CN208158599U - 一种多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置和*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置和***，该装置包括：多数据无线采集终端，该采集终端包括：无线通信单元；多通道人机交互和人‑机‑环境数据无线采集单元，其通过无线通信单元接收来自多个外部装置的数据包，其中，所述多数据无线采集单元所接收的数据包中含有数据包编号和采样率信息；时间基连接接口，其用于连接时间基，获取时间基标准时间；时间戳处理单元，其基于通过时间基连接接口获得的时间基标准时间对数据包进行扩展，以打上时间戳。本实用新型可以将不同设备的数据在同一时间轴上进行对齐，同时外部设备与同步装置进行互相询问确定基准时间，保证时间的准确性。

Description

一种多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置和***

技术领域

本实用新型涉及人机工效学领域，特别涉及一种多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置和***。

背景技术

任何***或机器，即使是最自动化的，其使用和保障总是要直接或间接地通过人在一定的环境条件下完成的，因此为了使***或机器具有良好的保障性、适用性和最大化发挥其效能，必须考虑人的因素，使人、机、环境协同工作，相互适应。

在人因工程相关研究领域，早期研究较多关于人机交互过程中机的性能，忽视人的主动性研究。即使考虑到人因的影响，研究方法多为传统的经典心理学研究参数的采集，如反应时数据采集、感知觉数据采集、量表数据采集等，通过数据的采集，人的行为结果进行观察比对与分析。

新的学科技术的发展，如虚拟仿真技术、生物医学工程技术、计算机技术以及云计算、大数据、人工智能、认知神经科学技术等，促使人因研究领域的数据研究方法越来越凸显出它的不足。主要表现在两个方面：1、传统方法的单一化与非***性。如反应时只能够测试采集个体的行为反应，但无法判断个体为何做出如此反应，即无法进一步确定个体的深入加工特点以及认知加工***过程，采集数据单一；2、现代方法数据采集与分析较为平面，多维数据同步呈现方面，自动化同步不完全，无法实现时间与事件、刺激、多通道信号信息的同一呈现与分析。

实用新型内容

鉴于如上现有技术，本实用新型的目的在于提供一种多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置和***，以精准实现多种数据的同步。

本实用新型的技术方案如下：

一种多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置，其包括：

多数据无线采集终端，该采集终端包括：

无线通信单元；

多数据无线采集单元，其通过无线通信单元接收来自多个外部装置的数据包，其中，所述多数据无线采集单元所接收的数据包中含有数据包编号和采样率信息；

时间基连接接口，其用于连接时间基，获取时间基标准时间；

时间戳处理单元，其基于通过时间基连接接口获得的时间基标准时间对数据包进行扩展，以打上时间戳。

优选地，所述外部装置至少包括无线传感器。

优选地，所述装置还包括：所述时间基。

优选地，所述装置还包括：同步处理单元，其基于扩展的数据包中的时间基标准时间、数据包编号和采样率信息将来自多个外部装置的数据包对齐到同一时间轴。

优选地，所述外部装置至少包括无线传感器。

优选地，所述装置还包括所述装置还包括：耳机接口，其用于接收声音事件标记；和/或光电传感接口，其连接所述同步处理单元，由所述同步处理单元基于预设的光阈值对所述光电传感接口输入的光信号采集光刺激事件。

优选地，所述多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置还包括连接所述同步处理单元的晶体管-晶体管逻辑电平TTL打标输入接口，用于接收事件标签；

所述多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置还包括连接所述同步处理单元的TTL打标输出接口，用于输出事件标签。

本实用新型还一种包括如上所述的多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置的人机环境同步***。

本实用新型提供的基于多数据同步组合的人机环境同步平台可以将不同设备的数据在同一时间轴上进行对齐，同时外部装置与同步平台进行互相询问确定基准时间，保证时间的准确性。

