本发明公开了一种多通道混合信号采集系统，其应用于上肢康复机器人。多通道混合信号采集系统包括多路数据采集模块、多路数据处理模块、多路数据传输模块。多路数据采集模块采集多路模拟量数字量传感器的数据；多路数据处理模块对采集数据进行电压值的换算，电压值与角度值的换算，电压值与压力值的换算；多路数据传输模块自定义协议组包和数据发送。多路数据采集模块包括三类数值采集单元。多路数据处理模块包括采集值转换成电压值单元、电压值转换成角度值单元、电压值转换成压力值单元、字符串数据解析单元、多圈传感器值转换成实际关节角度值单元。多路数据传输模块包括自定义协议组包单元、数据填充发送单元、UART通信单元。
1.一种多通道混合信号采集系统，其应用于上肢康复机器人，包括多路数据采集模块、多路数据处理模块、多路数据传输模块；所述上肢康复机器人具有角度传感器和压力传感器；其特征在于：所述角度传感器包括单圈角度传感器、多圈角度传感器、压力传感器；
所述多路数据采集模块包括单圈角度传感器数值采集单元、压力传感器数值采集单元、多圈角度传感器数值采集单元；所述单圈角度传感器数值采集单元读取所述单圈角度传感器的采样值；所述压力传感器数值采集单元读取所述压力传感器的采样值；所述多圈角度传感器数值采集单元读取所述多圈角度传感器的采样值；
所述多路数据处理模块包括采集值转换成电压值单元、电压值转换成角度值单元、电压值转换成压力值单元、字符串数据解析单元、多圈传感器值转换成实际关节角度值单元；
所述采集值转换成电压值单元通过所述单圈角度传感器数值采集单元将所述单圈角度传感器的采样值转换成采样点实际对应的电压值一，其还通过所述压力传感器数值采集单元将所述压力传感器的采样值转换成采样点实际对应的电压值二；所述电压值转换成角度值单元通过采用在所述采集值转换成电压值单元中获取的采样点实际对应的电压值一，根据所述单圈角度传感器的自身参数将采样点实际对应的电压值一转换成所述上肢康复机器人的上肢关节转动的角度；所述电压值转换成压力值单元通过采用在所述采集值转换成电压值单元中获取的采样点实际对应的电压值二，根据所述压力传感器的自身参数将采样点实际对应的电压值二转换成所述上肢康复机器人的手部施加的握力；所述字符串数据解析单元通过读取所述多圈角度传感器数值采集单元中获得的所述多圈角度传感器的采样值，根据所述多圈角度传感器的数据协议解析出所述多圈传感器的转轴的实际转动圈数数据和不满一圈时的角度数据；所述多圈传感器值转换成实际关节角度值单元通过所述字符串数据解析单元中得到的实际转动圈数数据和不满一圈时的角度数据，与所述上肢康复机器人的齿轮传动比结合，换算成实际采样时刻关节的实际转动位置；
所述多路数据传输模块包括自定义协议组包单元、数据填充发送单元、UART通信单元；
所述自定义协议组包单元实现数组的组包；所述数据填充发送单元将所述多路数据处理模块中获得的对应传感器及其数据，放在所述自定义协议组包单元的数据区的编码和数据位置，并将相应数据的帧数据交由所述UART通信单元发送。
2.如权利要求1所述的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述自定义协议组包单元按照帧头_数据长度_数据区_帧校验_帧尾的数据帧格式，进行数组的组包。
3.如权利要求2所述的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述数据区为编码+数据的数据帧格式。
4.如权利要求1所述的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述数据填充发送单元相应数据的帧数据发送到一个串口的发送寄存器，所述UART通信单元将所述发送寄存器的数值通过所述串口发送。
5.如权利要求4所述的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述单圈角度传感器数值采集单元通过SPI协议，从AD芯片中读取所述单圈角度传感器的采样值。
