本發(fā)明涉及一種分布式數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置，尤其涉及一種高分辨率多模態(tài)智能傳感裝置的分布式數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置，它適用于機(jī)器人的多模態(tài)數(shù)據(jù)采集與傳輸。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，靈巧手操控精細(xì)化應(yīng)用是精密制造、科學(xué)實(shí)驗(yàn)與醫(yī)療服務(wù)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域的迫切需求。靈巧手上有視、觸、力、滑等多模態(tài)的傳感器，為實(shí)現(xiàn)其操控的精細(xì)化，必須解決復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下多模態(tài)信息的感知與傳輸問(wèn)題，因而需要高分辨率多模態(tài)智能傳感裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)操作環(huán)境下多模態(tài)信息的采集和傳輸。由于未知環(huán)境的感知通常需要視、觸、力、滑等多模態(tài)的傳感器，而不同模態(tài)之間的數(shù)據(jù)格式、采樣率等特征差別很大，比如視覺(jué)模態(tài)和觸覺(jué)模態(tài)，他們所獲得物體信息的格式、頻率和范圍不同。視覺(jué)形式通過(guò)即時(shí)抓取得到一個(gè)單一圖像，而觸覺(jué)則由抓取過(guò)程中的觸覺(jué)時(shí)間序列來(lái)表征。此外，觸覺(jué)模態(tài)通常只能獲得靈巧手能夠觸摸到的物體信息，但視覺(jué)模態(tài)能夠同時(shí)獲得視覺(jué)范圍內(nèi)大量的物體信息，因而視覺(jué)模態(tài)數(shù)據(jù)源多，信息量極大。兩種模式所獲得信息的異步，感知范圍的不同會(huì)對(duì)多模態(tài)信息的采集帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊功能單一，拓展性差，大多集中于單一模態(tài)數(shù)據(jù)采集，而考慮到機(jī)器人的高分辨率陣列化多模態(tài)傳感的數(shù)據(jù)源多，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集模塊無(wú)法滿足多模態(tài)采集的需求?；蛘撸F(xiàn)有的多接口數(shù)據(jù)采集模塊是通過(guò)多種不同類型的數(shù)據(jù)接口來(lái)采集不同模態(tài)的信息，比如傳感器接口、模擬及數(shù)字信號(hào)接入端口和數(shù)據(jù)通信接口等，其多接口的特征體現(xiàn)在轉(zhuǎn)換不同的采集接口，結(jié)構(gòu)不方便而且耗時(shí)。

在現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中，大都采用單輸出形式。而針對(duì)于機(jī)器人的高分辨率陣列化多模態(tài)傳感的數(shù)據(jù)量大，尤其是視覺(jué)傳感數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量極大，現(xiàn)有的單傳輸模塊傳輸速度慢，難以滿足大數(shù)據(jù)量的穩(wěn)定傳輸。因而對(duì)于機(jī)器人感知多模態(tài)環(huán)境的大數(shù)據(jù)量傳輸，現(xiàn)有傳輸技術(shù)的傳輸速率受限，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性差，一般只能傳輸一種數(shù)據(jù)，而且持續(xù)性的大數(shù)據(jù)量上傳可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，難以滿足靈巧手精細(xì)化操控中高速率、可靠、實(shí)時(shí)有效的傳輸需求。

在機(jī)器人領(lǐng)域?qū)C(jī)器人感知環(huán)境的要求越來(lái)越高，因此高分辨率陣列化多模態(tài)的傳感裝置應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是其數(shù)據(jù)源多，數(shù)據(jù)量大，且為了更好匹配機(jī)器人比如靈巧手，急需一個(gè)小型化同時(shí)又適用于極大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置?，F(xiàn)有的多模態(tài)數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置除芯片外還有大部分外部元器件，體積大，難以滿足機(jī)器人領(lǐng)域如靈巧手的數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置小型化的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)傳統(tǒng)解決方案不適用于多模態(tài)極大數(shù)據(jù)量的采集、傳輸速率慢和體積大等不足，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于機(jī)器人感知未知環(huán)境的高分辨率多模態(tài)智能傳感裝置的分布式數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置，該裝置采用PSOC的CY8C5568AXI芯片為主控MCU，可通過(guò)擴(kuò)展多個(gè)子模塊來(lái)采集多種不同模態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，每個(gè)子模塊有若干個(gè)AD模塊采集傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)成多路輸入，若干個(gè)子模塊構(gòu)成多路輸出，具有多路輸入多路輸出的分布式特點(diǎn)，無(wú)外置存儲(chǔ)器，其有傳輸速率快，體積小，數(shù)據(jù)定時(shí)自動(dòng)獲取，傳輸穩(wěn)定性高，適用于多模態(tài)大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。