针对不同采样率的设备，本实用新型根据不同采样率的数据包在不同时间轴上画点的方式进行数据在时间轴上的对齐，并且通过基准时间获取装置可将每一个点的坐标进行时间数据量化，并与基准时间获取装置的时间数据相对应，保证数据在时间轴上的精准对齐，对促进心理学研究领域有重大意义。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本实用新型所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本实用新型更多的目的、功能和优点将通过本实用新型实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为本实用新型一实施例中多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置***的示意性框图。

图2为本实用新型另一实施例中多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置***的示意性框图。

图3示意性示出本实用新型一实施例中基准时间获取装置的结构示意图。

图4示意性示出本实用新型一实施例中无线采集终端的结构示意图。

图5示意性示出本实用新型一实施例中数据同步平台的结构示意图。

图6示意性示出本实用新型一实施例中数据同步平台的背面结构示意图。

图7为外部装置重置时钟流程示意图。

图8为需同步参数时钟的同步过程示意图。

图9为数据同步平台执行一个同步指令后的时间往返示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本实用新型的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本实用新型并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本实用新型的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本实用新型一实施例提供一种多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置***，如图1所示，其可以包括：基准时间获取装置10、多数据无线采集终端30和数据同步处理器40。

基准时间获取装置10也称为时间基，是用于获取数据同步基准时钟 (或称时间基标准时间)的硬件设备，其可以提供精准的基准时钟，该基准时钟可以是国际标准时间。基准时间获取装置可以通过GPS或移动通信网络(如3G/4G/5G)获取基准时钟。图3为基准时间获取装置10的结构示意图，其可包括GPS模块(未示出)和移动通信模块(未示出)。此外，还可以包括USB接口11、线缆12、GPS窗口13、RGB全彩信号指示灯 14、外壳体15和SIM卡插槽16等。基准时间获取装置10经由GPS模块或移动通信模块相应通过GPS或通过3G/4G/5G网络获取国际标准时间。当基准时间获取装置10通过USB接口11接入设备(如多数据无线采集终端30和/或数据同步处理器40等)时，基准时间获取装置10内置的GPS 模块优先启动，开启搜索卫星步骤，特定时间(如45秒)内搜索到卫星后，默认以GPS的模式进行国际标准时间获取，此时RGB全彩信号指示灯14 的颜色例如显示为绿色；若特定时间(45秒)内没有搜到卫星，GPS连接不成功，自动切换3G/4G/5G网络，网络制式取决于SIM卡支持的网络类型。切换到3G/4G/5G网络后自动联网在时间服务器网站获取当前时间作为基准时间，此时RGB全彩信号指示灯14的颜色例如显示为蓝色或红色。在此，时间45秒仅为示例，亦可设置为其它数值。如上示出的基准时间获取装置10的外部结构仅为示例，在不脱离本实用新型的精神的情况下，还可以有更多或更少的部件。

