具有高精度GPS授时的数据采集系统的设计和实现

摘要

移动测量系统(MMS:Mobile Mapping System)是一种新型的空间信息测量系统,它具有自动化程度高,测量速度快,实时性强,数据精度高等优点,被广泛的应用在了现代道路空间信息的测量中。MMS系统采用了车载GPS、INS(惯性导航系统)、CCD相机、高速视频摄像机、激光扫描仪等多种传感器设备完成空间信息的采集。数据采集设备是MMS系统的核心,它要求具有高的时间同步性能,能够适应恶劣的使用环境以及长时间连续采集数据的能力,传统的基于数据采集卡及工控机的数据采集设备已经不能满足现代MMS系统的需求。
　　本文针对MMS系统的特殊需求设计了一种新的基于FPGA和嵌入式微处理器的数据采集系统。在硬件方面,搭建了以Cyclone FPGA及MPC8313 PowerPC为核心的数据采集系统,完成了其硬件电路的设计;在时间同步上,提出了一种GPS授时的实现方法,针对本地晶振老化和频率漂移的问题,引入了晶振驯服算法校准本地晶振的时钟的频率,针对GPS接收机1PPS同步脉冲随机抖动较大的问题,引入了Kalman滤波来消除随机干扰,提高授时精度;在数据采集方面,介绍了使用SICK激光雷达进行数据采集的流程及相应的逻辑设计。
　　测试结果表明,本文所设计的数据采集系统的很高的授时精度以及极低的丢包率,能够满足MMS系统的需求,具有很高的实用价值,对于同类数据采集系统的设计和实现具也有很好的参考意义。

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1 绪论

1.1 课题来源及背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文章节内容安排

2 系统方案及硬件设计

2.1 系统的方案设计主要器件选型

2.2 系统的硬件设计

2.3 本章小结

3 GPS授时模块设计

3.1 GPS授时原理

3.2 压控晶振参数介绍及频率校准方案

3.3 频差测量模块设计

3.4 时间平滑算法

3.5 计时模块的具体实现

3.6 本章小结

4 数据采集系统的逻辑设计

4.1 数据采集系统的总体逻辑设计

4.2 串口接口的设计

4.3 SICK激光雷达的控制及数据接口设计

4.4 数据打标及缓存模块设计

4.5 PowerPC总线接口设计

4.6 本章小结

5 系统测试结果及分析

5.1 时间校准性能测试结果及分析

5.2 数据采集性能测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献