摘 要： 對空間動態信息捕捉系統的同步控制技術進行了設計和研究，利用電磁信號的發射和接收實現了無線同步控制。
關鍵詞： 單片機  線陣CCD  多點探測  同步控制

　　空間動態信息捕捉系統是實現活動目標空間多點三維位置信息的獲取、各信息的實時采集和傳輸的設備。目前常用的三維坐標探測主要有機械式、聲學式、電磁式和光學式，其中以電磁式和光學式最為常見。本文研制的系統利用光電信號采集裝置，探測安裝在目標各個部位上的發光裝置，將各個發光點的空間坐標信息經過采集、信號傳輸、信息預處理后，傳送到計算機再進行處理。由于光具有不可穿透性，為了保證在各個角度都能獲取每個發光點的信號，分別在探測空間安裝了如圖1所示的四個采集設備，圖中模塊1～4表示四個接收設備。

　　該系統由發光控制模塊、采集設備、數據傳輸轉接器和主控計算機等部分組成。系統中，各個發光點是按順序分時工作的，每個發光點在發光時必須保證各個采集模塊都能同時獲取信息，否則各個點的位置信息會發生位置混亂，無法實現多采集模塊的信息融合。因此各個點的發光時刻必須與多個采集模塊嚴格同步。同步控制在該探測裝置的設計中是至關重要的，關系到坐標數據的準確、穩定。
1  同步工作原理
　　本系統的采集設備和發光控制模塊是系統的核心組成部分。采集設備由四個采集模塊組成：一個主控采集模塊和三個輔采集模塊。圖2是本文研制的一個采集模塊，有三個探頭：左右二個探頭探測發光點的水平坐標，中間的探頭探測縱向坐標。每個探測頭由一個線陣CCD實現數據采集。線陣CCD的每一個掃描周期只能采集一個發光點數據。如果一個掃描周期內采集二個以上的發光點數據，就會出現數據重疊或位置混亂，使得系統無法識別發光點原來的順序。為了使系統能實現多點數據采集，而且不發生發光點順序混亂，可采取由多個掃描周期組成一個完整的數據幀，每個發光點按固定順序發光，每個掃描周期只采集一個對應該周期發光的發光點。

　　當系統工作時，主控制采集模塊首先發射這個被測點的編碼信號，并啟動掃描電路采集信號。當發光模塊收到這個編碼信號時，發光模塊的單片機就控制相應編碼的發光點發光；同時，輔采集模塊也收到這個編碼信號，啟動掃描電路采集信號。主控制采集模塊依次地發射相應發光點的編碼信號，從而實現了多個采集模塊采集多點數據。
2  同步格式及時序設計
　　對于多點的探測實際是一種串行檢測，每一時刻只檢測一個點。檢測速度由探頭中線性CCD的掃描速度決定，線陣CCD每掃描一次可以檢測到一個點的數據。為了實現虛擬環境中的實時動態效果，要求對多點檢測的完整數據周期不大于40ms，即每秒24幅畫面。因此對于所檢測空間點數的多少受線陣CCD掃描速度限制。本文采用的線陣CCD掃描一次的時間是1.2ms，因此最多檢測30個點就可以得到連續的畫面。對于人體運動姿態建模，在該項研究中需要26個點就可以進行較好的描述。因此該探測裝置可以25幅/s的檢測速度較好地進行人體運動姿態的空間三維數據采集。
　　該系統的同步控制主要包括主控采集模塊與人體攜帶的發光控制模塊之間和多個采集模塊之間的同步控制。為了不影響表演者的行動，被檢測的多點發光控制模塊與主控采集設備之間采用了無線同步控制。由于多個采集模塊之間距離較遠，很難采用統一時鐘實現同步采集，所以采集模塊之間采用串行編碼準同步控制。各個采集模塊之間可以采用485接口或無線設備實現控制。采集設備與計算機之間通過USB接口實現數據通信。設備接入既可以采用有線連接也可以使用無線USB連接。若使用USB1.0有線接入并借助線驅動器，則可以實現15m的可靠數據傳輸。其數據格式定義如下：(1)USB傳送數據格式。USB傳送采用一個64字節和一個128字節的數據包實現，實際傳送160個字節。第一個數據包傳60個字節，第二個數據包傳100個字節。每10個字節為一組，含有2個數據點。一次最多傳送32個點坐標，每個點由3個數據組成。(2)鎖存器數據格式。鎖存器數據共有10個字節，其中：前9個字節表示6個12位的數據，最后1個字節用其中的6位表示這6個數據的有效性。(3)圖像數據幀格式。一個掃描周期約1.2ms，每幀數據由29個掃描周期組成。其中，第1和第2個周期為同步信息，第3～28周期依次為接收到的位置信息及信號有效標志，第29周期為結束。每個數據由雙字節組成，低位在前，數據最高位為數據有效標志（一幀共有26×3個數據)。(4)控制時序。系統同步控制主要包括三部分：①采集模塊三個線陣CCD掃描時序的同步；②四個采集模塊之間的掃描同步；③發光點發光時刻的同步。實現同步的最好辦法是使用統一時鐘。但是，一方面，由于監測對象與采集模塊之間無連線，所以無法使用統一時鐘；另一方面，各個采集模塊之間距離較遠，實現起來也比較困難。
　　通過分析發現，并不需要在時序、相位上完全同步。只要滿足發光點在掃描周期內發光，不發生在相鄰的掃描周期內就能滿足系統要求。為保證每個數據幀的完整，每個數據幀設有一個同步字。同時，使線陣CCD實現可控的間斷掃描，但停頓時間盡可能短，以保證線陣CCD增益的均衡。
　　該系統工作時，其四個采集模塊和發光控制器同步動作。其中一個采集模塊為主接收機，起主控制器作用；其他三個采集模塊為輔接收機，隨主接收機同步采集數據。同時，發光控制器按主接收機的時序控制發光點順序發光。每幀數據由29個掃描周期組成，每幀數據由一個同步字進行控制，而且每個掃描周期由信號邊沿實現同步觸發。同步控制時序見圖3，其中1～29表示線陣CCD的掃描周期。

