用于高分辨率多模态智能传感装置的分布式数据采集与传输装置的制作方法

本发明涉及一种分布式数据采集与传输装置，尤其涉及一种高分辨率多模态智能传感装置的分布式数据采集与传输装置，它适用于机器人的多模态数据采集与传输。

背景技术：

随着机器人技术的飞速发展，灵巧手操控精细化应用是精密制造、科学实验与医疗服务等国民经济重要领域的迫切需求。灵巧手上有视、触、力、滑等多模态的传感器，为实现其操控的精细化，必须解决复杂作业环境下多模态信息的感知与传输问题，因而需要高分辨率多模态智能传感装置来实现对操作环境下多模态信息的采集和传输。由于未知环境的感知通常需要视、触、力、滑等多模态的传感器，而不同模态之间的数据格式、采样率等特征差别很大，比如视觉模态和触觉模态，他们所获得物体信息的格式、频率和范围不同。视觉形式通过即时抓取得到一个单一图像，而触觉则由抓取过程中的触觉时间序列来表征。此外，触觉模态通常只能获得灵巧手能够触摸到的物体信息，但视觉模态能够同时获得视觉范围内大量的物体信息，因而视觉模态数据源多，信息量极大。两种模式所获得信息的异步，感知范围的不同会对多模态信息的采集带来很大的挑战。

现有的数据采集与传输模块功能单一，拓展性差，大多集中于单一模态数据采集，而考虑到机器人的高分辨率阵列化多模态传感的数据源多，现有的数据采集模块无法满足多模态采集的需求。或者，现有的多接口数据采集模块是通过多种不同类型的数据接口来采集不同模态的信息，比如传感器接口、模拟及数字信号接入端口和数据通信接口等，其多接口的特征体现在转换不同的采集接口，结构不方便而且耗时。

在现有数据传输技术中，大都采用单输出形式。而针对于机器人的高分辨率阵列化多模态传感的数据量大，尤其是视觉传感数据，其数据量极大，现有的单传输模块传输速度慢，难以满足大数据量的稳定传输。因而对于机器人感知多模态环境的大数据量传输，现有传输技术的传输速率受限，数据传输的实时性差，一般只能传输一种数据，而且持续性的大数据量上传可能导致数据丢失，难以满足灵巧手精细化操控中高速率、可靠、实时有效的传输需求。

在机器人领域对机器人感知环境的要求越来越高，因此高分辨率阵列化多模态的传感装置应用越来越广泛，但是其数据源多，数据量大，且为了更好匹配机器人比如灵巧手，急需一个小型化同时又适用于极大数据量的数据采集与传输装置。现有的多模态数据采集与传输装置除芯片外还有大部分外部元器件，体积大，难以满足机器人领域如灵巧手的数据采集与传输装置小型化的要求。

技术实现要素：

针对传统解决方案不适用于多模态极大数据量的采集、传输速率慢和体积大等不足，本发明提供一种应用于机器人感知未知环境的高分辨率多模态智能传感装置的分布式数据采集与传输装置，该装置采用PSOC的CY8C5568AXI芯片为主控MCU，可通过扩展多个子模块来采集多种不同模态传感器的数据，每个子模块有若干个AD模块采集传感器数据构成多路输入，若干个子模块构成多路输出，具有多路输入多路输出的分布式特点，无外置存储器，其有传输速率快，体积小，数据定时自动获取，传输稳定性高，适用于多模态大数据量传输等特点。

为达到上述目的的本发明采用如下的技术方案：用于高分辨率多模态智能传感装置的分布式数据采集与传输装置，由若干个可拓展子模块和集线器组成，每个子模块包含若干个AD模块、若干个AD接口、PSOC控制模块和USB接口；其中，