為達(dá)到上述目的的本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：用于高分辨率多模態(tài)智能傳感裝置的分布式數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置，由若干個(gè)可拓展子模塊和集線器組成，每個(gè)子模塊包含若干個(gè)AD模塊、若干個(gè)AD接口、PSOC控制模塊和USB接口；其中，

所述任一子模塊可采集一種模態(tài)的傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)拓展若干個(gè)子模塊用于采集多種不同模態(tài)的傳感器數(shù)據(jù)，不同模態(tài)的傳感器包括視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器和力傳感器；

所述若干個(gè)AD模塊作為多路輸入通道將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

所述若干個(gè)AD接口通過(guò)不同接口協(xié)議，采集不同模態(tài)下的不同數(shù)據(jù)格式、不同采樣步長(zhǎng)的傳感器數(shù)據(jù)，包括視覺(jué)、觸覺(jué)和力，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鯬SOC控制模塊；

所述PSOC控制模塊用于接收并處理由所述AD接口提供的傳感器數(shù)據(jù)，并可選擇采集通道；

所述USB接口用于上傳所述控制模塊處理后的數(shù)據(jù)到集線器；

所述集線器連接多個(gè)子模塊的所述USB接口，作為多輸出通道將USB接口上傳的數(shù)據(jù)輪詢上傳至上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)集線器選擇數(shù)據(jù)傳輸通道；

其中，所述PSOC控制模塊包含多通道選擇模塊、接口模塊、CPU系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和USB模塊；所述多通道選擇模塊通過(guò)多選一開關(guān)選擇相應(yīng)的采集通道；所述接口模塊從外接傳感器獲得傳感數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)總線傳輸給CPU系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)總線傳輸給USB模塊，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)在上一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都將被下一個(gè)時(shí)間周期采集的數(shù)據(jù)覆蓋；所述USB模塊通過(guò)USB接口將采集的數(shù)據(jù)上傳到集線器。

所述若干個(gè)子模塊構(gòu)成多路輸出，具有多路輸入多路輸出的分布式特點(diǎn)，無(wú)外置存儲(chǔ)器。

所述若干個(gè)AD接口通過(guò)采用不同的接口協(xié)議采集不同模態(tài)的傳感器數(shù)據(jù)，包括SPI協(xié)議和IIC協(xié)議。

所述AD模塊可接8個(gè)觸點(diǎn)，基于PPS觸覺(jué)傳感器(Pressure Profile System)每平方厘米包含4個(gè)觸覺(jué)陣列，適用于多數(shù)據(jù)源采集。

所述子模塊包含若干AD協(xié)議，4路IIC協(xié)議采樣頻率達(dá)到了150HZ，適用于極大數(shù)據(jù)比如微視覺(jué)傳感器數(shù)據(jù)傳輸；

所述集線器使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接多個(gè)所述子模塊的USB接口，多個(gè)可拓展子模塊的USB接口組成多路輸出，通過(guò)輪詢上傳方式將數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)通過(guò)集線器選擇數(shù)據(jù)傳輸通道。

所述PSOC控制模塊為Cypress公司的可編程片上系統(tǒng)，包括一個(gè)PSOC的CY8C5568AXI芯片和外接電路，可存儲(chǔ)采集的傳感器數(shù)據(jù)，并可選擇采集通道。

