传感器数据采集装置、系统及外骨骼机器人的制作方法

本实用新型涉及传感器数据采集领域，具体而言，涉及一种传感器数据采集装置、系统及外骨骼机器人。

背景技术：

传感器输出的模拟信号有输出范围，例如，电压0～2.5V，上位机在采集传感器输出的模拟信号时，多采用上位机的微控制器自带的模拟输入通道进行输入。采用上位机的微控制器自带的模拟输入通道进行采集的外围电路简单，开发周期短，但是微控制器自带的模拟输入通道可采集信号的幅值范围小，并且采集范围固定，当传感器输出的模拟信号范围可变时，或者，当上位机连接多个模拟信号范围不同的传感器时，需要根据传感器的不同重新连接电路，以使传感器的模拟信号范围匹配微控制器自带的模拟输入通道的幅值范围。例如，在对人体的动作行为的信号采集时，需要在人体上设置各类传感器以检测各类传感器的信号来识别人体的动作意图，从而将各类传感器的信号作为反馈信号控制机器人或可穿戴机器设备，例如，智能全身外骨骼，上位机与各类传感器之间需要连接多种转换电路，当某个传感器的输出范围变化，或者连接不同的传感器时，需要重新连接电路，布线复杂。

针对相关技术中上位机在采集不同范围的模拟信号时与传感器之间的接线不便的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种传感器数据采集装置、系统及外骨骼机器人，以解决相关技术中上位机在采集不同范围的模拟信号时与传感器之间的接线不便的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种传感器数据采集装置。该装置包括：模数转换芯片，与多个传感器相连接，用于采集并转换多个传感器输出的模拟信号以得到多个数字信号，其中，模数转换芯片包括采集范围设置电路，采集范围设置电路用于设置模数转换芯片的模拟信号采集范围；并行处理器，与模数转换芯片相连接，用于控制模数转换芯片对多个传感器的模拟信号进行采集；以及通讯接口芯片，连接并行处理器和上位机，用于执行并行处理器和上位机之间的通讯。

进一步地，并行处理器包括：采集范围控制电路，通过通讯接口芯片与上位机相连接，并与采集范围设置电路相连接，用于根据上位机发送的采集范围设置信息向模数转换芯片发送采集范围控制指令。

进一步地，模数转换芯片包括：多个采集电路，分别与多个传感器一一对应连接，用于分别对多个传感器输出的模拟信号进行采集并转换得到多个数字信号，并行处理器包括：采集顺序控制电路，与多个采集电路相连接，通过通讯接口芯片与上位机相连接，用于根据上位机发送的采集顺序设置信息向模数转换芯片发送采集顺序指令。

进一步地，并行处理器还包括：多个滤波处理电路，分别与多个采集电路一一对应连接，用于分别对多个数字信号进行滤波处理得到多个滤波处理信号。

进一步地，并行处理器还包括：缓存器，通过通讯接口芯片与上位机相连接，缓存器包括多个缓存单元，多个缓存单元分别与多个滤波处理电路一一对应连接，用于分别存储多个滤波处理信号。

进一步地，模数转换芯片为多个。

进一步地，模数转换芯片是型号为AD7924的模数转换芯片。

进一步地，并行处理器为FPGA芯片。

进一步地，FPGA芯片的型号为EP4CE22。

进一步地，并行处理器与模数转换芯片之间通过SPI总线连接。

进一步地，并行处理器通过SPI总线与四个模数转换芯片相连接。

进一步地，并行处理器与预设总线传感器通过预设总线相连接，其中，预设总线传感器为采用预设总线的通讯协议进行通讯的传感器。

进一步地，预设总线为232总线和/或485总线。

进一步地，通讯接口芯片包括USB接口芯片和/或RS422接口芯片。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种传感器数据采集系统。该系统包括：多个传感器；上位机；以及传感器数据采集装置，该传感器数据采集装置为本实用新型提供的传感器数据采集装置。

