重力仪数据采集模块设计与实现

论文总字数：34135字

摘 要

地球重力场信息为多个学科的科学研究提供了诸多基本信息，在地球物理勘探以及现代军事等领域不可或缺，研究和探索重力测量技术具有重要意义。本文基于重力测量技术原理，针对重力仪的数据需求，设计了高精度，实时性强的重力仪数据采集模块，主要研究工作和成果如下：

1. 分析了重力测量的基本原理和重力仪的发展动态； 根据任务需求提出了数据采集模块的设计要求，设计了采集模块FPGA MCU DSP的硬件架构；

2. 完成了FPGA硬件建模，实现传感器数据的采集与时间同步、数据流的控制、数据实时存储等功能；

3. 完成数据采集模块的软件设计，实现了USB驱动和硬盘的管理功能，配合FPGA模块完成嵌入式文件管理工作，实现USB接口的数据回收工作；

4. 进行了室内静态实验验证，结果表明整个数据采集模块能够正常地运行，正确地对加速度计，陀螺仪以及GPS板卡数据进行存储，数据回收速度快，回收的数据准确有效，满足设计的要求。

本论文在软硬件方面所做的工作和取得的成果在重力测量工程应用上具有重要的参考价值。

关键词： 重力仪 数据采集存储 FPGA MCU DSP架构 数据高速回收

Design and Implementation of

Data Acquisition Module for Gravimeter

Abstract

The data of the earth's gravity field provides underlying information for the research in many fields, which is also indispensable in the field of Modern Military and geophysical prospecting. As a result, research and exploration of the gravity measurement technology are of great significance. In this paper, based on the principle of gravity measurement, the data acquisition module with high precision and real-time quality is designed according to the requirements of data quality in the gravimeter system. The main research work and results are as follows:

1. Fundamental principle of gravity measurement and the development trend of gravity meter are analyzed.The hardware architecture of the acquisition module, FPGA DSP MCU architecture, is designed according to the requirements of the data acquisition.

2. The model of the FPGA hardware is accomplished, which realizes the functions of data acquisition from multiple sensors and their time synchronization, data flow control, storage of real-time data and so on.

3. The software design of the MCU is completed with the functions of the USB drive and hard disk information management. Combined with the FPGA module, it finishes the task of the file system management and the data acquisition from USB interface.

4. After the static experiment is carried out, the results show that the data acquisition module can be operated normally and correctly, allowing the accurate and effective achievement and storage of data from the acceleration meter, gyro and GPS board.

In conclusion, the work of this thesis is an important reference to the application of gravity measurement engineering.

Key words: Gravimeter, data acquisition, FPGA DSP MCU architecture, data storage

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 重力测量基本原理 1

1.3 重力仪的发展和现状 2

第二章 系统的整体方案与设计 4

2.1 重力测量系统概述 4

2.1.1 测量系统总体结构 4

2.1.2 模块设计要求 4

2.2 数据采集系统的硬件结构 5

第三章 FPGA硬件建模 7

3.1 FPGA硬件建模总体设计 7

3.2 串口通信模块 7

3.2.1 UART核 8

3.2.2 DMA控制器 9

3.2.3 片上FIFO 10

3.2.4 接口设计与同步传输 10

3.3 数据处理模块 11

3.3.1 惯性数据处理 11

3.3.2 GPS数据处理 12

3.4 交互模块 14

3.4.1 中断模块 14

3.4.2 EMIF接口模块 15

3.5 文件管理器 16

3.5.1 接口模块 16

3.5.2 文件管理主模块 17

3.6 数据存储模块 17

3.6.1 数据写入模块 17

3.6.2 仲裁器 19

第四章 MCU的结构设计 20

4.1 MCU的总体结构设计 20

4.2 时钟配置 20

4.3 数据交互模块 21

4.3.1 中断模块 22

4.3.2 FSMC模块 24

4.4 文件系统 26

4.4.1 exFAT文件系统基本结构 27

4.4.3 文件系统的具体实现 29

4.5 USB模块 34

第五章 数据采集系统静态实验验证 37

5.1 实验具体操作流程 37

5.2 静态实验结果验证 38

5.2.1 数据周期分析 38

5.2.2 数据质量分析 39

第六章 总结与展望 42

6.1 本文总结 42

6.2 展望 42

致  谢 44

参考文献（References） 45

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

重力测量，即通过测量得到地球表面的重力加速度值（g)，最早可追溯到16世纪伽利略通过比萨斜塔的自由落体实验得到g值。随着科技的不断发展，绝对重力测量的精度不断提高，而精确的g值对地球重力场的研究，地球物理都具有非常重要的意义，并且广泛地应用于测绘，计量，地质勘探等多个领域^[1]，例如海洋重力测量对海底地质勘探和能源探测有着非常重要的作用^[2]。

在20世纪70-80年代，由于军事和资源勘探等方面的需求，重力测量技术得到较快发展，各个国家都在大力研究发展重力仪。包括意大利国家计量院的IMFC-2型绝对重力仪^[3]。美国JILA实验室研究的JILA-g型据对重力仪等^[3-4]。目前，我国也有若干单位展开了相关的研究。

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