CN107422836B - 一种用于自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统，其特征在于，包括FPGA处理器，均与FPGA处理器相连接的A/D转换器、低频滤波电路和电源，与A/D转换器相连接的抗混叠滤波电路，与抗混叠滤波电路相连接的电荷放大器，以及与低频滤波电路相连接的采样电路组成。本发明实现了对动态信号和光栅信号进行分离式处理，很好的提高了本发明对光学动作捕捉设备的信号传输设备传输的信号中的干扰信号处理的准确性，从而有本发明效的提高了自修复式光学动作捕设备输出的数据信息准确度，很好的解决了控制平台最终获得的运动物体的运动轨迹出现误差的情况。

Description

一种用于自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统

技术领域

本发明涉及一种数据处理系统，具体的说，是一种用于自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统。

背景技术

光学动作捕捉主要采用标记点式光学动作捕捉设备，该设备一般由光学标识点(Markers)、动作捕捉相机、信号传输设备以及数据处理系统组成。捕捉过程需要在运动物体关键部位(如人体的关节处等)粘贴Marker点，多个动作捕捉相机从不同角度实时探测Marker点，探测到的数据实时传输至控制平台，平台根据三角测量原理精确计算Marker点的空间坐标，进而获得运动物体的运动轨迹。标记点式光学动作捕捉大体上又可分为自修复式和被动式两种，其中自修复式的光学动作捕捉方式以其较高的捕捉精度而被更加广泛的使用。

然而，现有的自修复式光学动作捕设备的数据处理系统存在对信号中的干扰信号处理的效果较差的问题，导致自修复式光学动作捕设备输出的数据信息准确度低，致使控制平台最终获得的运动物体的运动轨迹出现误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的自修复式光学动作捕设备的数据处理系统存在对信号中的干扰信号处理的效果较差的缺陷，提供的一种能提高对信号中的干扰信号消除能力的自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统。

本发明通过以下技术方案来实现：一种用于自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统，包括FPGA处理器，均与FPGA处理器相连接的A/D转换器、低频滤波电路和电源，与A/D转换器相连接的抗混叠滤波电路，与抗混叠滤波电路相连接的电荷放大器，以及与低频滤波电路相连接的采样电路组成；所述电源还分别与采样电路、A/D转换器和电荷放大器相连接。

所述低频滤波电路由放大器P1，放大器P2，放大器P3，一端与放大器P1的负极相连接、另一端作为低频滤波电路的输入端并与采样电路相连接的电阻R1，正极经电阻R2与放大器P1的负极相连接、负极接地的极性电容C1，一端与放大器P1的负极相连接、另一端与放大器P1的输出端相连接的电阻R3，正极与放大器P1的正极相连接、负极经可调电阻R4与放大器P1的输出端相连接的极性电容C2，一端与可调电阻R4的调节端相连接、另一端与放大器P2的负极相连接的电感L，正极与放大器P2的负极相连接、负极与放大器P2的输出端相连接的极性电容C3，一端与放大器P2的负极相连接、另一端与放大器P2的输出端相连接的电阻R5，一端与放大器P2的输出端相连接、另一端与放大器P2的正极相连接的可调电阻R6，一端与可调电阻R6的调节端相连接、另一端与放大器P3的负极相连接的电阻R7，正极与放大器P3的负极相连接、负极与放大器P3的输出端相连接的极性电容C4，以及一端与放大器P3的输出端相连接、另一端接地的电阻R8组成；所述极性电容C2的负极与放大器P2的正极相连接后接地；所述放大器P3的正极还与放大器P2的正极相连接，该放大器P3的输出端作为低频滤波电路的输出端并与FPGA处理器相连接。

进一步的，所述抗混叠滤波电路由差分放大器U，分别与差分放大器U的ViP管脚和ViN管脚相连接的差分转换电路，分别与差分放大器U的OUT管脚和VOUT管脚相连接的多极滤波电路，以及一端与差分放大器U的liP管脚相连接、另一端与差分放大器U的liN管脚相连接的电阻R11组成；所述差分转换电路的输入端与电荷放大器相连接；所述多极滤波电路的输出端与A/D转换器相连接；所述差分放大器U的VC管脚与外部5V直流电源相连接，该差分放大器U的GND管脚接地。