所述任一子模块可采集一种模态的传感器数据，通过拓展若干个子模块用于采集多种不同模态的传感器数据，不同模态的传感器包括视觉传感器、触觉传感器和力传感器；

所述若干个AD模块作为多路输入通道将传感器的模拟信号转换为数字信号；

所述若干个AD接口通过不同接口协议，采集不同模态下的不同数据格式、不同采样步长的传感器数据，包括视觉、触觉和力，将数据传输到所述PSOC控制模块；

所述PSOC控制模块用于接收并处理由所述AD接口提供的传感器数据，并可选择采集通道；

所述USB接口用于上传所述控制模块处理后的数据到集线器；

所述集线器连接多个子模块的所述USB接口，作为多输出通道将USB接口上传的数据轮询上传至上位机，上位机通过集线器选择数据传输通道；

其中，所述PSOC控制模块包含多通道选择模块、接口模块、CPU系统、数据存储系统和USB模块；所述多通道选择模块通过多选一开关选择相应的采集通道；所述接口模块从外接传感器获得传感数据，并将数据通过系统总线传输给CPU系统和数据存储系统；所述数据存储系统将存储的数据通过系统总线传输给USB模块，所述数据存储系统在上一个时间周期内存储的数据都将被下一个时间周期采集的数据覆盖；所述USB模块通过USB接口将采集的数据上传到集线器。

所述若干个子模块构成多路输出，具有多路输入多路输出的分布式特点，无外置存储器。

所述若干个AD接口通过采用不同的接口协议采集不同模态的传感器数据，包括SPI协议和IIC协议。

所述AD模块可接8个触点，基于PPS触觉传感器(Pressure Profile System)每平方厘米包含4个触觉阵列，适用于多数据源采集。

所述子模块包含若干AD协议，4路IIC协议采样频率达到了150HZ，适用于极大数据比如微视觉传感器数据传输；

所述集线器使用星型拓扑结构连接多个所述子模块的USB接口，多个可拓展子模块的USB接口组成多路输出，通过轮询上传方式将数据串行传输到上位机，上位机通过集线器选择数据传输通道。

所述PSOC控制模块为Cypress公司的可编程片上系统，包括一个PSOC的CY8C5568AXI芯片和外接电路，可存储采集的传感器数据，并可选择采集通道。

本发明对比现有技术，有如下优点：

(1)多模态数据采集：本发明数据采集与传输装置包含若干个可扩展子模块，每个子模块可采集一种模态的传感器数据，通过拓展若干个子模块可用于采集多种不同模态的传感器数据，包括视、触、力、滑等多模态的传感器。通过不同的接口协议采集不同模态的传感器数据，比如通过SPI协议采集大数据量的视觉传感器数据，通过IIC协议采集触觉传感器数据。

(2)分布式传输：本发明数据采集与传输装置包含若干个可扩展子模块，每个子模块通过USB接口与集线器相连，上位机通过集线器选择各个独立的USB接口串行接收数据。每个子模块包含若干个AD模块采集数据，多个子模块组成的多路数据通道轮询上传数据，构成多输入多输出的分布式传输方式，可大幅提高传输速率，并同时提高传输的稳定性。

(3)适用于高分辨率数据采集；本发明数据采集与传输装置采集步长小，如触觉子模块中4路IIC协议采样频率达到了150HZ，时间分辨率高，适用于极大数据比如微视觉传感器数据传输；同时每个子模块包含若干个AD模块用于采集数据，如触觉子模块中一个AD模块可接8个触点，基于PPS触觉传感器(Pressure Profile System)每平方厘米包含4个触觉阵列，由此达到较高的空间分辨率，适用于多数据源采集。

(4)小型化：本发明数据采集与传输装置采用Cypress公司的可编程片上系统(PSOC)的CY8C5568AXI芯片为主控MCU，PSOC集微控制器、可编程数字阵列和可编程模拟阵列为一体，可大幅度的减少外部元器件，使得该模块更加紧凑小巧，广泛的适用于智能机器人领域，比如灵巧手等。