在图1所示的***中，多数据无线采集终端(简称无线采集终端)30 用于接收来自多个无线传感器20的数据包，对数据包进行扩展，即将接收到的每个数据包加上从基准时间获取装置获得的、数据包到达时的时间基标准时间(如国际标准时间)，并传送至数据同步处理器40。本实用新型实施例中，多数据无线采集终端是指一对多接收无线传感器的数据的终端，其作为一个接收端可以采集多个无线传感器的数据。作为示例，多数据无线采集终端可包括多数据无线采集单元和处理单元(或称处理器)，多数据无线采集单元用于接收来自多个外部装置(如多个无线传感器)的数据包；处理单元连接基准时间获取装置，从基准时间获取装置获取时间基标准时间，并对所述多数据无线采集单元采集的数据包进行扩展，以在接收的数据包上加上时间基标准时间。一个数据包是一组数据，比如数据包的长度是32字节，那么进行对该组数据包加以时间戳，扩充数据包，扩充至少3 个字节(扩展的数据长度根据时间精度而定)，每个字节分别为时、分、秒。这样数据包就有了时间戳。在专利号为ZL201410056693.6CN的中国专利中记载了多数据无线采集单元实现一对多数据采集的实现方式，在此不做赘述。每个无线传感器2的采样率可以不同，采样率可以从16Hz到2048Hz 不等。无线传感器20向多数据无线采集终端30发送数据包时会对数据包进行编号，例如第一个传感器第一个包记做为P11，第二个传感器第一个包记做为P21，第m个传感器第n个数据包记做为Pmn，这样发出去的数据就可以很清楚的知道丢包情况。此外，无线传感器20在向无线采集终端 30发送数据包时，会同时将自身采样率发送到无线采集终端30，第一个传感器采样率记做为f1，第k个传感器采样率记做为fk。无线采集终端30 接收的数据包中含有数据包编号和采样率信息。在本实用新型实施例中，无线采集终端30的处理单元可通过有线数据传输接口(如USB接口)与基准时间获取装置10连接，以从基准时间获取装置10获取国际标准时间。当设置开始采集数据命令后，每个传感器的第一包被无线采集终端收到时，在无线采集终端的处理器进行处理，在数据包的数据格式加上标准时间，进行数据长度扩展，然后将扩展之后的数据包发送给数据同步处理器40，由数据同步处理器进行数据同步。无线采集终端30包括数据有线传输接口 (如USB接口)以及无线通信模块(未示出)。此外，无线采集终端30还可包括用于切换数据采集方式的数据采集方式切换模块(如切换按钮)。图 4中示出了无线采集终端30的外部结构，如USB插头31、切换按钮32、指示灯33、收发无线数据的天线34、壳体35和USB接口36等。切换按钮32用于切换数据采集模式，可选择以频率方式采集或者以时间基进行采集。

在采用频率采集模式进行采集数据时，无线采集终端的主控MCU会对数据进行固定频率的采集，比如128Hz，说明平均每秒采集128个数据，频率采集模式下，在发送数据包的时候会有数据包编号，那么主控MCU 每一秒会收到128个数据包。那么这128个数据包就构成了1秒的时间。在本实用新型一实施例中，对于无线采集终端30按频率方式采集的数据，无线采集终端30的处理单元可以对每个接收的数据包进行扩展，在数据包上加上时间基标准时间，也可以仅对第一个数据包进行扩展。这样，数据同步处理器40可以基于时间基标准时间和采样频率将数据包在时间轴上按照时间进行排序。另选地，对于按频率方式采集的数据，也可以不基于时间基进行扩展，即不在数据包中添加时间基标准时间，此时，处理器将第一个数据包对应的时间作为时间轴的起始时间0:0:0，即该时间轴的第一个点是第一个数据包的数据点，并依照采样频率将所有数据包对应到同一时间轴上。

以时间基进行采集的方式，是对时间的精准度要求更高，就是利用时间基标准时间对每时每刻采集的数据打时间戳，即采集数据时会将每一个数据包的数据进行扩展，加上当前时间基同步的时间。有了时间基的时间这些数据就会在时间轴上按照时间进行排序。

图4中示出的指示灯33用于显示连接状态和信号采集状态USB接口 36。如上示出的无线采集终端30的外部结构仅为示例，在不脱离本实用新型的精神的情况下，还可以有更多或更少的部件。

在图1所示的***中，数据同步处理器40接收无线采集终端30发送的带有国际时间标准的数据包。数据同步处理器40在接收到数据包后，处理器会得到该数据包的国际标准时间、传感器的采样率等信息。处理器将传感器的第一个数据包的国际标准时间作为时间轴的起始时间，该时间轴的第一个点便是第一个数据包的数据点。如果传感器的采样率信息为f，那么当在时间横轴上画完f个点的时候，时间便是对应的一秒。例如，某传感器的采样率是128Hz，那么当时间横轴上画完128个点的时候，时间横轴的时间正好是1秒。采样率不同，1秒内画的点数不同。在本实用新型实施例，数据同步处理器可以是PC端处理器或数据同步盒中的处理器。