所述差分转换电路由变压器T，一端与变压器T副边电感线圈的同名端相连接、另一端接地的电阻R9，负极与变压器T原边电感线圈的非同名端相连接、正极与差分放大器U的ViP管脚相连接的极性电容C5，一端与极性电容C5的负极相连接、另一端接地的电阻R10，以及负极与变压器T副边电感线圈的同名端相连接、正极与差分放大器U的ViN管脚相连接的极性电容C6组成；所述变压器T副边电感线圈的非同名端接地，其原边电感线圈的同名端与电荷放大器相连接。

所述多极滤波电路由三极管VT，负极与差分放大器U的VOUT管脚相连接、正极经电阻R13与三极管VT的基极相连接的极性电容C7，正极与差分放大器U的OUT管脚相连接、负极经电阻R12与三极管VT的集电极相连接的极性电容C8，正极与三极管VT的基极相连接、负极与三极管VT的集电极相连接的极性电容C9，正极经电阻R1与极性电容C9的正极相连接、负极接地的极性电容C10，正极经电阻R15与三极管VT的集电极相连接、负极接地的极性电容C13，负极与极性电容C10的正极相连接、正极与A/D转换器的其中一个输入端相连接的极性电容C11，以及正极与极性电容C13的正极相连接、负极与A/D转换器的另一个输入端相连接的极性电容C12组成；所述三极管VT的发射极接地。

为了确保本发明的实际使用效果，所述差分放大器U为ADA4960-1集成芯片。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过抗混叠滤波电路对光学动作捕捉设备的信号传输设备传输的动态信号中的无用信号和干扰信号进行处理；并通过低频滤波电路对光学动作捕捉设备的信号传输设备传输的光栅信号中的用信号和干扰信号进行处理，本发明实现了对动态信号和光栅信号进行分离式处理，很好的提高了本发明对光学动作捕捉设备的信号传输设备传输的信号中的干扰信号处理的准确性，从而有本发明效的提高了自修复式光学动作捕设备输出的数据信息准确度，很好的解决了控制平台最终获得的运动物体的运动轨迹出现误差的情况。

(2)本发明的低频滤波电路设置了多个可调电阻，通过改变可调电阻的阻值能实现对信号传输设备中的光栅信号传输器输出的光栅信号的中心频率、带宽的调整，并能对信号中的干扰信号进行消除或抑制，使光栅信号更准确、更稳定。

(3)本发明的抗混叠滤波电路的差分转换电路能将电荷放大器输出的电荷信号转换为差分信号，该差分信号则通过差分放大器U对信号进行增益补偿，使差分信号的频率更平坦；而抗混叠滤波电路中的多极滤波电路能对差分放大器U输出的信号中的无用信号和干扰信号进行彻底滤除，有效的防止了A/D转换后的数据波形失真，产生错误。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图。

图2为本发明的低频滤波电路的电路结构示意图。

图3为本发明的抗混叠滤波电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、2、3所示，本发明包括FPGA处理器，均与FPGA处理器相连接的A/D转换器、低频滤波电路和电源，与A/D转换器相连接的抗混叠滤波电路，与抗混叠滤波电路相连接的电荷放大器，以及与低频滤波电路相连接的采样电路组成；所述电源还分别与采样电路、A/D转换器和电荷放大器相连接。其中，所述抗混叠滤波电路如图3所示，其由差分放大器U，差分转换电路，多极滤波电路，以及电阻R11组成。所述的电源为9V直流电源。

具体的，本发明的FPGA处理器选用了XILINX公司的virtex-5系列XC5VFX70芯片，该FPGA处理器为可编程逻辑器件其具有工作稳定、速度快、灵活的可编程能力等特点，并能实现对数据信号流量进行控制，实现对数据信号的并行处理和传输。该FPGA处理器的数据输入端与A/D转换器连接，FPGA处理器的AD转换端与低频滤波电路连接，该FPGA处理器的电源输入端与9V直流电压相连接。

实施时，本发明的电荷放大器的输入端与光学动作捕捉设备的信号传输设备中的动态信号传输器相连接，电荷放大器用于将动态信号传输器输出的模拟信号转换为电荷信号。而采样电路则与光学动作捕捉设备的信号传输设备中的光栅信号传输器相连接，该采样电路本发明采用了常规的采样电路，且该采样电路能跟踪模拟输入信号的电平变化，以输出稳定的电流信号。