6.如权利要求5所述的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述压力传感器数值采集单元通过SPI协议，从AD芯片中读取所述压力传感器的采样值。
7.如权利要求6所述的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述多圈角度传感器数值采集单元通过UART协议，读取所述多圈角度传感器的采样值。
8.如权利要求7所述的多通道混合信号采集系统，其特征在于：
步骤S101、系统上电之后，将系统初始化一下，初始化部分包括通信接口的初始化，各模块初始化及寄存器的初始化；
步骤S102、初始化完成之后，系统进入循环扫描阶段，直到扫描到SPI或者UART2通信中断标志位，进入通信中断处理程序；
步骤S103、判断是SPI通信中断标志位，进入主控制程序中的SPI通信中断处理程序，再执行步骤S105，读取SPI总线传输的数据，数据读取完成设置标志位成默认状态，此时读取的数据是模拟量传感器输出数据的转换值；
步骤S104、判断是UART2通信中断标志位，进入主控制程序中的UART2通信中断程序，再执行步骤S106，读取UART2总线传输的数据，读取完成后设置标志位成默认状态，此时读取的数据是包含多圈传感器转动圈数和不足一圈时的角度数据的字符串；
步骤S107、接收完通信总线传输的数据后，主控制程序将存储的传感器数据发送至多路数据处理模块，供所述多路数据处理模块对采集的数据做进一步的处理；
步骤S108、所述多路数据处理模块处理完成后，主控制程序将处理后的数据发送至所述多路数据传输模块，供所述多路数据传输模块组包使用；
步骤S109、组包数据发送至主控制程序的串口驱动中的发送寄存器中，发送给上位机。
9.如权利要求8所述的多通道混合信号采集系统，其特征在于：步骤S107之后，执行步骤S1071，判断数据处理是否完成，完成则执行步骤S108，否则返回步骤S107。
10.如权利要求8所述的多通道混合信号采集系统，其特征在于：步骤S108之后，执行步骤S1081，判断数据是否发送至寄存器，是则执行步骤S109，否则返回步骤S108。
一种多通道混合信号采集系统
技术领域
[0001] 本发明涉及医疗领域中的一种信号采集系统，具体是一种多通道混合信号采集系统。
背景技术
[0002] 对于上肢康复机器人领域，国内尚处于起步研发阶段，产品主要分布在纯机械结构领域和带数据采集系统的半自动化和自动化领域。对应的纯机械结构产品调动不了患者参与的主动积极性；对应带数据采集系统的产品往往采用的是专用的数据采集装置，需要定制且不具有普遍性和通用性，数据采集系统也相应的需要根据数据采集装置进行定制。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种多通道混合信号采集系统，其考虑到了上肢康复机器人中需要对运动学信号、力学信号进行采集，并且采用的是通用的采集装置，采集装置的输出数据类型可以是模拟量也可以是数字量。
[0004] 本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：一种多通道混合信号采集系统，其应用于上肢康复机器人，所述上肢康复机器人具有单圈角度传感器、多圈角度传感器、压力传感器；所述多通道混合信号采集系统包括多路数据采集模块、多路数据处理模块、多路数据传输模块；
[0005] 所述多路数据采集模块包括单圈角度传感器数值采集单元、压力传感器数值采集单元、多圈角度传感器数值采集单元；所述单圈角度传感器数值采集单元读取所述单圈角度传感器的采样值；所述压力传感器数值采集单元读取所述压力传感器的采样值；所述多圈角度传感器数值采集单元读取所述多圈角度传感器的采样值；
