CN209297128U - 一种多传感器多通道信号同步采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多传感器多通道信号同步采集系统，包括至少两个信号采集通道组，同一信号采集通道组中具有至少两个信号采集通道，所述每个通道组均各自包括一个采集控制板，采集控制板用于控制各通道组内部各通道的信号同步采集。且所述系统包括一个主控板，所述主控板用于向各采集控制板发送同步采集启动信号，以控制并修正各通道组之间信号采集的同步。本实用新型可实现将下肢运动信号及肌电信号同步传输至计算机进行数据集成，并最终用于驱动人体下肢的肌肉‑骨骼生物力学模型，以及对人体下肢的运动姿态进行细致的描述和分析。

Description

一种多传感器多通道信号同步采集系统

技术领域

本实用新型属于传感器数据采集领域，具体涉及一种多传感器多通道信号同步采集同步控制电路系统。本实用新型可应用于使用运动传感器和表面肌肉电信号传感器这两种采样频率差异较大的传感器对人体下肢的数据进行同步采集。

背景技术

在微电子技术迅猛发展的今天，数据采集系统在很多领域中都发挥着十分重要的作用，比如在人体下肢的肌肉-骨骼生物力学模型的建立中，需要使用人体下肢的运动信号与肌电信号这两种数据来进行分析，由于两种数据的采集方式与采样频率都有显著的差异，这就要求数据采集系统需要分路对两种数据进行采集，同时，只有使用同一瞬时的运动数据与肌电数据组合才能有效地还原出真实的人体运动状况，因此需要大量实时性较高的信号进行相应的分析。综上，人体下肢肌肉-骨骼模型的建立对数据采集系统的准确度、可同时采样的数量、同步性能等方面都有很高的要求，所以需要更深入地对数据采集系统多通道、同步、高精度、抗干扰性能进行研究。这些问题也一直是数据采集系统研究的重点问题。传统的多通道采集往往使用多通道分时复用的方法，这样虽然可以实现对多个通道的实时采样，但是无法同时获得不同通道在同一时刻的测量值，并且还存在采集速率低的缺点。

实用新型内容

本实用新型旨在解决传统的多通道采集无法同时获得不同通道在同一时刻的测量值，并且还存在采集速率低的缺点。

为解决上述问题，本实用新型提出一种多传感器多通道信号同步采集系统，包括至少两个信号采集通道组，同一信号采集通道组中具有至少两个信号采集通道，不同信号采集通道组具有不同的采集频率，所述每个通道组均各自包括一个采集控制板，采集控制板用于控制各通道组内部各通道的信号同步采集；所述系统包括一个主控板，所述主控板用于向各采集控制板发送同步采集启动信号，以控制各通道组之间信号采集的同步。

根据本实用新型的优选实施方式，所述每个通道组中都有一个通道用于采集所述同步采集启动信号，该同步采集启动信号的采集结果被用于修正不同信号采集通道组之间的采集不同步。

根据本实用新型的优选实施方式，所述修正不同信号采集通道组之间的采集不同步的步骤为：检测不同信号采集通道组采集的同步采集启动信号的上升沿或下降沿的地址偏移，将该地址偏移除以采样率即得到需要修正的时间差。