进一步地，多个传感器包括以下任意一种或多种类型的多个传感器：压力传感器；陀螺仪传感器；倾斜传感器；三维力传感器；以及加速度传感器。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种外骨骼机器人。该外骨骼机器人包括本实用新型提供的传感器数据采集系统。

本实用新型通过模数转换芯片与多个传感器相连接，分别采集多个传感器输出的模拟信号得到多个数字信号，其中，模数转换芯片包括采集范围设置电路，采集范围设置电路用于分别设置模数转换芯片的模拟信号采集范围；并行处理器与模数转换芯片相连接，控制模数转换芯片对多个传感器的模拟信号进行采集；以及通讯接口芯片连接并行处理器和上位机以执行并行处理器和上位机之间的通讯，解决了相关技术中上位机在采集不同范围的模拟信号时与传感器之间的接线不便的问题，通过模数转换芯片的采集范围设置电路设置模数转换芯片的模拟信号采集范围，进而达到了便于上位机采集不同范围的模拟信号的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型第一实施例的传感器数据采集装置的示意图；

图2是根据本实用新型第二实施例的传感器数据采集装置的示意图；

图3是根据本实用新型第三实施例的传感器数据采集装置的示意图；

图4是根据本实用新型第四实施例的传感器数据采集装置的示意图；以及

图5是根据本实用新型实施例的传感器数据采集系统的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本实用新型的实施例提供了一种传感器数据采集装置。

图1是根据本实用新型第一实施例的传感器数据采集装置的示意图。如图1所示，该装置包括模数转换芯片10，并行处理器20和通讯接口芯片30。其中，模数转换芯片10包括采集范围设置电路11。

模数转换芯片10与多个传感器相连接，用于采集并转换多个传感器输出的模拟信号以得到多个数字信号。传感器可以输出模拟的电压信号，传感器输出的模拟信号有一定的范围，例如，0～2.5V，0～5V等等。多个传感器可以是多个同一种类的传感器，也可以是包括不同种类的传感器。

模拟信号采集范围是模数转换芯片10可以采集的传感器输出的模拟信号的范围。模拟信号采集范围限制了模数转换芯片10可以接收到的输入信号的范围。传感器输出的模拟信号范围如果与模数转换芯片10的模拟信号采集范围不匹配，例如，传感器输出的模拟信号范围超过了模数转换芯片10的模拟信号采集范围时，模数转换芯片10将不能区分比模拟信号采集范围之外的模拟输入信号的真实大小，或者，当传感器输出的模拟信号范围小于，甚至远小于模数转换芯片10的模拟信号采集范围时，模数转换芯片10对传感器输出的模拟信号的分辨率较低。

模数转换芯片10上设置有采集范围设置电路11，采集范围设置电路11可以设置模数转换芯片10对多个传感器中各个传感器的模拟信号采集范围，使模数转换芯片10对模拟信号范围不同的传感器进行采集。

具体而言，采集范围设置电路11可以设置模数转换芯片10对多个传感器采用统一的模拟信号采集范围，也可以对多个传感器分别设置不同的模拟信号采集范围以适应不同的传感器。

采集范围设置电路11可以通过手动设置来调节模数转换芯片10的采集范围，例如，传感器数据采集装置上可以设置有开关或量程调节钮，通过手动拨动开关或旋转量程调节钮来控制采集范围设置电路11设置模数转换芯片10的采集范围。

采集范围设置电路11也可以通过其它控制器的控制来调节模数转换芯片10的采集范围，例如，并行处理器20通过引脚与模数转换芯片10相连接，向模数转换芯片10输出控制指令以控制采集范围设置电路11设置模数转换芯片10的采集范围。

并行处理器20与模数转换芯片10相连接，用于控制模数转换芯片10对多个传感器的模拟信号进行采集。并行处理器20是可以并行处理数据的处理器，可以是芯片，也可以是一个集成模块。

模数转换芯片10可以将数据发送至与模数转换芯片10相连接的并行处理器20。并行处理器20可以同时接收模数转换芯片10发送的多个数字信号，对多个数字信号并行地进行数据处理。