附图说明

图1为本发明的数据采集与传输装置结构框图；

图2为本发明中的PSOC控制模块结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种用于高分辨率多模态智能传感装置的分布式数据采集与传输装置，它由若干个可拓展子模块和集线器组成，每个子模块包含若干个AD模块、若干个AD接口、PSOC控制模块和USB接口，它们之间的信号连接关系是：AD模块将传感器的模拟信号转换为数字信号；AD接口通过不同接口协议采集灵巧手上视、触、力、滑等多种不同模态的传感器数据，其中在触觉子模块中传感器和PSOC控制模块之间的通信协议为IIC协议，PSOC控制模块与4个IIC接口相接，每个IIC接口接入1路AD信号，通过AD7148芯片将模拟量转换为数字量，每路AD信号接入8个触觉传感触点；其中在力子模块中传感器和PSOC控制模块之间的通信协议为SPI协议，PSOC控制模块与2个SPI接口相接，每个SPI接口接入1路AD信号，通过AD7794芯片将模拟量转换为数字量,每路AD信号接入一个力传感器；其中在微视觉子模块中传感器和PSOC控制模块之间的通信协议为SPI协议，PSOC控制模块与2个SPI接口相接，每个SPI接口接入1路AD信号，通过AD7794芯片将模拟量转换为数字量,每路AD信号接入一个64点微视觉传感阵列；PSOC控制模块为Cypress公司的可编程片上系统PSOC处理模块，包含一个基于ARMCortex-M3内核的32位单片机CY8C5568AXI，可通过多通道选择模块选择数据采集通道，接收由AD接口提供的数据，将数据保存至数据存储系统，并通过USB接口将处理后的数据上传至集线器；每个子模块通过USB接口和上位机的USB集线器相连，USB集线器将一个USB接口扩展成多个独立工作的USB接口，通过轮询上传方式将数据串行传输到上位机。每个子模块包含若干个AD通道采集数据，多个子模块组成多路数据传输通道，构成了本模块的分布式传输特点。多个可扩展子模块通过不同接口协议采集不同模态的数据，通过USB集线器将数据轮询上传到上位机。

如图2所示，为PSOC控制模块结构框图，为子模块中PSOC控制模块的结构框图，由多通道选择模块、接口模块、CPU系统、数据存储系统和USB模块组成，其中PSOC1控制模块的接口模块为IIC接口，它们之间的信号连接关系是：多通道选择模块为一个多选一开关，可选择相应4路IIC接口采集数据；IIC模块通过选择好的IIC接口从外接传感器获得传感数据，并将数据通过系统总线传输给CPU系统和数据存储系统；数据存储系统在上一个时间周期内存储的数据都将被下一个时间周期采集的数据覆盖，并将存储的数据通过系统总线传输给USB模块；USB模块通过USB接口将采集的数据传输到USB集线器。PSOC2控制模块和PSOCn控制模块的接口模块为SPI接口，它们之间的信号连接关系与PSOC1模块相似，区别在于PSOC2控制模块和PSOCn控制模块的接口协议为SPI协议，其多通道选择模块可选择相应的2路SPI接口采集数据，SPI模块通过选择好的SPI接口从外接传感器获得数据。

其中，PSOC控制模块使用Cypress半导体公司推出的可编程片上系统PSOC，它集微控制器、可编程数字阵列和可编程模拟阵列为一体，能实现“在系统可编程”，既满足了一般电子系统的资源要求，又顺应了现代电子设计方法的发展方向。该系统的核心处理器是CY8C5568AXI芯片，它包含8位8051微处理器，其具体参数如下：

(1)单周期8051CPU

最高主频67MHz

64KB的Flash，8KB的SRAM，2KB的EEPROM

24路DMA通道

宽工作电压：0.5V～5.5V

72路GPIO口，所有I/O均可作为数字或模拟接口、均支持CapSense功能

全面可配置的内部CPU时钟

系统电源5V或3.3V可选

(2)数字外设

24个可编程数字模块(可用于实现定时器、计数器、PWM等模块)

全速CAN2.0、全速USB2.0、SPI、UART、I2C等接口

(3)模拟外设

1.024V内部参考电压

12～20位可配置Delta SigmaADC

67MHz24位数字滤波器

4个8位8MspsIDACs、1MspsVDACs

4个电压比较器

4个运算放大器

4个可编程模拟模块(可用于实现PGA、TIA、混频器、采样保持器等模块)

CapSense功能(可用于实现电容按健、电容滑条)

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。