根据本实用新型的优选实施方式，各信号采集通道组内的采样时钟通过时钟扇出电路发送给各信号采集通道。

根据本实用新型的优选实施方式，所述信号采集通道组为人体运动信号采集通道组和人体肌肉电信号采集通道组。

根据本实用新型的优选实施方式，每个采集通道均包括ADC采集芯片。

根据本实用新型的优选实施方式，人体运动信号采集通道组使用2个ADC采集芯片，其分别负责1个腰部传感器加3个左腿传感器，以及3个右腿传感器的数据采集。

根据本实用新型的优选实施方式，所述肌肉电信号通道组使用2块ADC采集芯片，各负责4个肌电传感器的数据采集。

根据本实用新型的优选实施方式，所述主控板包括主控芯片，采集控制板包括控制芯片。

根据本实用新型的优选实施方式，所述主控芯片和控制芯片通过WIFI模块发送信号。

本实用新型所提出的多传感器多通道信号同步采集系统可以弥补分时复用方法的不足，可以很好地应用于建模和运动分析中，并且对数据采集系统的研究也有比较重要的意义。

附图说明

图1是本实用新型的多传感器多通道信号同步采集系统的一个实施例的架构图；

图2为本实用新型的多传感器多通道信号同步采集系统的一个实施例的ADC时钟扇出电路分频示意图；

图3为本实用新型的多传感器多通道信号同步采集系统的一个实施例的不同通道组同步采集总体控制流程图；

图4为本实用新型的多传感器多通道信号同步采集系统的一个实施例的添加同步信号的采集方案示意图；

图5为本实用新型的多传感器多通道信号同步采集系统的一个实施例的不同通道组接收同步信号示意图；

图6为本实用新型的多传感器多通道信号同步采集系统的一个实施例的同步信号与正常数据采样示意图；

图7为本实用新型的多传感器多通道信号同步采集系统的一个实施例的多通道组间同步信号存储示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本明的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，本实用新型可以以各种形式实现，实施例并不是用于限制本实用新型的范围。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本实用新型。

本文中的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

通过使用运动传感器和肌肉电信号传感器组合起来的数据采集系统采集人体下肢在运动时的各项数据，能够对人体下肢的运动进行捕获，并且驱动肌肉-骨骼模型将运动实时重现。然而，用于采集数据的通道数很多，若不能够实现精确的同步采集，在通道与通道之间出现信号采集时间差，则会影响模型对运动的实时重现；另外，上述两种传感器采集数据时的采样频率差异在10倍左右，在同一时间段内所采集到的数据量本身就存在差异，若原封不动的传输至上位机进行分析，则会造成运动数据和肌肉电数据无法在时间上对齐的情况，同样会影响驱动人体模型的实时性。

因此，本实用新型针对上述问题，提出了一种多传感器多通道信号同步采集和传输的方法，根据传感器数量将所有通道分为多个通道组，一方面要实现通道组内部对于数据的同步采集，另一方面要实现不同通道组之间对于数据的同步采集以及向计算机端同步发送数据，与此同时，由于在真正的使用过程中，可能会面临许多意料之外的状况，本实用新型还提出了一种用于修正同步采集时间的方法，以最大化的实现同步采集的精确性。

本实用新型是一个多传感器多通道信号同步采集系统，系统包括至少两个信号采集通道组，同一信号采集通道组中具有至少两个信号采集通道。并且，通常来说，不同信号采集通道组具有不同的采样频率。

本实用新型为所述每个通道组均设置一个采集控制板，采集控制板用于控制各通道组内部各通道的信号同步采集；而系统包括一个主控板，所述主控板用于向各采集控制板发送同步采集启动信号，以控制各通道组之间信号采集的同步。所述每个通道组中都有一个通道用于采集所述同步采集启动信号，该同步采集启动信号的采集结果被用于修正不同信号采集通道组之间的采集不同步。所述修正不同信号采集通道组之间的采集不同步的步骤优选为：检测不同信号采集通道组采集的同步采集启动信号的上升沿或下降沿的地址偏移，将该地址偏移除以采样率即得到需要修正的时间差。

图1是本实用新型的多传感器多通道信号同步采集系统本系统的一个实施例的架构图。这里，我们以运动传感器和肌肉电信号传感器组成的包含15个通道的多传感器系统作为例子，运动传感器(由三轴加速度计、陀螺仪和磁力计组成)和肌肉电信号传感器(肌电传感器)组成，其分别用来实时测量和估计三维方位角以及肌肉的活动状况。它也可以估计三维位移、速度和加速度。但是，本实用新型所应用的传感器也可以包括超声、压力、温度等传感器，也可以使用更多的通道进行数据采集。

如图1所示，由于运动信号采集和肌电信号采集的采样频率有很大的差异，将这两种信号分为两个通道组进行采集，运动信号采集通道组内共有7个采集通道，2块ADC采集芯片(模数转换器，ADC1和ADC2)；肌电信号采集通道组内共有8个采集通道，2块ADC采集芯片(ADC3和ADC4)，每个通道组均由一块内核为STM32F103系列芯片的控制板进行控制，控制板上均设置了WIFI模块，同时，计算机端通过USB接口连接了一块内核为STM32F103系列芯片的主控板用于实现通过WIFI模块对两个通道组的控制板进行指令发送以及数据的接收，并且具备数据存储和通过窗口发送至计算机端的功能。