其中，电荷放大器将得到的电荷信号传输给抗混叠滤波电路，该抗混叠滤波电路首先将接收的电荷信号转换为差分信号，然后对差分信号进行增益补偿，使差分信号的频率更平坦，最后对差分信号中高于采样速率一半的频率成分滤除，并将处理后的信号传输给A/D转换器，该A/D转换器为普通的A/D转换器，A/D转换器将输入的电荷信号转换为数据信号后传输给FPGA处理器，FPGA处理器通过对接收的数据信号进行处理后，便能得到捕捉对象的动态值信息。因此，抗混叠滤波电路有效的防止了A/D转换后的数据波形失真，产生错误，有效的提高了本发明对信号处理的效果。

同时，采样电路将接收的电流信号传输给低频滤波电路，该低频滤波电路设置了多个可调电阻，通过改变可调电阻的阻值能实现对信号传输设备中的光栅信号传输器输出的光栅信号的中心频率、带宽的调整，并能对信号中的干扰信号进行消除或抑制，使光栅信号更准确、更稳定。低频滤波电路将处理后的信号传输给FPGA处理器，FPGA处理器内的AD转换器将输入的电流信号进行处理后得到捕捉对象的形态值。此时，FPGA处理器将得到的捕捉对象的动态值信息和捕捉对象的形态值进行打包后传输给外接的控制平台，从而通过本发明对自修复式光学动作捕捉设备所输出的动态信号和光栅信号的抗干扰处理，有效的确保了控制平台能得到准确的获得运动物体的运动轨迹。

更具体的，所述低频滤波电路如图2所示，其由放大器P1，放大器P2，放大器P3，一端与放大器P1的负极相连接、另一端作为低频滤波电路的输入端并与采样电路相连接的电阻R1，正极经电阻R2与放大器P1的负极相连接、负极接地的极性电容C1，一端与放大器P1的负极相连接、另一端与放大器P1的输出端相连接的电阻R3，正极与放大器P1的正极相连接、负极经可调电阻R4与放大器P1的输出端相连接的极性电容C2，一端与可调电阻R4的调节端相连接、另一端与放大器P2的负极相连接的电感L，正极与放大器P2的负极相连接、负极与放大器P2的输出端相连接的极性电容C3，一端与放大器P2的负极相连接、另一端与放大器P2的输出端相连接的电阻R5，一端与放大器P2的输出端相连接、另一端与放大器P2的正极相连接的可调电阻R6，一端与可调电阻R6的调节端相连接、另一端与放大器P3的负极相连接的电阻R7，正极与放大器P3的负极相连接、负极与放大器P3的输出端相连接的极性电容C4，以及一端与放大器P3的输出端相连接、另一端接地的电阻R8组成；所述极性电容C2的负极与放大器P2的正极相连接后接地；所述放大器P3的正极还与放大器P2的正极相连接，该放大器P3的输出端作为低频滤波电路的输出端并与FPGA处理器的AD转换端相连接。

其中，电阻R1～R3、电阻R5和电阻R7的阻值为1kΩ，电阻R8的阻值为1M。放大器P1、放大器P2和放大器P3为型号为OP07的运放。可调电阻R4和可调电阻R6为电位值为0～110kΩ的同轴电位器。极性电容C1的容值为100μF，极性电容C2、极性电容C3和极性电容C4的容值为0.01μF的滤波电容。电感L的电感值为50μH。

运行时，采样电路输出的电流信号加入到电阻R1和电阻R2以及极性电容C1形成的限流器，该限流器使电流信号中的高电流信号得到减弱，以防止电流信号产生强磁波信号。限流后的电流信号输入由放大器P1、放大器P2、可调电阻R4、可调电阻R6、电阻R3、电阻R5、电阻R7、极性电容C2、极性电容C3和电感L形成的双极变频滤波器，通过调节可调电阻R4和可调电阻R6的电位值，便能实现对信号的中心频率、带宽的调整。同时，该双极变频滤波器极性电容C2、极性电容C3则对信号中的干扰信号进行消除。当调节可调电阻R4和可调电阻R6时，相当于加入了一分压，于是减小了电阻R5和电阻R7以及电感L的电流，等效于减小了电阻R5和电阻R7以及电感L的值。因此，调节可调电阻R4和可调电阻R6的电位值便能实现对信号的中心频率和带宽的调节，从而确保了低频滤波电路能对电流信号中的干扰信号进行准确性消除，并能对信号的中心频率和带宽的调节，有效的提高了本发明输出信号的准确性。