例如，并行处理器20可以同时对模数转换芯片10发送的多个数字信号分别进行滤波等预处理。由于并行处理器20可以对数据并行处理，因此相较于串行处理器处理速度更快。并行处理器20还可以与多个模数转换芯片10相连接，可拓展性强，可以连接更多数量的传感器，并且可以并行地接收对多个传感器进行采集得到的数据。

并行处理器20还可以与预设总线传感器通过预设总线相连接，其中，预设总线传感器为采用预设总线的通讯协议进行通讯的传感器，例如，预设总线为232总线和485总线，预设总线传感器为232总线传感器或485总线传感器。

优选地，模数转换芯片10可以是型号为AD7924的模数转换芯片。并行处理器20可以是FPGA芯片。优选地，FPGA芯片可以选用型号为EP4CE22的芯片。并行处理器20与模数转换芯片10之间可以通过SPI总线连接。可选地，并行处理器20可以通过SPI总线与四个模数转换芯片10相连接，每个模数转换芯片10可以采集四个传感器的模拟信号。

通讯接口芯片30连接并行处理器20和上位机，用于执行并行处理器20和上位机之间的通讯。上位机可以接收并行处理器20上传的数据，并行处理器20可以存储并实时更新待上传的数据。通讯接口芯片30可以是USB接口芯片或RS422接口芯片，或者，并行处理器20和上位机之间同时连接USB接口芯片和RS422接口芯片。

待上传的数据可以是模数转换芯片10采集到的多个数字信号，也可以是模数转换芯片10采集到的多个数字信号经过并行处理器20进行滤波等预处理之后的数据。待上传的数据如果有更新，并行处理器20可以将之前存储的待上传的数据替换为更新后的数据，保证数据的实时更新，并减轻上位机的负担，可以代替上位机完成滤波等预处理的数据处理。

该实施例通过模数转换芯片10与多个传感器相连接，分别采集多个传感器输出的模拟信号得到多个数字信号，其中，模数转换芯片10包括采集范围设置电路11，采集范围设置电路11用于分别设置模数转换芯片10的模拟信号采集范围；并行处理器20与模数转换芯片10相连接，控制模数转换芯片10对多个传感器的模拟信号进行采集；以及通讯接口芯片30连接并行处理器20和上位机以执行并行处理器20和上位机之间的通讯，解决了相关技术中上位机在采集不同范围的模拟信号时与传感器之间的接线不便的问题，通过模数转换芯片10的采集范围设置电路11设置模数转换芯片10的模拟信号采集范围，进而达到了便于上位机采集不同范围的模拟信号的效果。

优选地，该实施例中的模数转换芯片可以包括多个采集电路。多个采集电路分别与多个传感器一一对应连接，用于分别对多个传感器输出的模拟信号进行采集并转换得到多个数字信号。

并行处理器可以包括与多个采集电路相连接的采集顺序控制电路，并且采集顺序控制电路通过通讯接口芯片与上位机相连接，采集顺序控制电路用于根据上位机发送的采集顺序设置信息向模数转换芯片发送采集顺序指令。

优选地，该实施例中的并行处理器还可以包括分别与多个采集电路一一对应连接的多个滤波处理电路，用于分别对多个数字信号进行滤波处理得到多个滤波处理信号，其中，多个滤波处理信号为分别对多个数字信号进行滤波处理后得到的多个信号。

优选地，该实施例中的并行处理器还可以包括缓存器。缓存器通过通讯接口芯片与上位机相连接，缓存器包括多个缓存单元，多个缓存单元分别与多个滤波处理电路一一对应连接，用于分别存储多个滤波处理信号，其中，当多个缓存单元中任意一个缓存单元对应的滤波处理信号有更新时，将缓存单元中的滤波处理信号替换为更新的滤波处理信号。