3  硬件設計
　　采集設備的各個模塊采用基本相同的結構，圖4是主控采集模塊的方框圖，主控采集模塊與輔采集模塊之間只相差一個無線發射電路。傳感器使用線陣CCD。線陣CCD的數據采集和掃描控制電路利用一片EPM7160和具有USB接口的單片機EZ-USB AN2131設計實現。EPM7160可以同時控制和采集三個線陣CCD。其工作過程是：單片機首先通過無線通道和有線通道發出同步控制脈沖編碼，并啟動線陣CCD掃描電路；發光點的數據被采集后，直接通過EPM7160內的硬件鎖存器保存；線陣CCD掃描周期結束時，發出中斷信號給單片機，由單片機讀取數據，然后發送下個同步控制脈沖編碼，重新開始掃描。當數據滿足一個完整數據幀時，單片機通過USB接口將數據傳送給主控計算機。

　　系統對于無線電磁波發射和接收電路要求可靠性高、抗干擾性強、傳送速率大于20KHz。由于采用金屬外殼，需要外接天線匹配。
　　發光控制模塊采用單片機89C2051，發光驅動電路選用ULN2003A，無線接收電路使用標準的接收模塊。發光控制模塊接收到無線電編碼信號后，由單片機進行識別，并控制相應編碼點發光。該控制電路可控制32個發光點。
4  軟件設計
　　在硬件設計過程中，為了開發方便，選用具有51指令集的單片機。使用Keilc51作為工具，完成發光模塊和采集模塊的固件程序的開發。
　　發光模塊程序比較簡單，采用匯編軟件實現。使用單片機串行口接收同步控制編碼，解碼后控制相應發光點發光。
　　在采集模塊控制程序中，掃描周期長度是由硬件決定的，因此它采用實時性的外中斷方式進行數據接收。在中斷程序中每次讀取三個線陣CCD的6個數據，共9個字節。將接收到的字節存放在預先設定的USB緩沖區內，當接收到數據幀結束標志后，即發送數據給主控計算機。數據發送過程由AN2131的USB內核自動完成。
　　使用單片機串行口0實現同步控制，設置單片機的串行口采用方式3通信；通信的數據格式為每幀11位，包括1位起始位、8位數據位、1位奇偶校驗位和1位停止位；片內定時器T2作為波特率發生器，選擇傳送的波特率為9 600bps，定時器T2的初值應設置為TL2=B2H，TH2=FFH。另外應禁止定時器T2中斷，以免因定時器T2溢出而產生不必要的中斷。定時器T1用來控制同步脈沖的寬度，根據無線通信模塊性能對定時器T1進行相應的設置。采集模塊控制程序的流程如圖5所示。

　　本文研制的空間動態信息捕捉系統按照線陣CCD的掃描時序同步控制四個采集模塊和發光控制模塊實現數據采集。實驗證明，在區域為3m×6m時，能夠可靠地實現數據幀同步采集，每個掃描周期同步誤差小于20μs。采集26個點數據時，其采集速度達到27幀/s以上。
參考文獻
1   宋萬杰，羅豐，吳順君.CPLD技術及其應用.西安：西安電子科技大學出版社，1999
2   王慶有.CCD應用技術.天津：天津大學出版社，2002