[0006] 所述多路数据处理模块包括采集值转换成电压值单元、电压值转换成角度值单元、电压值转换成压力值单元、字符串数据解析单元、多圈传感器值转换成实际关节角度值单元；所述采集值转换成电压值单元通过所述单圈角度传感器数值采集单元将所述单圈角度传感器的采样值转换成采样点实际对应的电压值一，其还通过所述压力传感器数值采集单元将所述压力传感器的采样值转换成采样点实际对应的电压值二；所述电压值转换成角度值单元通过采用在所述采集值转换成电压值单元中获取的采样点实际对应的电压值一，根据所述单圈角度传感器的自身参数将采样点实际对应的电压值一转换成所述上肢康复机器人的上肢关节转动的角度；所述电压值转换成压力值单元通过采用在所述采集值转换成电压值单元中获取的采样点实际对应的电压值二，根据所述压力传感器的自身参数将采样点实际对应的电压值二转换成所述上肢康复机器人的手部施加的握力；所述字符串数据解析单元通过读取所述多圈角度传感器数值采集单元中获得的所述多圈角度传感器的采样值，根据所述多圈角度传感器的数据协议解析出所述多圈传感器的转轴的实际转动圈数数据和不满一圈时的角度数据；所述多圈传感器值转换成实际关节角度值单元通过所述字符串数据解析单元中得到的实际转动圈数数据和不满一圈时的角度数据，与所述上肢康复机器人的齿轮传动比结合，换算成实际采样时刻关节的实际转动位置；
[0007] 所述多路数据传输模块包括自定义协议组包单元、数据填充发送单元、UART通信单元；所述自定义协议组包单元实现数组的组包；所述数据填充发送单元将所述多路数据处理模块中获得的对应传感器及其数据，放在所述自定义协议组包单元的数据区的编码和数据位置，并将相应数据的帧数据交由所述UART通信单元发送。
[0008] 作为上述方案的进一步改进，所述自定义协议组包单元按照帧头_数据长度_数据区_帧校验_帧尾的数据帧格式，进行数组的组包。
[0009] 进一步地，所述数据区为编码+数据的数据帧格式。
[0010] 作为上述方案的进一步改进，所述数据填充发送单元相应数据的帧数据发送到一个串口的发送寄存器，所述标准UART通信单元将所述发送寄存器的数值通过所述串口发送。
[0011] 进一步地，所述单圈角度传感器数值采集单元通过SPI协议，从AD芯片中读取所述单圈角度传感器的采样值。
[0012] 再进一步地，所述压力传感器数值采集单元通过SPI协议，从AD芯片中读取所述压力传感器的采样值。
[0013] 优选地，所述多圈角度传感器数值采集单元通过UART协议，读取所述多圈角度传感器的采样值。
[0014] 再优选地，步骤S101、系统上电之后，将系统初始化一下，初始化部分包括通信接口的初始化，各模块初始化及寄存器的初始化；
[0015] 步骤S102、初始化完成之后，系统进入循环扫描阶段，直到扫描到SPI或者UART2通信中断标志位，进入通信中断处理程序；
[0016] 步骤S103、判断是SPI通信中断标志位，进入主控制程序中的SPI通信中断处理程序，再执行步骤S105，读取SPI总线传输的数据，数据读取完成设置标志位成默认状态，此时读取的数据是模拟量传感器输出数据的转换值；
[0017] 步骤S104、判断是UART2通信中断标志位，进入主控制程序中的UART2通信中断程序，再执行步骤S106，读取UART2总线传输的数据，读取完成后设置标志位成默认状态，此时读取的数据是包含多圈传感器转动圈数和不足一圈时的角度数据的字符串；
[0018] 步骤S107、接收完通信总线传输的数据后，主控制程序将存储的传感器数据发送至多路数据处理模块，供所述多路数据处理模块对采集的数据做进一步的处理；
[0019] 步骤S109、所述多路数据处理模块处理完成后，主控制程序将处理后的数据发送至所述多路数据传输模块，供所述多路数据传输模块组包使用；
[0020] 步骤S111、组包数据发送至主控制程序的串口驱动中的发送寄存器中，发送给上位机。
[0021] 再优选地，步骤S107之后，执行步骤S108，判断数据处理是否完成，完成则执行步骤S109，否则返回步骤S107。
[0022] 再优选地，步骤S109之后，执行步骤S110，判断数据是否发送至寄存器，是则执行步骤S111，否则返回步骤S109。