图2是根据本实用新型第二实施例的传感器数据采集装置的示意图。如图2所示，该装置包括模数转换芯片10，并行处理器20和通讯接口芯片30。

模数转换芯片10与多个传感器相连接，用于分别采集多个传感器输出的模拟信号得到多个数字信号。模数转换芯片10上设置有采集范围设置电路11，采集范围设置电路11可以设置模数转换芯片10对多个传感器中各个传感器的模拟信号采集范围，使模数转换芯片10对模拟信号范围不同的传感器进行采集，或者在传感器的模拟信号输出范围发生变化时调整模拟信号采集范围。

采集范围设置电路11可以设置模数转换芯片10对多个传感器采用统一的模拟信号采集范围，也可以对多个传感器分别设置不同的模拟信号采集范围以适应不同的传感器。采集范围设置电路11可以通过手动设置或其它控制器的控制来调节模数转换芯片10的模拟信号采集范围。

例如，多个传感器数据采集装置上可以设置有开关或量程调节钮，通过手动拨动开关或旋转量程调节钮来控制采集范围设置电路11设置模数转换芯片10的模拟信号采集范围，或者，并行处理器20通过引脚与模数转换芯片10相连接，向模数转换芯片10输出控制指令以控制采集范围设置电路11设置模数转换芯片10的模拟信号采集范围。

并行处理器20与模数转换芯片10相连接，用于控制模数转换芯片10对多个传感器的模拟信号进行采集。并行处理器20是可以并行处理数据的处理器，可以是芯片，也可以是一个集成模块。

模数转换芯片10可以将数据发送至与模数转换芯片10相连接的并行处理器20。并行处理器20可以同时接收模数转换芯片10发送的多个数字信号，对多个数字信号并行地进行数据处理。

并行处理器20包括采集范围控制电路21，采集范围控制电路21与采集范围设置电路11相连接，用于控制采集范围设置电路11设置模数转换芯片10的模拟信号采集范围，具体而言，采集范围控制电路21可以向模数转换芯片10发送采集范围控制指令，采集范围控制指令是控制采集范围设置电路11按照预设的模拟信号采集范围接收多个传感器的模拟信号。

采集范围控制指令可以是一个或多个高低电平信号，用于使能采集范围设置电路11工作，例如，采集范围设置电路11可以设置三种模拟信号采集范围，采集范围控制电路21与采集范围设置电路11通过三个引脚相连接，采集范围控制指令可以是三个高低电平信号，其中一个引脚的信号为高电平，用于使能采集范围设置电路11设置模数转换芯片10的模拟信号采集范围为该引脚对应的模拟信号采集范围。

并行处理器20的采集范围控制电路21还通过通讯接口芯片30与上位机200相连接，通讯接口芯片30用于连接并行处理器20和上位机200，执行并行处理器20和上位机200之间的通讯。上位机200可以接收并行处理器20上传的数据，并行处理器20可以存储并实时更新待上传的数据。

采集范围控制电路21接收上位机200发送的采集范围设置信息，采集范围设置信息是对模数转换芯片10的模拟信号采集范围的设置信息。采集范围控制电路21在接收到上位机200发送的采集范围设置信息之后，可以根据上位机200发送的采集范围设置信息向模数转换芯片10输出采集范围控制指令，采集范围控制指令是控制采集范围设置电路11按照预设的模拟信号采集范围接收多个传感器的模拟信号。

图3是根据本实用新型第三实施例的传感器数据采集装置的示意图。如图3所示，该装置包括模数转换芯片10，并行处理器20和通讯接口芯片30。

模数转换芯片10与多个传感器100相连接，用于分别采集多个传感器100输出的模拟信号得到多个数字信号。模数转换芯片10上设置有采集范围设置电路11，采集范围设置电路11可以设置模数转换芯片10对多个传感器100中各个传感器的模拟信号采集范围，使模数转换芯片10对模拟信号范围不同的传感器进行采集。

多个传感器100包括传感器1、传感器2、……、传感器n，相应地，模数转换芯片10上包括多个采集电路12，多个采集电路12包括采集电路1、采集电路2、……、采集电路n。