同一通道组内ADC采样时钟同步方案

运动信号和肌肉电信号采集通道组中，分别有7个通道和8个通道，两个通道组的采样频率不同，要实现通道组内的数据同步采集，就必须要实现通道组内的采样时间同步。该实施例中的运动信号采集通道组中使用2块ADC采集芯片，分别负责1个腰部传感器加3个左腿传感器，以及3个右腿传感器的数据采集，肌肉电信号通道组使用2块ADC采集芯片，各负责4个肌电传感器的数据采集。每片ADC都需要一路差分时钟，在电路工作中，使用同源时钟可能无法保证时钟的频率和相位不发生偏差，而如果采样时钟存在相位差会导致量化后的数据也会有相应的时间间隔，影响系统的同步，因此，需要选择合适的时钟扇出缓冲器来实现对视中的处理，如图2所示。本文中选用了MC100E210芯片实现时钟扇出的设计。该芯片最大输入频率为700MHz，远远大于本系统的时钟输入要求，它最大时钟偏斜为25ps，典型值为9ps，可以达到设计中对同步性能的要求。该设计可以很好的实现控制输出时钟的相位差问题，使每个通道组内的时钟信号几乎可以同相的从缓冲器输出。

不同通道组控制芯片采集启动和数据传输的同步实现

在本系统中，计算机通过WIFI模块向控制芯片发送启动采集的命令，控制芯片在接收到指令之后进入工作状态。针对不同通道组的两块控制芯片，要重点考虑如何让它们能同时接收采集启动的命令以实现两个通道组同时工作。如图3所示，计算机首先通过USB接口向主控芯片发送采集启动命令，由于每个控制芯片都有单独的地址，主控芯片接收到该命令之后通过WIFI模块向两个通道组的控制芯片发送命令，此时主控板上的WIFI模块为发送模式，两块控制板上的WIFI模块为接收模式，控制板接收到主控板发出的采集命令之后，向主控板发出一个准备就绪的信号，之后主控板和两个控制板同时转换WIFI模块状态，与此同时，主控芯片的系统计时器启动，每隔一段时间进入中断(这个时间可以通过两个通道组中较小的采样频率来确定)，在中断当中同时接收两个通道组采集到的数据，并发送至计算机。

同步修正方案

考虑到还有其他因素会影响同步性能，所以必须对采集的同步时间进行相应的修正，以实现本实用新型的要求。如图4所示，同步信号为主控芯片所发出的用于控制两个通道组的主控芯片共同采集的同步信号，下面两个为两个不同通道组的从控制芯片所接收到的该信号。因为该控制信号在传输过程有有一定延时，控制芯片1在主控芯片发送指令后Δt₁时间接受到了同步信号，控制芯片2在主控芯片发送指令后Δt₂时间接受到了同步信号，则接收到开始采集的时间存在|Δt₁-Δt₂|的时间差，所以这两个通道组在采集数据时也会存在相应的时间差，这就会导致两个通道组的采样数据不同步。所以，为了实现多通道同步采集，必须消除这个时间差的影响。在采集过程中，可以对每个通道组都选取一个通道用以采集同步信号，它的采集结果和其他通道采集的正常数据一同送往控制芯片进行后续处理，如图5所示，因为同一通道组内不存在启动时间对其的影响，因此对于不同的通道组来说，同步信号的时间差就应当与正常采集的数据的时间差相同，即图6中的Δt_d和Δt_s值相等。