本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)多模態(tài)數(shù)據(jù)采集：本發(fā)明數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置包含若干個(gè)可擴(kuò)展子模塊，每個(gè)子模塊可采集一種模態(tài)的傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)拓展若干個(gè)子模塊可用于采集多種不同模態(tài)的傳感器數(shù)據(jù)，包括視、觸、力、滑等多模態(tài)的傳感器。通過(guò)不同的接口協(xié)議采集不同模態(tài)的傳感器數(shù)據(jù)，比如通過(guò)SPI協(xié)議采集大數(shù)據(jù)量的視覺(jué)傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)IIC協(xié)議采集觸覺(jué)傳感器數(shù)據(jù)。

(2)分布式傳輸：本發(fā)明數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置包含若干個(gè)可擴(kuò)展子模塊，每個(gè)子模塊通過(guò)USB接口與集線器相連，上位機(jī)通過(guò)集線器選擇各個(gè)獨(dú)立的USB接口串行接收數(shù)據(jù)。每個(gè)子模塊包含若干個(gè)AD模塊采集數(shù)據(jù)，多個(gè)子模塊組成的多路數(shù)據(jù)通道輪詢上傳數(shù)據(jù)，構(gòu)成多輸入多輸出的分布式傳輸方式，可大幅提高傳輸速率，并同時(shí)提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

(3)適用于高分辨率數(shù)據(jù)采集；本發(fā)明數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置采集步長(zhǎng)小，如觸覺(jué)子模塊中4路IIC協(xié)議采樣頻率達(dá)到了150HZ，時(shí)間分辨率高，適用于極大數(shù)據(jù)比如微視覺(jué)傳感器數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)每個(gè)子模塊包含若干個(gè)AD模塊用于采集數(shù)據(jù)，如觸覺(jué)子模塊中一個(gè)AD模塊可接8個(gè)觸點(diǎn)，基于PPS觸覺(jué)傳感器(Pressure Profile System)每平方厘米包含4個(gè)觸覺(jué)陣列，由此達(dá)到較高的空間分辨率，適用于多數(shù)據(jù)源采集。

(4)小型化：本發(fā)明數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置采用Cypress公司的可編程片上系統(tǒng)(PSOC)的CY8C5568AXI芯片為主控MCU，PSOC集微控制器、可編程數(shù)字陣列和可編程模擬陣列為一體，可大幅度的減少外部元器件，使得該模塊更加緊湊小巧，廣泛的適用于智能機(jī)器人領(lǐng)域，比如靈巧手等。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明中的PSOC控制模塊結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明一種用于高分辨率多模態(tài)智能傳感裝置的分布式數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置，它由若干個(gè)可拓展子模塊和集線器組成，每個(gè)子模塊包含若干個(gè)AD模塊、若干個(gè)AD接口、PSOC控制模塊和USB接口，它們之間的信號(hào)連接關(guān)系是：AD模塊將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；AD接口通過(guò)不同接口協(xié)議采集靈巧手上視、觸、力、滑等多種不同模態(tài)的傳感器數(shù)據(jù)，其中在觸覺(jué)子模塊中傳感器和PSOC控制模塊之間的通信協(xié)議為IIC協(xié)議，PSOC控制模塊與4個(gè)IIC接口相接，每個(gè)IIC接口接入1路AD信號(hào)，通過(guò)AD7148芯片將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，每路AD信號(hào)接入8個(gè)觸覺(jué)傳感觸點(diǎn)；其中在力子模塊中傳感器和PSOC控制模塊之間的通信協(xié)議為SPI協(xié)議，PSOC控制模塊與2個(gè)SPI接口相接，每個(gè)SPI接口接入1路AD信號(hào)，通過(guò)AD7794芯片將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,每路AD信號(hào)接入一個(gè)力傳感器；其中在微視覺(jué)子模塊中傳感器和PSOC控制模塊之間的通信協(xié)議為SPI協(xié)議，PSOC控制模塊與2個(gè)SPI接口相接，每個(gè)SPI接口接入1路AD信號(hào)，通過(guò)AD7794芯片將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,每路AD信號(hào)接入一個(gè)64點(diǎn)微視覺(jué)傳感陣列；PSOC控制模塊為Cypress公司的可編程片上系統(tǒng)PSOC處理模塊，包含一個(gè)基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)CY8C5568AXI，可通過(guò)多通道選擇模塊選擇數(shù)據(jù)采集通道，接收由AD接口提供的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，并通過(guò)USB接口將處理后的數(shù)據(jù)上傳至集線器；每個(gè)子模塊通過(guò)USB接口和上位機(jī)的USB集線器相連，USB集線器將一個(gè)USB接口擴(kuò)展成多個(gè)獨(dú)立工作的USB接口，通過(guò)輪詢上傳方式將數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。每個(gè)子模塊包含若干個(gè)AD通道采集數(shù)據(jù)，多個(gè)子模塊組成多路數(shù)據(jù)傳輸通道，構(gòu)成了本模塊的分布式傳輸特點(diǎn)。多個(gè)可擴(kuò)展子模塊通過(guò)不同接口協(xié)議采集不同模態(tài)的數(shù)據(jù)，通過(guò)USB集線器將數(shù)據(jù)輪詢上傳到上位機(jī)。