模数转换芯片10上的多个采集电路12分别与多个传感器100相连接，用于分别采集多个传感器的模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，得到多个数字信号。模数转换芯片10对多个传感器按照一定的采集顺序进行采集，该采集顺序可以预先设置，可以设置更改采集顺序。

具体而言，更改模数转换芯片10对多个传感器100的采集顺序可以是通过并行处理器20进行控制。并行处理器20上设置有采集顺序控制电路22，采集顺序控制电路22与多个采集电路12相连接，用于控制多个采集电路12的采集顺序。采集顺序控制电路22可以是通过向模数转换芯片10发送采集顺序控制指令以控制多个采集电路12的采集顺序。

并行处理器20的采集顺序控制电路22还可以通过通讯接口芯片30与上位机200相连接，上位机200向并行处理器20发送采集顺序设置信息，采集顺序设置信息为对多个采集电路12的采集顺序的设置信息，并行处理器20在接收到采集顺序设置信息之后，向模数转换芯片10发送采集顺序控制指令以控制多个采集电路12按照采集顺序设置信息指示的顺序对多个传感器100进行采集。

优选地，该实施例中的并行处理器20还可以包括多个滤波处理电路。多个滤波处理电路分别与多个采集电路12一一对应连接，用于分别对多个数字信号进行滤波处理得到多个滤波处理信号，其中，多个滤波处理信号为分别对多个数字信号进行滤波处理后得到的多个信号。

优选地，该实施例中的并行处理器20还可以包括缓存器。缓存器通过通讯接口芯片30与上位机200相连接，当上位机200发出接收数据的指令时，将缓存器中存储的数据发送至上位机200。

缓存器包括多个缓存单元，多个缓存单元分别与多个滤波处理电路一一对应连接，用于分别存储多个滤波处理信号，其中，当多个缓存单元中任意一个缓存单元对应的滤波处理信号有更新时，将缓存单元中的滤波处理信号替换为更新的滤波处理信号。

缓存器通过实时更新，可以保证上位机200在发出接收数据的指令之后可以实时地接收到缓存器中的数据。

通讯接口芯片30连接并行处理器20和上位机200，用于执行并行处理器20和上位机200之间的通讯。上位机200可以接收并行处理器20上传的数据，并行处理器20可以存储并实时更新待上传的数据。

通讯接口芯片30可以是USB接口芯片或RS422接口芯片，或者，并行处理器20和上位机200之间同时连接USB接口芯片和RS422接口芯片。

并行处理器20还可以与预设总线传感器通过预设总线相连接，其中，预设总线传感器为采用预设总线的通讯协议进行通讯的传感器，例如，预设总线为232总线和485总线，预设总线传感器为232总线传感器或485总线传感器。

优选地，模数转换芯片10可以是型号为AD7924的模数转换芯片。并行处理器20可以是FPGA芯片。优选地，FPGA芯片可以选用型号为EP4CE22的芯片。并行处理器20与模数转换芯片10之间可以通过SPI总线连接。可选地，并行处理器20可以通过SPI总线与四个模数转换芯片10相连接，每个模数转换芯片10可以采集四个传感器的模拟信号。

图4是根据本实用新型第四实施例的传感器数据采集装置的示意图。如图4所示，该装置包括模数转换芯片10，并行处理器20，RS422接口芯片31和USB接口芯片32。

模数转换芯片10是型号为AD7924的模数转换芯片10。每个型号为AD7924的模数转换芯片10最多可以连接四路传感器，采集四路传感器的模拟信号。并行处理器20是FPGA芯片，优选地，FPGA芯片可以选用型号为EP4CE22的芯片。EP4CE22芯片与AD7924芯片之间可以通过SPI总线进行通讯。EP4CE22芯片可以连接四片型号为AD7924的模数转换芯片10，也即，并行处理器20可以并行地处理十六路传感器的数据。