也就是说，在采集过程中，不同通道组间采集启动不同步、不同通道组采样时钟不同步、不同通道组在数据通道上的传输时间不同等诸多因素导致的不同通道组间的不同步都可以通过对被测的同步信号存储的时间差体现出来。所以为了解决通道间不同步的情况，可以根据下面的方法进行对同步性能的修正：在系统采集正常信号的同时，每个通道组都选择一个通道采集同步数据，经对各通道组的该数据进行计算与分析可以得到其时间差Δt_s，并由Δt_s可以实现对Δt_d进行调整，从而可以完成整个采集模块15个通道的同步。为了测量不同通道组同步信号的时间差Δt_s，可以分别从软件和硬件进行讨论，以获得合理检测Δt_s的方法。

本实用新型使用软件的方法计算出Δt_s，如果不同通道组间存在不同步，那么两个通道组接收到的同步信号的上升沿位置就会存在差异，如图7所示。可以通过软件来实现检测不同通道组的同步信号的上升沿出现的位置，再根据地址的差异|ΔN|来计算出Δt_s。

使用该方法计算Δt_s的步骤如下：采集系统在采集正常信号的同时，每个通道组也会采集一路同步信号。同步信号和正常信号一样进行向计算机的传输，在传输完成后可以用软件来计算各个通道组的同步信号的上升沿的位置，并分别将采集运动信号和采集肌电信号的通道组命名为N₁、N₂。之后，以两个通道组中的一个为基点，这里可以用采集运动信号的通道组为基点，然后计算采集肌电信号通道组相对于采集运动信号通道组的地址偏移|ΔN₂|。那么在已知的系统采样率S₂的情况下，就可以算出偏移的时间Δt_s＝|ΔN₂|/S₂，然后再将采集肌电信号通道组的数据校正到参考通道组的位置即可，也就是加上或减去相应通道组的Δt_s。利用这种方法可以实现对通道组Δt_d的测量，最终实现整个采集系统的同步。

应当理解，为了精简本实用新型并帮助本领域的技术人员理解本实用新型的各个方面，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本实用新型解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。

应当理解，可以对本实用新型的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。

本实用新型的实施例中的模块、单元或组件可以以硬件方式实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本实用新型实施例。

Claims (10)

1.一种多传感器多通道信号同步采集系统，包括至少两个信号采集通道组，同一信号采集通道组中具有至少两个信号采集通道，其特征在于：

所述每个通道组均各自包括一个采集控制板，采集控制板用于控制各通道组内部各通道的信号同步采集；

所述系统包括一个主控板，所述主控板用于向各采集控制板发送同步采集启动信号，以控制各通道组之间信号采集的同步。

2.如权利要求1所述的多传感器多通道信号同步采集系统，其特征在于，所述每个通道组中都有一个通道用于采集所述同步采集启动信号，该同步采集启动信号的采集结果被用于修正不同信号采集通道组之间的采集不同步。

3.如权利要求2所述的多传感器多通道信号同步采集系统，其特征在于，所述修正不同信号采集通道组之间的采集不同步的步骤为：检测不同信号采集通道组采集的同步采集启动信号的上升沿或下降沿的地址偏移，将该地址偏移除以采样率即得到需要修正的时间差。

4.如权利要求1所述的多传感器多通道信号同步采集系统，其特征在于，各信号采集通道组内的采样时钟通过时钟扇出电路发送给各信号采集通道。

5.如权利要求1至4中任一项所述的多传感器多通道信号同步采集系统，其特征在于，所述信号采集通道组为人体运动信号采集通道组和人体肌肉电信号采集通道组。

6.如权利要求5所述的多传感器多通道信号同步采集系统，其特征在于，每个采集通道均包括ADC采集芯片。

7.如权利要求6所述的多传感器多通道信号同步采集系统，其特征在于，人体运动信号采集通道组使用2个ADC采集芯片，其分别负责1个腰部传感器加3个左腿传感器，以及3个右腿传感器的数据采集。

8.如权利要求6所述的多传感器多通道信号同步采集系统，其特征在于，所述肌肉电信号通道组使用2块ADC采集芯片，各负责4个肌电传感器的数据采集。

9.如权利要求1所述的多传感器多通道信号同步采集系统，其特征在于，所述主控板包括主控芯片，采集控制板包括控制芯片。

10.如权利要求9所述的多传感器多通道信号同步采集系统，其特征在于，所述主控芯片和控制芯片通过WIFI模块发送信号。