数据包在传输的过程中可能会产生丢包等问题。如果无线采集终端30 接收到的数据包不是第一个数据包，由于每个数据包里都会带有数据包编号、采样率等必要信息，无线采集终端30也会对包进行数据扩展操作，加上国际标准时间后发送给数据同步处理器40。数据同步处理器40的处理器可基于数据包编号确定数据包是都存在或丢了哪个数据包。如果存在丢包的情况，处理器可根据数据包编号和采样率进行补数据包，将丢失的数据包补上，以形成完整的时间序列。

某个传感器数据最终的时间轴上的点的总和记为SUM，那么SUM/f 即得出时间数据长度。如果不按照时间基的时间进行在时间轴上画点，那么时间从0:0:0开始，时间长度为SUM/f。如果按照基准时间获取装置10 提供的国际标准时间来计算，时间起始按照基准时间获取装置10标记的时间进行计算，时间长度为SUM/f。

在本实用新型另一实施例中，多数据无线采集终端和数据同步处理器可以整合在一数据同步盒中，如图2所示。

在图1和图2中，与数据同步处理器连接的***设备可以是传送声音信号、光电信号、脑电信号、TTL信号等的设备，如脑电设备，光电传感器等，主要用于与这些设备的时间同步，数据同步。

图2所示的数据同步盒40’可包括数据有线传输接口(如USB接口和/ 或其他接口)、无线通信模块、无线采集终端和数据同步处理器等。图5为本实用新型实施例中数据同步盒40’的外部结构示意图，图5中示出了数据同步盒40’的以下部件：壳体41；前面板42；天线接口43、49；电源开关 44；电源接口45；显示屏46；第一USB接口47；第二USB接口48；侧面板散热口410。USB接口47、48用于连接基准时间获取装置和其他外部装置(如用户PC端)，以从基准时间获取装置获取时间基标准时间以及与其他外部装置进行数据传输。天线接口43、49用于接收无线信号，例如接收来自无线传感器的数据，接收到无线传感器的数据后，数据同步盒40’对无线传感器的数据包的处理与前述无线采集终端的处理方式相同，即接收到来自传感器的数据包后给数据包加上国际标准时间，进行数据包扩展，在此不再赘述。电源接口45用于给数据同步盒40’供电。显示屏46优选为触摸屏，用于显示当前数据状态以及国际标准时间状态等。

图6为数据同步盒40’的背面结构示意图，如图6所示，数据同步平台装置40还包括：耳机接口411和光传感接口412。耳机接口411分为左右声道和输入，主要用于进行声音的时间标记，可通过图5所示的触摸屏46 进行声音阈值的设置，当声音达到阈值的时候数据同步盒40’的处理器会发出标记事件，标记事件是一组数据包，数据包发出时会被进行数据包扩展，即加上基准时间获取装置10对应的国际标准时间。数据同步盒40’的处理器对数据包进行解析后可将标记事件数据对齐到时间轴，数据包扩展方法和数据对齐到时间轴的方法与上述无线采集终端30处理无线传感器20的数据方法一致，在此不再赘述。光传感接口412主要用于光阈值触发打标事件，即光强达到阈值后会发出标记事件，进行对本次光刺激事件的标记，标记事件是一组数据包，数据包发出时会被进行数据包扩展，加上从基准时间获取装置10获得的国际标准时间，处理器进行解析数据后可将标记事件数据对齐到时间轴。本实用新型中，刺激例如可以是温度、声、光、电、视觉等信号。刺激可指能被人体感觉到并引起人体机能发生变化的因素。这里刺激主要是指物理刺激，例如：温度、声、光、电、视觉等。引起刺激的因素的类型可称为事件。

此外，数据同步盒40’还可包括第三USB接口413，用于对用户调用 API接口进行事件的标记，在用户每次发出API调用请求时，数据同步盒 40’向基准时间获取装置10发送一次时间获取请求，获取当前国际标准时间，并利用当前国际标准时间将用户调用的API接口数据包进行扩展，即将用户调用的API接口数据包与当前国际标准时间打包成新的数据包，在处理器将一系列数据包进行时间轴对齐。