[0023] 本发明的多通道混合信号采集系统用于解决上肢康复机器人的关节运动及手部握力数据的采集、处理及传输，针对上肢康复机器人的上肢全自由度数据及手部压力数据进行信号采集，可以用于全模拟量的数据采集，也可以用于模拟量和数据量混合的数据采集，采集信号包括运动学信号和力学信号，在采用通用型采集装置时，通过本发明的多通道混合信号采集系统也可以在上位机上真实的还原上肢运动。
附图说明
[0024] 图1为本发明的多通道混合信号采集系统的框图。
[0025] 图2为图1中多通道混合信号采集系统的运行及数据流向的流程图。
具体实施方式
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027] 本发明的多通道混合信号采集系统应用于上肢康复机器人，上肢康复机器人具有单圈角度传感器、多圈角度传感器、压力传感器，单圈角度传感器检测上肢康复机器人的上肢关节转动的角度，多圈角度传感器检测上肢康复机器人的手部施加的握力，压力传感器检测上肢康复机器人的转轴的实际转动圈数数据和不满一圈时的角度数据，也即是本发明的多通道混合信号采集系统针对上肢康复机器人的上肢全自由度数据及手部压力数据进行信号采集。
[0028] 请参阅图1，本发明的多通道混合信号采集系统包括多路数据采集模块11、多路数据处理模块12、多路数据传输模块13。多路数据采集模块11用于采集多路模拟量数字量传感器的数据；多路数据处理模块12用于采集数据域电压值的换算，电压值与角度值的换算，电压值与压力值的换算；多路数据传输模块13用于自定义协议组包和数据发送。
[0029] 多通道混合信号采集系统可设置主控制模块2控制多路混合数据采集系统运行及数据流向：驱动并协调多路数据采集模块11、多路数据处理模块12、多路数据传输模块13。主控制模块2控制多路数据采集模块11的通信，数据存储，进一步将采集数据输送至多路数据处理模12块进行数据处理，输送至多路数据传输模块13进行数据的组包发送。多通道混合信号采集系统也可以通过上肢康复机器人的处理器驱动协调多路数据采集模块11、多路数据处理模块12、多路数据传输模块13。
[0030] 多路数据采集模块11采集的数据可以是模拟传感器输出通过模拟量数字量转换之后的数据，具体可以是上肢康复机器人设备上所需要的角度传感器，压力传感器等，也可以是数字传感器输出能通过标准串口通信协议采集的数据，具体可以是针对特定关节处的多圈传感器数据等。多路数据采集模块11包括单圈角度传感器数值采集单元110、压力传感器数值采集单元111、多圈角度传感器数值采集单元112。
[0031] 单圈角度传感器数值采集单元110读取所述单圈角度传感器的采样值，如单圈角度传感器数值采集单元110通过SPI协议，从AD芯片中读取所述单圈角度传感器的采样值。压力传感器数值采集单元111读取所述压力传感器的采样值，如压力传感器数值采集单元
11通过SPI协议，从AD芯片中读取所述压力传感器的采样值；多圈角度传感器数值采集单元
112读取所述多圈角度传感器的采样值，如多圈角度传感器数值采集单元112通过UART协议，读取所述多圈角度传感器的采样值。
[0032] 多路数据处理模块12在主控制模块2的调度下，读取并辨识采集的数据与对应的传感器的类型及对应的关节位置，进一步将模拟量传感器的数据根据采用的AD转换芯片的配置参数转换成采集点处的实际电压值，根据传感器的类型及配置参数将实际电压值转换成对应关节实际转动的角度值和压力值；将接收到的数字量传感器输出的字符串信息解析成圈数和不满足一圈的角度值，利用对应关节处的传动比换算成关节的实际转动角度。多路数据处理模块12包括采集值转换成电压值单元121、电压值转换成角度值单元122、电压值转换成压力值单元123、字符串数据解析单元124、多圈传感器值转换成实际关节角度值单元125。