如圖2所示，為PSOC控制模塊結(jié)構(gòu)框圖，為子模塊中PSOC控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖，由多通道選擇模塊、接口模塊、CPU系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和USB模塊組成，其中PSOC1控制模塊的接口模塊為IIC接口，它們之間的信號(hào)連接關(guān)系是：多通道選擇模塊為一個(gè)多選一開關(guān)，可選擇相應(yīng)4路IIC接口采集數(shù)據(jù)；IIC模塊通過(guò)選擇好的IIC接口從外接傳感器獲得傳感數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)總線傳輸給CPU系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)在上一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都將被下一個(gè)時(shí)間周期采集的數(shù)據(jù)覆蓋，并將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)總線傳輸給USB模塊；USB模塊通過(guò)USB接口將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB集線器。PSOC2控制模塊和PSOCn控制模塊的接口模塊為SPI接口，它們之間的信號(hào)連接關(guān)系與PSOC1模塊相似，區(qū)別在于PSOC2控制模塊和PSOCn控制模塊的接口協(xié)議為SPI協(xié)議，其多通道選擇模塊可選擇相應(yīng)的2路SPI接口采集數(shù)據(jù)，SPI模塊通過(guò)選擇好的SPI接口從外接傳感器獲得數(shù)據(jù)。

其中，PSOC控制模塊使用Cypress半導(dǎo)體公司推出的可編程片上系統(tǒng)PSOC，它集微控制器、可編程數(shù)字陣列和可編程模擬陣列為一體，能實(shí)現(xiàn)“在系統(tǒng)可編程”，既滿足了一般電子系統(tǒng)的資源要求，又順應(yīng)了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法的發(fā)展方向。該系統(tǒng)的核心處理器是CY8C5568AXI芯片，它包含8位8051微處理器，其具體參數(shù)如下：

(1)單周期8051CPU

最高主頻67MHz

64KB的Flash，8KB的SRAM，2KB的EEPROM

24路DMA通道

寬工作電壓：0.5V～5.5V

72路GPIO口，所有I/O均可作為數(shù)字或模擬接口、均支持CapSense功能

全面可配置的內(nèi)部CPU時(shí)鐘

系統(tǒng)電源5V或3.3V可選

(2)數(shù)字外設(shè)

24個(gè)可編程數(shù)字模塊(可用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、PWM等模塊)

全速CAN2.0、全速USB2.0、SPI、UART、I2C等接口

(3)模擬外設(shè)

1.024V內(nèi)部參考電壓

12～20位可配置Delta SigmaADC

67MHz24位數(shù)字濾波器

4個(gè)8位8MspsIDACs、1MspsVDACs

4個(gè)電壓比較器

4個(gè)運(yùn)算放大器

4個(gè)可編程模擬模塊(可用于實(shí)現(xiàn)PGA、TIA、混頻器、采樣保持器等模塊)

CapSense功能(可用于實(shí)現(xiàn)電容按健、電容滑條)

提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。