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积雪深度激光测量仪的研究设计

作　者: 虞敏
导　师: 唐慧强
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 系统分析与集成
关键词: 激光测距 FPGA FFT NIOSII DDS Zigbee
分类号: TN247
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 51次
引　用: 1次
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内容摘要

激光测距技术具有精度高、速度快等卓越性能,被广泛应用于军事和民用等各种领域。激光测距主要有脉冲和相位两种方式,脉冲方式适用于远程但精度要求不高的测距,而相位方式适合短量程的高精度测距,因此对于一些精密测量,相位测距更具有优越性。本文设计了一个无线激光雪深测量装置,该装置内部包括硬件处理电路、基于FPGA的数字信号处理模块、按键及数码管组成的人机界面、zigbee无线传感网络、基于C#的上位机数据显示存储等功能模块,这些功能模块相互联系、互相影响、有机的结合,构成一个完整的测量系统。论文首先提出系统整体设计方案,并论述该方案较以往的雪深仪,结构更加简化,系统性能得到提高,功能更加全面；然后完成硬件设计,包括激光调制发射、光电检测、模拟信号处理、混频、A/D转换、DDS信号发生等电路,其中激光调制信号及混频电路本振信号都是由直接数字频率合成技术(DDS)合成的,该技术具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换等优点；接着在FPGA芯片上设计并实现了基于快速傅里叶变换(FFT)的数字信号处理,该方法用于鉴相,具有精度高、不易受外界噪声干扰等优点。为了便于系统整体控制,在FPGA上定制了一个用于控制外设工作的Nios Ⅱ软核处理器,降低了设计难度；在数据传输方面,通过CC2530射频收发器无线传输测量数据,实现了雪深测量的无线化和网络化；在上位机接收存储数据方面,系统基于C#语言开发了一款简单的上位机软件,以便用户远程操作和数据监控；然后通过实验验证和相位精度分析,证明了该雪深测量系统具有稳定性高、受环境噪声影响小、精度较高的特点；文章最后通过分析测量误差的来源,提出了一些提高系统性能的改进方法。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-8
第1章绪论  8-12
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-10
  1.3 激光雪深测量技术分类  10-11
  1.4 研究内容  11-12
第2章相位测雪深原理  12-22
  2.1 相位法激光测雪深原理  12-13
  2.2 测尺频率选择  13-14
  2.3 差频原理  14-15
  2.4 鉴相原理  15-20
    2.4.1 模拟鉴相方法  15-16
    2.4.2 数字鉴相方法  16-20
    2.4.3 鉴相方法的比较  20
  2.5 方案设计  20-21
  2.6 本章小结  21-22
第3章激光雪深测量系统方案设计及硬件实现  22-48
  3.1 雪深测量系统总体设计  22
  3.2 系统的设计要求  22-23
  3.3 激光调制发射电路设计  23-29
    3.3.1 激光器概述  23
    3.3.2 激光二极管的性质  23-24
    3.3.3 光调制种类  24-25
    3.3.4 激光驱动电路  25-26
    3.3.5 DDS调制信号产生电路  26-29
  3.4 回波信号接收处理电路设计  29-36
    3.4.1 光电接收器件  29-31
    3.4.2 放大电路及滤波电路  31-32
    3.4.3 混频电路  32-34
    3.4.4 模数转换电路  34-36
  3.5 FPGA外围电路设计  36-40
    3.5.1 配置电路  36-38
    3.5.2 SDRAM存储器  38-39
    3.5.3 液晶显示  39-40
    3.5.4 时钟电路  40
  3.6 无线传感网络硬件电路设计  40-45
    3.6.1 ZigBee协议栈架构  41
    3.6.2 ZigBee网络拓扑  41-42
    3.6.3 无线传感器网络芯片CC2530  42-43
    3.6.4 ZigBee无线传感器网络节点电路和构架  43-44
    3.6.5 串口数据通信模块  44-45
  3.7 激光测距系统的电源设计  45-48
第4章激光雪深测量系统的FPGA硬件设计  48-64
  4.1 EDA技术简介和FPGA芯片性能介绍  48-49
  4.2 FPGA的设计开发流程  49-50
  4.3 嵌入式处理单元的FPGA设计  50-59
    4.3.1 锁相环PLL倍频模块  50-51
    4.3.2 FFT IP核  51-55
    4.3.3 FFT IP核预处理模块  55-57
    4.3.4 FFT IP核后处理模块  57-59
  4.4 激光测距的SOPC定制  59-64
    4.4.1 SOPC技术  59-60
    4.4.2 Nios Ⅱ软核处理器系统  60-61
    4.4.3 测距系统的需求分析  61
    4.4.4 测距系统逻辑外设的开发  61-64
第五章激光雪深测量系统软件设计  64-77
  5.1 无线传感器网络软件设计  64-67
    5.1.1 协调器网络设计  64-66
    5.1.2 终端节点网络设计  66-67
  5.2 测雪深系统软件设计  67-74
    5.2.1 按键扫描子程序  68-69
    5.2.2 配置DDS频率相位控制字程序  69-70
    5.2.3 A/D采样子程序  70-71
    5.2.4 串行发送采样数据子程序  71-72
    5.2.5 串行接收FFT处理数据子程序  72-73
    5.2.6 LCD显示子程序  73-74
    5.2.7 串口通信子程序  74
  5.3 基于C#的上位机接收系统  74-77
    5.3.1 数据管理系统  74-76
    5.3.2 上位机软件系统  76-77
第六章系统调试、误差分析及系统试验  77-82
  6.1 PCB板设计应该注意的问题  77-79
    6.1.1 布局布线  77-78
    6.1.2 去耦电容的配置  78
    6.1.3 地线设计  78-79
    6.1.4 电磁屏蔽  79
  6.2 误差来源分析  79-80
    6.2.1 电子线路的交叉干扰  79
    6.2.2 系统误差  79-80
  6.3 仿真数据误差分析  80-82
第七章总结与展望  82-83
  7.1 论文主要工作  82
  7.2 需要做的改进和提高  82-83
致谢  83-84
参考文献  84-86
附录  86-95
  附件l  86-89
    附件1.1 ：电源板电路图  86-87
    附件1.2 ：电源板PCB图  87-88
    附件1.3 ：电源板实物图  88-89
  附件2  89-92
    附件2.1 ：信号处理板(ADC、发射调制电路、接收处理电路)电路图  89-90
    附件2.2 ：信号处理板(ADC、发射调制电路、接收处理电路)PCB图  90-91
    附件2.3 ：信号处理板(ADC、发射调制电路、接收处理电路)实物图  91-92
  附件3  92-94
    附件3.1 ：DDS信号板电路图  92-93
    附件3.2 ：DDS信号板实物图  93-94
  附件4：系统实物图  94-95
攻读硕士学位期间科研情况  95

积雪深度激光测量仪的研究设计

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