CN107291249A - 一种三维运动姿态感知装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能监控领域，尤其涉及一种三维运动姿态感知装置。提供一种三维运动姿态感知装置，其处理器主频高（高达180M），传感器分辨率高(角度分辨率0.5°），装置精度高（满量程相对精度达到2‰）。包括主控模块、电源转换模块、用于为各芯片提供工作电源的电压转换模块、RS485串行通讯模块、姿态数据采集模块、超限数据存储模块及USB上位机通讯模块；所述电源转换模块与电压转换模块相连；所述主控模块分别与RS485串行通讯模块、姿态数据采集模块、超限数据存储模块及USB上位机通讯模块相连。

Description

一种三维运动姿态感知装置

技术领域

本发明属于智能监控领域，尤其涉及一种三维运动姿态感知装置。

背景技术

随着我国经济建设的迅速发展，现阶段制造监测行业与运输监控行业过程正面向智能化、高速化、集成化方向发展，随着通信技术、计算机控制技术、智能检测技术等高新技术的飞速发展，智能感知技术正参与到动态监测及智能采集过程中，而且这种技术在整个智能监控系统中起着举足轻重的作用。例如，重大设备、精密仪器、危化物品等货品的安全运输问题都涉及到智能监控系统的运用，在运输智能监控系统中，车辆运行的三维姿态的感知技术起到了及其重要的作用。当车辆运行姿态感知装置会实时采集车辆运行姿态数据并存储，当超限时装置发出报警信号，驾驶员可以及时调整安全驾驶策略；路程结束后，驾驶员可以随时查看历史报警超限数据，并进行大数据比对分析，得出安全预警信息，这样极大程度的降低了运输风险。

综上，三维姿态智能感知技术对于保障运输安全、加强物品运输监控和紧急事故预警具有十分重要的意义。现阶段我们正需要这种科技前沿的智能感知电子装置或仪器，来满足各大行业监控系统中的监测需求。此种创新的高科技智能感知装置的引入必将提高制造工业生产效率和降低运输行业物品损害程度，给社会上普遍需要工业过程监控的行业都带来了实用性的益处。

目前的运输行业和制造业生产线等的智能监控领域中，缺乏现代化的前沿监控技术手段，突出表现在数控机床运行、车辆运输行驶等过程中，对被监测设备的实时监测技术有如下缺点：数据采集频率低、数据采集精度低，感知传感器数字分辨率有限，处理器模块功能不够强大，实时分析处理能力不足，有线通讯接口单一等，导致智能监控过程中重要数据信息无法及时汇报和存储。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种三维运动姿态感知装置，其处理器主频高（高达180M），传感器分辨率高(角度分辨率0.5°），装置精度高（满量程相对精度达到2‰）。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括主控模块、电源转换模块、用于为各模块提供工作电源的电压转换模块、RS485串行通讯模块、姿态数据采集模块、超限数据存储模块及USB上位机通讯模块。

所述电源转换模块与电压转换模块相连。

所述主控模块分别与RS485串行通讯模块、姿态数据采集模块、超限数据存储模块及USB上位机通讯模块相连。

作为本发明的一种优选方案，所述主控模块采用ST公司的ARM Cortex-M系列嵌入式单片机STM32F407作为核心控制芯片；所述RS485串行通讯模块与RS485接口相连；所述USB上位机通讯模块与mini USB接口相连，所述电源转换模块与外部电源相连。

作为本发明的另一种优选方案，所述电源转换模块包括电源转换芯片UP1；外部电源经过流过压保护电路后再经LCπ型滤波电路滤波后输入至UP1的输入端；所述过流过压保护电路包括自恢复保险FP1及与FP1相连的稳压管TP1；所述LCπ型滤波电路包括电感LP1、并联联接的贴片电容CP1与钽电容EP1、并联联接的贴片电容CP2与钽电容EP2；所述CP1与EP1并联后再与LP1的一端相连，所述CP2与EP2并联后再与LP1的另一端相连。

作为本发明的另一种优选方案，所述电压转换模块采用实现低功耗降压集成芯片B1205XT-2WR2，所述降压集成芯片的输出端连接有用于显示是否有正常电压输出的LED指示灯；所述降压集成芯片的输入及输出均连接有滤波电路。