本发明的可调电阻R4和可调电阻R6均采用了电位值为0～110kΩ的同轴电位器，因此，该低频滤波电路能使信号的中心频率从150Hz变化到1.5kHz，使本发明能更好的在不同的光学动作捕捉设备上。

进一步的，所述抗混叠滤波电路如图3所示，其由差分放大器U，差分转换电路，多极滤波电路，以及电阻R11组成；具体的，差分转换电路分别与差分放大器U的ViP管脚和ViN管脚相连接。多极滤波电路分别与差分放大器U的OUT管脚和VOUT管脚相连接。电阻R11的一端与差分放大器U的liP管脚相连接、另一端与差分放大器U的liN管脚相连接。所述差分转换电路的输入端与电荷放大器相连接；所述多极滤波电路的输出端与A/D转换器相连接；所述差分放大器U的VC管脚与外部5V直流电源相连接，该差分放大器U的GND管脚接地。为了确保本发明的实际使用效果，所述差分放大器U为ADA4960-1集成芯片。

具体的，所述差分转换电路由变压器T，一端与变压器T副边电感线圈的同名端相连接、另一端接地的电阻R9，负极与变压器T原边电感线圈的非同名端相连接、正极与差分放大器U的ViP管脚相连接的极性电容C5，一端与极性电容C5的负极相连接、另一端接地的电阻R10，以及负极与变压器T副边电感线圈的同名端相连接、正极与差分放大器U的ViN管脚相连接的极性电容C6组成；所述变压器T副边电感线圈的非同名端接地，其原边电感线圈的同名端与电荷放大器相连接。

实施时，该差分转换电路中的变压器T采用分层分组夹绕式变压器，该变压器T通过电磁感应将电荷放大器输出的单端信号转变为差分信号，因本发明所采用的变压器T的副边电感线圈两端上产生的初级漏感和初级分布电容很平衡，因而变压器T能输出稳定的差分信号。变压器T并将转输出的差分信号经电阻R9和电阻R10进行信号增益，该电阻R9的阻值设定为1kΩ，而电阻R9的阻值设定为10Ω，因此，该信号增益可在0dB至18dB范围内调整。同时，该增益后的差分信号通过作为滤波电容的极性电容C5和极性电容C6进行过滤，其极性电容C5和极性电容C6容值均设定为0.1μF，使差分转换电路输出的差分信号的阻抗仅为150Ω，差分信号为低频信号。该差分信号传输给差分放大器U进行频率增益，使差分信号中的微弱频率得到增强，以便于后部的多极滤波电路对信号的处理。

更进一步地，所述多极滤波电路如图3所述，其由三极管VT，负极与差分放大器U的VOUT管脚相连接、正极经电阻R13与三极管VT的基极相连接的极性电容C7，正极与差分放大器U的OUT管脚相连接、负极经电阻R12与三极管VT的集电极相连接的极性电容C8，正极与三极管VT的基极相连接、负极与三极管VT的集电极相连接的极性电容C9，正极经电阻R1与极性电容C9的正极相连接、负极接地的极性电容C10，正极经电阻R15与三极管VT的集电极相连接、负极接地的极性电容C13，负极与极性电容C10的正极相连接、正极与A/D转换器的其中一个输入端相连接的极性电容C11，以及正极与极性电容C13的正极相连接、负极与A/D转换器的另一个输入端相连接的极性电容C12组成；所述三极管VT的发射极接地。

其中，该多极滤波电路中的电阻R12～R15均采用了阻值为10Ω的低阻抗电阻。而极性电容C7、极性电容C8、极性电容C11和极性电容C12均采用了容值为0.1μF的滤波电容，极性电容C9采用了容值为4.7μF的谐振电容，极性电容C0和极性电容C13采用了容值为18pF的退耦电容。

具体的，差分放大器U输出的差分信号经极性电容C7和极性电容C8进行滤波，使差分信号中的无用信号和干扰信号被消除，其滤波后的差分信号通过电阻R12和电阻R13进行限流，将差分信号中的低频信号进行再次抑制，使信号更加平稳。为了使差分信号达到最佳状态，在限流后的信号输出端上设置了电阻R14和电阻R15可产生20Ω的净负载阻抗，以实现对信号中的干扰信号进行彻底消除的效果。该电路最后采用作为退耦电容的极性电容C0和极性电容C13与滤波电容极性电容C11和极性电容C12相结合来消除差分信号中的各频点之间的有害低频的交连，使输出的信号与采样信号保持一致。因此，抗混叠滤波电路通过差分转换电路和差分放大器U以及多极滤波电路相结合，实现了对差分信号中的无用信号和干扰信号的彻底消除。

