数字水准仪数据采集与处理系统的研究

摘要

数字水准仪是集光学技术、电子技术、编码技术、图像处理技术、计算机技术于一体的新型水准测量仪器,凭借其测量速度快、精度高、操作简便,能显著减轻作业强度等优点,得到了广大用户的认可,并具有广阔的应用前景.数字水准仪虽然在国外已研制成功,但是国内这方面的研究仍处于试验探索阶段,因此开发国产化的数字水准仪是一个急待解决而又具有实际意义的课题.该文首先研究了数字水准仪的测量原理,提出了数字水准测量系统的设计方案,完成了条码标尺的编码设计.然后以该条码标尺为对象,设计了数字水准仪数据采集与处理系统.在系统硬件设计中,采用2160像元的TCD1206SUP型线阵CCD(电荷耦合器件)作为条码探测器,并结合系统检测对象的特点,在深入分析CCD视频信号处理方法的基础上,系统采用量化处理的方法对CCD模拟视频信号进行数字化.着重研究了线阵CCD输出信号的数据采集方法,设计了一种非实时的数据采集电路.该采集电路是以89C51单片机为核心,Intel8253作为同步控制器,控制A/D转换器定时采样,完成了对CCD输出信号的数据采集.在数据处理算法中,通过分析CCD输出信号的采集数据和波形,有针对性地设计了数据处理算法.该算法首先采用均值滤波和中值滤波构成的复合式滤波算法抑制噪声干扰,提高信噪比;其次采用基于指数基的快速边缘检测算子提取条码边界点,该算子大大降低了数据处理的运算量;最后根据几何光学成像原理和相关原理计算出视距和视线高.该文开发的数字水准仪数据采集与处理系统硬件和软件均已通过调试,并对系统的误差进行了详细分析.理论分析及实验表明,系统的设计方案是可行的.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1水准测量概述

1.1.1水准测量原理

1.1.2水准测量仪器

1.2国内外数字水准仪的发展现状

1.2.1国外发展现状

1.2.2国内发展现状

1.3国外现有数字水准仪的读数原理

1.4课题研究的目的和意义

1.5本文研究的主要内容及结构安排

2系统总体方案设计及其工作原理

2.1条码标尺的编码设计

2.2系统总体方案设计

2.2.1系统设计方案分析

2.2.2系统主要模块

2.3系统工作原理

2.4本章小结

3系统硬件电路设计

3.1 CCD器件概述

3.1.1 CCD的工作原理

3.1.2线阵CCD器件的选择

3.1.3 TCD1206SUP简介

3.2 CCD视频信号的处理方法

3.3硬件电路设计

3.3.1硬件设计方案选择

3.3.2硬件电路组成

3.4硬件电路各功能模块设计

3.4.1低通滤波电路

3.4.2单片机外围扩展电路

3.4.3采样时序控制电路

3.4.4 A/D转换电路

3.4.5串行通信接口电路

3.5本章小结

4系统软件设计

4.1系统软件的组成及其工作过程

4.2单片机控制系统程序设计

4.2.1系统初始化程序

4.2.2光积分时间控制子程序

4.2.3数据采集子程序

4.2.4单片机串行通信程序

4.3 PC机串行通信程序设计

4.3.1 Pc机串行通信实现过程

4.3.2 PC机串行通信界面

4.4 Pc机数据处理程序设计及相关算法研究

4.4.1数字滤波

4.4.2边缘检测与条码识别

4.4.3视距和视线高的计算

4.5本章小结

5实验结果与误差分析

5.1实验结果

5.2误差分析

5.2.1线阵CCD的物理特性引起的误差

5.2.2条码标尺分划误差

5.2.3光亮度对测量的影响

5.2.4成像模糊产生测量误差

5.2.5光学系统误差

5.2.6边缘检测算法误差

6结论

6.1工作总结

6.2系统改进

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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参考文献