型号为EP4CE22的FPGA芯片可以通过四个引脚与型号为AD7924的模数转换芯片10相连接，CS引脚用于FPGA芯片控制AD7924芯片的开关，SCK引脚用于FPGA芯片向AD7924芯片输出时钟信号，DIN引脚用于FPGA芯片向AD7924芯片输出采集范围控制指令以设置AD7924芯片的模拟信号采集范围，DOUT引脚用于AD7924芯片将转换好的多个数字信号传输给FPGA芯片。

并行处理器20在接收到采集多个传感器100得到的数字信号之后，还可以分别对接收到的多个数字信号进行滤波处理得到多个滤波处理信号，滤波处理信号为对数字信号进行滤波处理后得到的信号。并行处理器20在得到多个滤波处理信号之后，将多个滤波处理信号存储在与各个滤波处理信号对应的缓存单元中。当多个缓存单元中任意一个缓存单元对应的滤波处理信号有更新时，将对应的缓存单元中的滤波处理信号替换为更新的滤波处理信号，保证各个缓存单元中存储的滤波处理信号实时更新。

并行处理器20还可以与232总线传感器和485总线传感器直接连接，通过232总线通讯协议和485总线通讯协议传输数据。并行处理器20可以通过RS422接口芯片31和USB接口芯片32与上位机200进行通讯，并行处理器20可以同时通过RS422接口芯片31和USB接口芯片32与上位机200进行连接，在传输数据时，可以只采用其中一种接口芯片进行通讯。具体地，上位机200可以是主控板。

该实施例提供的传感器数据采集装置是一种基于FPGA的多种传感器数据采集装置，可以应用在智能全身外骨骼的各类传感器信号采集处理。智能全身外骨骼可以根据各类传感器检测人体的信号识别人体的动作，从而控制智能全身外骨骼的各个电机来完成智能全身外骨骼的动作。检测人体信号的传感器多种多样，包括压力传感器、陀螺仪传感器、倾斜传感器、三维力传感器、加速度传感器等。

FPGA芯片通过SPI接口分别控制四片AD7924芯片，每片AD7924芯片可同时采集四路传感器信号，也即，FPGA芯片可同时对十六路模拟传感器信号进行采集，此外，FPGA芯片还可以同时采集232总线传感器及485总线传感器。

该实施例通过FPGA芯片设置AD7924芯片的模拟信号采集范围，可以更精确的采集模拟信号范围不同的传感器信号。FPGA可以对采集到的各类传感器信号进行整合滤波等预处理，并不断刷新数据缓存，在接收到上位机的指令后，将预处理后的数据通过USB接口或者RS422接口发送给主控系统，减轻主控系统的处理负担，提高智能全身外骨骼的控制系统的实时性。

本实用新型的实施例还提供了一种传感器数据采集系统。该传感器数据采集系统包括本实用新型实施例提供的传感器数据采集装置。

图5是根据本实用新型实施例的传感器数据采集系统的示意图。如图5所示，该系统包括多个传感器100，上位机200和传感器数据采集装置300。其中，传感器数据采集装置300包括模数转换芯片10，并行处理器20和通讯接口芯片30。

多个传感器100可以包括压力传感器、陀螺仪传感器、倾斜传感器、三维力传感器和/或加速度传感器。多个传感器100用于感应物理信号产生模拟信号。传感器数据采集装置300的模数转换芯片10与多个传感器100相连接，用于分别采集多个传感器100输出的模拟信号得到多个数字信号，其中，模数转换芯片10包括采集范围设置电路，采集范围设置电路用于分别设置模数转换芯片10的模拟信号采集范围。

传感器数据采集装置300的并行处理器20与模数转换芯片10相连接，用于控制模数转换芯片10对多个传感器100的模拟信号进行采集。传感器数据采集装置300的通讯接口芯片30用于连接并行处理器20和上位机200，执行并行处理器20和上位机200之间的通讯。

本实用新型的实施例还提供了一种外骨骼机器人。该外骨骼机器人包括本实用新型实施例提供的传感器数据采集系统。

本实用新型所要求保护的是上述各个结构件及其连接关系，并不涉及对其内部软件的创新。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。