作为本发明的另一种优选方案，所述姿态数据采集模块采用IS公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件MPU-6050。

作为本发明的另一种优选方案，所述超限数据存储模块采用W25Q128FVSG芯片作为数据本机存储器。

作为本发明的另一种优选方案，所述RS485串行通讯模块包括作为串行通讯器的芯片US1，所述芯片US1采用SP3485芯片；US1的A脚串接有一自恢复保险丝FS1，US1的B脚串接有一自恢复保险丝FS2，所述FS1与FS2作为二级过流保护；所述US1的A脚接有一与输入电压并联的快速熔断TVS管TS1，所述US1的B脚接有一与输入电压并联的快速熔断TVS管TS2，所述TS1与TS2作为二级过压保护。

作为本发明的另一种优选方案，所述FS1及FS2的标称值均为1A，所述TS1及TS2的标称值均为SMBJ6.0CA。

作为本发明的另一种优选方案，所述USB上位机通讯模块采用CH340G芯片作为转换芯片。

与现有技术相比本发明有益效果。

本发明设置特殊LCπ型滤波电路，应用在电源输入前端，起到了从低频到高频的宽频域滤除外部电源纹波和大程度降低外部电磁干扰的作用。

本发明采用IS公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了安装空间。此6轴传感器内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，利用自带的数字运动处理器硬件加速引擎，实时采集被测设备的角速度信息，采样频率可达200HZ，并通过嵌入式核心控制芯片进行数据处理及姿态解算，实现姿态数据的实时采集。

本发明采用超限数据存储模块实时存储于本电路的存储芯片中，主要实现超限数据备份存储与带有时间戳的历史日志查询功能。

本发明RS485串行通讯模块具有一主多从、传输距离远、抗干扰等特点，便于实现感知装置与上位机的数据交互。传统的保护电路为单重保护，本电路加入二级过流、过压保护电路。对装置内部RS485电路部分起到了双重保护作用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明原理框图。

图2是本发明电源转换模块电路图。

图3是本发明电压转换模块电路图。

图4是本发明主控模块电路图。

图5是本发明姿态数据采集模块电路图。

图6是本发明超限数据存储模块电路图。

图7是本发明RS485串行通讯模块电路图。

图8是本发明USB上位机通讯模块电路图。

图9是本发明外部供电接口及RS485接口示意图。

图10是本发明USB（mini）接口图。

具体实施方式

如图1-10所示，图1中，本发明包括主控模块（中央处理器）、电源转换模块（12V转5V电压转换电路）、电压转换模块（5V转3.3V电压转换电路）、RS485串行通讯模块（RS485通信电路）、姿态数据采集模块（MPU姿态及震动传感器）、超限数据存储模块（FLASH外扩存储器）及USB上位机通讯模块。

所述电源转换模块与电压转换模块相连。电源转换模块与外部电源输入相连，外部电源（12V）与电源转换模块相连，电源转换模块将12V转为5V后与电压转换模块的输入相连，电压转换模块将5V转3.3V后为中央处理器等各模块供电。

所述主控模块分别与电压转换模块、RS485串行通讯模块、姿态数据采集模块、超限数据存储模块及USB上位机通讯模块相连。所述主控模块还连接有LED指示灯。所谓姿态，即物体在运动过程中所呈现X、Y、Z三个方向的实时状态。

优选地，所述主控模块采用ST公司的ARM Cortex-M系列单片机STM32F407作为核心芯片。所述RS485串行通讯模块与RS485接口（图1中的串行通信接口）相连；所述USB上位机通讯模块与mini USB接口相连，所述电源转换模块与外部电源相连。

优选地，所述电源转换模块包括电源转换芯片UP1（B1205S芯片）；外部电源经过流过压保护电路后再经LCπ型滤波电路滤波后输入至UP1的输入端；所述过流过压保护电路包括自恢复保险FP1及与FP1相连的稳压管TP1；所述LCπ型滤波电路包括电感LP1、并联联接的贴片电容CP1与钽电容EP1、并联联接的贴片电容CP2与钽电容EP2；所述CP1与EP1并联后再与LP1的一端相连，所述CP2与EP2并联后再与LP1的另一端相连。