[0033] 采集值转换成电压值单元121通过单圈角度传感器数值采集单元110将所述单圈角度传感器的采样值转换成采样点实际对应的电压值一，其还通过压力传感器数值采集单元111将所述压力传感器的采样值转换成采样点实际对应的电压值二；电压值转换成角度值单元122通过采用在采集值转换成电压值单元121中获取的采样点实际对应的电压值一，根据所述单圈角度传感器的自身参数将采样点实际对应的电压值一转换成所述上肢康复机器人的上肢关节转动的角度；电压值转换成压力值单元123通过采用在采集值转换成电压值单元121中获取的采样点实际对应的电压值二，根据所述压力传感器的自身参数将采样点实际对应的电压值二转换成所述上肢康复机器人的手部施加的握力；字符串数据解析单元124通过读取多圈角度传感器数值采集单元112中获得的所述多圈角度传感器的采样值，根据所述多圈角度传感器的数据协议解析出所述多圈传感器的转轴的实际转动圈数数据和不满一圈时的角度数据；多圈传感器值转换成实际关节角度值单元125通过字符串数据解析单元124中得到的实际转动圈数数据和不满一圈时的角度数据，与所述上肢康复机器人的齿轮传动比结合，换算成实际采样时刻关节的实际转动位置。
[0034] 多路数据传输模块13根据自定义协议组建数据帧格式按照帧头_数据长度_数据区(编码+数据)_帧校验_帧尾的形式进行数据存储，在主控制模块2的调度下将对应关节处传感器的编码和数据放到上述数据帧的数据区中，在主控制模块2的调度将数据帧数据通过串口输送到上位机。多路数据传输模块13包括自定义协议组包单元131、数据填充发送单元132、UART通信单元133。
[0035] 自定义协议组包单元131实现数组的组包；数据填充发送单元132将多路数据处理模块12中获得的对应传感器及其数据，放在自定义协议组包单元131的数据区的编码和数据位置，并将相应数据的帧数据交由UART通信单元发送133。
[0036] 自定义协议组包单元131按照帧头_数据长度_数据区(编码+数据)_帧校验_帧尾的数据帧格式，进行数组的组包。数据填充发送单元132相应数据的帧数据发送到一个串口的发送寄存器，标准UART通信单元133将所述发送寄存器的数值通过所述串口发送。
[0037] 请结合图2，其为主控制模块2控制多路混合数据采集系统运行及数据流向的流程图。如图2所示，系统上电之后，主控制模块2会先将系统初始化一下(步骤S101)，初始化部分包括通信接口的初始化，模块初始化及寄存器的初始化。
[0038] 初始化完成之后，系统进入循环扫描阶段(步骤S102)，直到扫描到SPI或者UART2通信中断标志位(步骤S103，或者步骤S104：Y)，进入通信中断处理程序。
[0039] 判断是SPI通信中断标志位，进入主控制程序中的SPI通信中断处理程序，读取SPI总线传输的数据(步骤S105)，数据读取完成设置标志位成默认状态，此时读取的数据是模拟量传感器输出数据的转换值。
[0040] 判断是UART2通信中断标志位，进入主控制程序中的UART2通信中断程序，读取UART2总线传输的数据(步骤S106)，读取完成后设置标志位成默认状态，此时读取的数据是包含多圈传感器转动圈数和不足一圈时的角度数据的字符串。
[0041] 接收完通信总线传输的数据后，主控制程序将存储的传感器数据发送至多路数据处理模块(步骤S107)，供该模块对采集的数据做进一步的处理。
[0042] 数据处理模块处理完成后，主控制程序将处理后的数据发送至多路数据发送模块(步骤S109)，供该模块组包使用，组包数据发送至主控制程序的串口驱动中的发送寄存器中，发送给上位机。
[0043] 本发明的多通道混合信号采集系统针对上肢康复机器人的上肢全自由度数据及手部压力数据进行采集，可以用于全模拟量的数据采集，也可以用于模拟量和数据量混合的数据采集，采集信号包括运动学信号和力学信号，并且采集装置是通用型装置，通过本发明的多通道混合信号采集系统可以在上位机上真实的还原上肢运动。
[0044] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
