列安排方面的许多变化将是明显的。可以使用各种替代形式来实现这里公开的原则。此外，可以将上面描述的各种实现组合起来，以提供进一步的实现。本说明书中提到的所有美国专利和美国专利申请均以参考的方式全部并入本文。如果有必要，可以修改实现的各个方面，以便采用各种专利和申请的概念来提供进一步的实现。

根据上面的详细描述，可以对实现进行这些和其他更改。一般而言，在随附的权利要求中，所用术语不应被解释为将权利要求限于说明书和权利要求中公开的具体实现，而应被解释为包括所有可能的实现以及此权利要求所应享有的全部同等物的范围。