此外，数据同步盒40’还可包括事件标记(如晶体管-晶体管逻辑电平 (TTL))输入接口414和TTL输出接口415，此两个端口用来接收或者输出事件标签。事件标签是实验设计的需要，比如在心理学领域的实验可能会时常用到刺激事件，此事件发生的一瞬间，接收到刺激时间的设备会接收或者输出一组标记，以进行此事件在时间轴上的同步，方便事后分析。 TTL输入接口414的TTL输入值为1～255，可接纳3V逻辑电平或者5V逻辑电平。TTL输出接口415的TTL输出可设置为3V逻辑电平或者是5V 逻辑电平，TTL输出值范围是1～255，输出时自带时间基获取的时间数据 T2。T2以数据包的格式与TTL值一起发送。

如上示出的数据同步盒40’的外部结构仅为示例，在不脱离本实用新型的精神的情况下，还可以有更多或更少的部件。

在标准TTL打标输入时，如果***设备输入打标没有时间基准，则使用时间基基准作为事件到达的基准时间以在时间轴进行对齐。如果***设备输入进行事件打标时带有自己的时间数据，需要进行事件到达的标准时间的确定，确定时间方法例如可以基于Cristian同步算法来实现，Cristian 同步算法的原理是使用一个时间服务器(如时间基)，提供标准时钟，***设备通过询问与时间服务器同步。误差周期内，每个机器(***设备)向时间基发出校时请求，服务器进行响应，发出自己的时间基时钟，各外部设备可根据响应值重置自己的时钟，从而完成同步。

作为TTL输出设备，如果以接收设备的时钟时间作为主时钟的话，需要进行询问接收设备时钟T3，接收到时钟T3之后，再确定数据同步盒的基准时间T2。时间确定方法与上同理，T2＝ST+(T2-T3)/2。

本实用新型提供的人机环境同步装置和***，可以将不同设备的数据 (如TTL数据、脑电数据、生理数据、行为数据、刺激信号等)在同一时间轴上进行对齐，同时外部装置与同步平台进行互相询问确定基准时间，不仅保证时间关系的准确性，从而能更准确地分析多维数据之间的关联性，对促进心理学研究领域有重大意义。

结合这里披露的本实用新型的说明和实践，本实用新型的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本实用新型的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置，其特征在于，所述装置包括：

多数据无线采集终端，该采集终端包括：

无线通信单元；

多通道人机交互和人-机-环境数据无线采集单元，其通过无线通信单元接收来自多个外部装置的数据包，其中，所述多数据无线采集单元所接收的数据包中含有数据包编号和采样率信息；

时间基连接接口，其用于连接时间基，获取时间基标准时间；

时间戳处理单元，其基于通过时间基连接接口获得的时间基标准时间对数据包进行扩展，以打上时间戳。

2.根据权利要求1所述的多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置，其特征在于，所述装置还包括：所述时间基。

3.根据权利要求1所述的多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置，其特征在于，所述装置还包括：

同步处理单元，其基于扩展的数据包中的时间基标准时间、数据包编号和采样率信息将来自多个外部装置的数据包对齐到同一时间轴。

4.根据权利要求1所述的多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置，其特征在于：

所述外部装置至少包括无线传感器。

5.根据权利要求3所述的多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置，其特征在于，所述装置还包括：

耳机接口，其用于接收声音事件标记；和/或

光电传感接口，其连接所述同步处理单元，由所述同步处理单元基于预设的光阈值对所述光电传感接口输入的光信号采集光刺激事件。

6.根据权利要求3所述的多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置，其特征在于，所述多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置还包括连接所述同步处理单元的晶体管-晶体管逻辑电平TTL打标输入接口，用于接收事件标签；

所述多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置还包括连接所述同步处理单元的TTL打标输出接口，用于输出事件标签。

7.一种包括如权利要求1-6中任意一项所述的多通道人机交互和人机环境测试数据同步装置的人机环境同步***。