作为本发明的另一种优选方案，所述电压转换模块采用实现低功耗降压集成芯片B1205XT-2WR2，所述芯片的输出端连接有用于显示是否有正常电压输出的LED指示灯；所述降压集成芯片的输入及输出均连接有滤波电路。

优选地，所述姿态数据采集模块采用IS公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件MPU-6050。

优选地 所述超限数据存储模块采用W25Q128FVSG作为数据本机存储器。

优选地，所述RS485串行通讯模块包括作为串行通讯器的芯片US1，所述芯片US1采用SP3485芯片；US1的A脚串接有一自恢复保险丝FS1，US1的B脚串接有一自恢复保险丝FS2，所述FS1与FS2作为二级过流保护；所述US1的A脚接有一与输入电压并联的快速熔断TVS管TS1，所述US1的B脚接有一与输入电压并联的快速熔断TVS管TS2，所述TS1与TS2作为二级过压保护。

优选地，所述自恢复保险丝FS1及FS2的标称值均为1A，此标称值选取意义为：当外部电流超过1A自恢复保险丝快速熔断，实现了过流保护后端内部电路功能。所述瞬态抑制二极管TS1及TS2的标称值均为SMBJ6.0CA，此标称值选取意义为TS1及TS2做为限压二极管，使到后端电路的电压被箝制在6V左右，从而实现对后端内部电路的过压保护。以上两种标称值的选取均由发明装置内部电路联合技术特性而定。

优选地，所述USB上位机通讯模块采用CH340G作为USB转串口转换芯片。

作为本发明的一种具体实施例。

本发明电源转换模块如图2所示，P1 接口为装置总电源开关，控制装置整体电源供电状态，并与外部12V供电接口相连。整体装置采用外部电源供电（锂电池、车载电源等均可），采用隔离型金升阳电源转换模块（B1205S电源模块），实现12V电压转换为5V，并且带有自恢复保险丝、π型滤波电路带和LED接通指示灯，具有过流保护及滤除纹波、降低干扰功能。具体地，电源转换模块实现12V电压转换为5V，保护电路部分采用自恢复保险FP1起到过流保护，选取标称值为750mA/6V。区别于现有技术，本电路输入端加入LCπ型滤波电路和过流过压保护电路。LCπ型滤波电路部分与传统RCπ型滤波电路相比，即应用电感LP1代替电阻，此种替代可大幅度减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。并且π型两端均采用大小两种标称值的普通电容CP1、CP2和钽电容EP1、EP2。本发明专利的特殊π型滤电路应用在电源输入前端，起到了从低频到高频的宽频域滤除外部电源纹波和大程度降低外部电磁干扰的作用。

如图3所示，为电压转换电路，采用低功耗高效率的降压集成芯片B1205XT-2WR2，实现5V转换为3.3V电压转换，并带有π型滤波电路和LED接通指示灯，转换后的3.3V电压用于电路其余部分供电。

如图4所示，主控模块采用ST公司的ARM Cortex-M系列高性能芯片STM32F407作为核心控制芯片。

如图5所示，姿态数据采集模块选用高精度姿态感知传感器，具体地，采用IS公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件MPU-6050。相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了安装空间。此6轴传感器内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，利用自带的数字运动处理器硬件加速引擎，实时采集被测设备的角速度信息，采样频率可达200HZ，并通过嵌入式核心控制芯片进行数据处理及姿态解算，实现姿态数据的实时采集。该传感器的SCL脚、SDI脚及INT脚分别与主控模块相连。

如图6所示，为本发明超限数据存储模块，设备姿态超限报警信息实时存储于该存储芯片中，主要实现超限数据备份存储与带有时间戳的历史日志查询功能。该存储芯片（W25Q128FVSG）的CS脚、SO脚、WP脚、CLK脚及SI脚分别与主控模块相连。

如图7所示，RS485串行通讯电路具有一主多从、传输距离远、抗干扰等特点，便于实现感知装置与上位机的数据交互。本电路选取SP3485芯片作为串行通讯器；传统的保护电路大部分为单重保护，本电路加入二级过流、过压保护电路，对装置内部RS485电路部分起到了双重保护作用。一级保护为过流保护，电路中串入FS1、FS2自恢复保险丝，选取标称值为1A/60V，当外部电流超过1A时候，保险丝自动熔断，大电流不会进入装置内部，起到了过流保护作用。二级为过压保护，电路中并入两个快速熔断TVS管，即TS1和TS2,标称值均为SMBJ6.0CA，当外部电压超过6V时候，TVS管自动熔断，大电压不会进入装置内部，起到了过压保护作用。