按照上述实施例，即可很好的实现本发明。

Claims (5)

1.一种用于自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统，其特征在于，包括FPGA处理器，均与FPGA处理器相连接的A/D转换器、低频滤波电路和电源，与A/D转换器相连接的抗混叠滤波电路，与抗混叠滤波电路相连接的电荷放大器，以及与低频滤波电路相连接的采样电路组成；所述电源还分别与采样电路、A/D转换器和电荷放大器相连接；

所述低频滤波电路由放大器P1，放大器P2，放大器P3，一端与放大器P1的负极相连接、另一端作为低频滤波电路的输入端并与采样电路相连接的电阻R1，正极经电阻R2与放大器P1的负极相连接、负极接地的极性电容C1，一端与放大器P1的负极相连接、另一端与放大器P1的输出端相连接的电阻R3，正极与放大器P1的正极相连接、负极经可调电阻R4与放大器P1的输出端相连接的极性电容C2，一端与可调电阻R4的调节端相连接、另一端与放大器P2的负极相连接的电感L，正极与放大器P2的负极相连接、负极与放大器P2的输出端相连接的极性电容C3，一端与放大器P2的负极相连接、另一端与放大器P2的输出端相连接的电阻R5，一端与放大器P2的输出端相连接、另一端与放大器P2的正极相连接的可调电阻R6，一端与可调电阻R6的调节端相连接、另一端与放大器P3的负极相连接的电阻R7，正极与放大器P3的负极相连接、负极与放大器P3的输出端相连接的极性电容C4，以及一端与放大器P3的输出端相连接、另一端接地的电阻R8组成；所述极性电容C2的负极与放大器P2的正极相连接后接地；所述放大器P3的正极还与放大器P2的正极相连接，该放大器P3的输出端作为低频滤波电路的输出端并与FPGA处理器相连接。

2.根据权利要求1所述的用于自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统，其特征在于，所述抗混叠滤波电路由差分放大器U，分别与差分放大器U的ViP管脚和ViN管脚相连接的差分转换电路，分别与差分放大器U的OUT管脚和VOUT管脚相连接的多极滤波电路，以及一端与差分放大器U的liP管脚相连接、另一端与差分放大器U的liN管脚相连接的电阻R11组成；所述差分转换电路的输入端与电荷放大器相连接；所述多极滤波电路的输出端与A/D转换器相连接；所述差分放大器U的VC管脚与外部5V直流电源相连接，该差分放大器U的GND管脚接地。

3.根据权利要求2所述的用于自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统，其特征在于，所述差分转换电路由变压器T，一端与变压器T副边电感线圈的同名端相连接、另一端接地的电阻R9，负极与变压器T原边电感线圈的非同名端相连接、正极与差分放大器U的ViP管脚相连接的极性电容C5，一端与极性电容C5的负极相连接、另一端接地的电阻R10，以及负极与变压器T副边电感线圈的同名端相连接、正极与差分放大器U的ViN管脚相连接的极性电容C6组成；所述变压器T副边电感线圈的非同名端接地，其原边电感线圈的同名端与电荷放大器相连接。

4.根据权利要求3所述的用于自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统，其特征在于，所述多极滤波电路由三极管VT，负极与差分放大器U的VOUT管脚相连接、正极经电阻R13与三极管VT的基极相连接的极性电容C7，正极与差分放大器U的OUT管脚相连接、负极经电阻R12与三极管VT的集电极相连接的极性电容C8，正极与三极管VT的基极相连接、负极与三极管VT的集电极相连接的极性电容C9，正极经电阻R1与极性电容C9的正极相连接、负极接地的极性电容C10，正极经电阻R15与三极管VT的集电极相连接、负极接地的极性电容C13，负极与极性电容C10的正极相连接、正极与A/D转换器的其中一个输入端相连接的极性电容C11，以及正极与极性电容C13的正极相连接、负极与A/D转换器的另一个输入端相连接的极性电容C12组成；所述三极管VT的发射极接地。

5.根据权利要求4所述的用于自修复式光学动作捕捉设备的数据处理系统，其特征在于，所述差分放大器U为ADA4960-1集成芯片。

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