如图8所示，USB上位机通讯模块可以实现感知装置与上位机的数据实时通讯。用户可以通过上位机显示界面实现历史日志查询、感知参数配置、报警数据显示等功能，以及直观的显示被测设备的三维运动姿态图像。

如图9所示，为外部供电接口与RS485接口示意图。外部供电接口及RS485接口集成于P2接口，分别与外部供电电源、外部RS485信号线相连。

如图10所示，P3接口为USB（mini）接口，实现感知装置与上位机的数据交互。传统的三维姿态采集装置并没有与上位机进行实时交互功能。本发明装置的USB（mini）接口可以通过常用USB连接线与上位机相连，进行实时的数据交互功能以及三维姿态模拟仿真功能。数据交互功能体现在可以通过上位机软件来配置感知装置的通信参数设置和历史日志查询；三维姿态仿真功能体现在可以使用户更直观的了解到感知装置的运动姿态信息，更好的展示出感知装置实时模拟仿真特性。所述mini USB接口的D-脚与D+脚分别与USB上位机通讯模块相连。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维运动姿态感知装置，其特征在于，包括主控模块、电源转换模块、用于为各模块提供工作电源的电压转换模块、RS485串行通讯模块、姿态数据采集模块、超限数据存储模块及USB上位机通讯模块；

所述电源转换模块与电压转换模块相连；

所述主控模块分别与RS485串行通讯模块、姿态数据采集模块、超限数据存储模块及USB上位机通讯模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种三维运动姿态感知装置，其特征在于：所述主控模块采用ST公司的ARM Cortex-M系列嵌入式单片机STM32F407作为核心控制芯片；所述RS485串行通讯模块与RS485接口相连；所述USB上位机通讯模块与mini USB接口相连，所述电源转换模块与外部电源相连。

3.根据权利要求1所述的一种三维运动姿态感知装置，其特征在于：所述电源转换模块包括电源转换芯片UP1；外部电源经过流过压保护电路后再经LCπ型滤波电路滤波后输入至UP1的输入端；所述过流过压保护电路包括自恢复保险FP1及与FP1相连的稳压管TP1；所述LCπ型滤波电路包括电感LP1、并联联接的贴片电容CP1与钽电容EP1、并联联接的贴片电容CP2与钽电容EP2；所述CP1与EP1并联后再与LP1的一端相连，所述CP2与EP2并联后再与LP1的另一端相连。

4.根据权利要求1所述的一种三维运动姿态感知装置，其特征在于：所述电压转换模块采用实现低功耗降压集成芯片B1205XT-2WR2，所述降压集成芯片的输出端连接有用于显示是否有正常电压输出的LED指示灯；所述降压集成芯片的输入及输出均连接有滤波电路。

5.根据权利要求1所述的一种三维运动姿态感知装置，其特征在于：所述姿态数据采集模块采用IS公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件MPU-6050。

6.根据权利要求1所述的一种三维运动姿态感知装置，其特征在于：所述超限数据存储模块采用W25Q128FVSG芯片作为数据本机存储器。

7.根据权利要求1所述的一种三维运动姿态感知装置，其特征在于：所述RS485串行通讯模块包括作为串行通讯器的芯片US1，所述芯片US1采用SP3485芯片；US1的A脚串接有一自恢复保险丝FS1，US1的B脚串接有一自恢复保险丝FS2，所述FS1与FS2作为二级过流保护；所述US1的A脚接有一与输入电压并联的快速熔断TVS管TS1，所述US1的B脚接有一与输入电压并联的快速熔断TVS管TS2，所述TS1与TS2作为二级过压保护。

8.根据权利要求7所述的一种三维运动姿态感知装置，其特征在于：所述FS1及FS2的标称值均为1A，所述TS1及TS2的标称值均为SMBJ6.0CA。

9.根据权利要求1所述的一种三维运动姿态感知装置，其特征在于：所述USB上位机通讯模块采用CH340G芯片作为转换芯片。