如何提高DSP的ADC精度-嵌入式系统-与非网
&&&&&&& TI公司的C2000系列DSP以其出色的性能、丰富的片上外设在工业自动化、电机控制、工业生产领域得到广泛应用。TMS320F2812是C2000系列中性能出色的一个，F2812片上集成了12位16通道的数／模转化器，理论上精度可以达到0．1％以上。但实际上由于增益误差(&5％)和偏移误差(&2％)的存在，使得精度只能在5％左右，所以必须对进行校正。
　　传统的对于ADC的校正方法是在两路通道输入已知标准电压，根据两点确定一条直线的原理，确定出AD转换的曲线，并以此校正转化值。但由于在校正过程中存在偶然因素的影响，使得这种校正方法精度只能达到3％左右。对此，提出了利用最小二乘法和线性回归的思想进行校正的方法，通过对多个测量点的分析计算，找出最佳的拟合曲线，使得总体的均方误差最小。
　　最小二乘法是高斯于1809年提出的，在多学科领域中获得广泛应用的数据处理方法。用最小二乘法估测未知参数，可以有效消除测量中粗大误差和系统误差的影响。回归分析是英国统计学家高尔顿在18*首先提出的。一元线性回归是利用数理统计中的回归分析，来确定两种或两种以上变数间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法之一，运用十分广泛。一般来说，线性回归都可以通过最小二乘法求出其方程，可以计算出对于y=bx+a的直线。
　　1 校正原理与实现方案
　　DSP的ADC模块的输入、输出是线性关系，理想情况下，输入输出方程应该是y=x。但实际上，ADC模块是存在增益误差和偏移误差的，其中增益误差是实际曲线斜率和理想曲线斜率之间的偏差，偏移误差是0 V输入时实际输出值与理想输出值(0 V)之间的偏差。F2812的ADC模拟输入电压为0～3 V，输出为0～4 095，模拟输入与数字输出之间的对应关系为：数字输出值=4 095&(模拟输入值-参考电压值)／3．0ADC模块输入／输出特性曲线如图1所示。
图1 ADC模块输入／输出特性曲线
　　F2812的ADC共有输入通道16个，由于通道之间的误差会在&0．2％以内，所以可以任选其中的6路通道作为校正输入端，并分别输入6个不相等的标准直流参考电压。通过在程序中定义结构体变量读取转化后的值，得到6组输入／输出平面上的坐标点。然后利用最小二乘和一元线性回归思想处理数据，求出的拟合最佳曲线，使得各个坐标点到该最佳曲线的距离的平方和(残差平方和)最小。
　　2 最小二乘法和一元线性回归
　　2．1 最小二乘原理
　　对于线性模型，如果有t个不可测量的未知量，理论上，可对与该t个未知量有函数关系的直接测量量进行t次测量，即可得到函数关系。但由于测量数据不可避免地包含着测量误差，所得到的结果也必定含有一定的误差。为了提高所得结果的精度，可以把测量次数增加到n(n&t)，以利用抵偿性减小随机误差的影响。
　　高斯认为，根据观测数据求取未知参数时，未知参数最合适数值应是这样的数值，即选出使得模型输出与观测数据尽可能接近的参数估计，接近程度用模型输出和数据之差的平方和来度量。这就是最小二乘的基本思想。最小二乘法原理指出，最精确的值应在使残余误差平方和最小的条件下求得。
　　2．2 一元线性回归原理
　　一元线性回归是处理2个变量之间的关系，即两个变量x和y之间若存在线性关系，则通过试验，分析所得数据，找出两者之间函数曲线。也就是工程上常遇到的直线拟合问题。
　　3 实验方案与结果分析
　　3．1 实验方案
　　实验利用F2812开发板和DSP调试软件CCS2．0完成。用稳定信号源产生6个标准电压，分别为0．2 V，0．5 V，1．0 V，1．5 V，2．0 V，2．5 V，输入通道选为A0，A1，A2，B0，B1，B2。ADCL0引脚接电路板的模拟地，与模拟输入引脚相连的信号线应该避开数字信号线，以减少数字信号对模拟信号的干扰。输入电路如图2所示。
图2 输入电路
　　3．2 校正算法
　　设ADC模块的输入／输出曲线为y=a+bx，输入电压值为xi，对应的转化输出值为yi。由最小二乘估计算法可得方程：
　　解此方程组即可得到a,b的估计值：
　　式中，
这样便得到了最佳的拟合曲线（回归方程）：于是可以用此方程进行转化值校正。
　　3．3 实验数据处理
　　将实验获得的6组数据利用上述最小二乘法和线性回归方法进行处理，得到a，6的最小二乘估计值分别为，于是回归方程为：y=0．003 612+1．039 091x。以回归方程为标准，由x=(y-0．003 612)／1．039 091可以计算出校正后的转化值，并与未转化的值进行比较，结果如表1所示。
　　在Excel中，绘制出未校正输入／输出分布点，和回归曲线，如图3所示。
图3 回归曲线示意图
　　3．4 结果分析
　　由表1和图3可以看出，如果不采取校正措施，则F2812的ADC模块会存在5％左右的相对误差；而采用提出的校正方法，可以将误差下降到1％以下。这就大大提高了A／D转化的精度，对于对控制要求精度很高的场合，牺牲ADC模块的6个通道，得到比较高的转化精度，还是非常必要而且值得的。
　　4 结语
　　在此提出一种采用最小二乘法和线性回归校正DSP的ADC模块的方法，实验证明此方法可以大大提高转化精度，有效弥补了DSP中AD转化精度不高的缺陷。此方法硬件电路简单，成本代价较低，具有很高的推广和利用价值。
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一、开发环境
主 &机：VMWare--Fedora 9
开发板：Mini2440--64MB Nand, Kernel:2.6.30.4
编译器：arm-linux-gcc-4.3.2
二、硬件原理分析&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& S3C2440内部ADC结构图
我们从上面的结构图和数据手册可以知道，该ADC模块总共有8个通道可以进行模拟信号的输入，分别是AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、YM、YP、XM、XP。那么ADC是怎么实现模拟信号到数字信号的转换呢？首先模拟信号从任一通道输入，然后设定寄存器中预分频器的值来确定AD转换器频率，最后ADC将模拟信号转换为数字信号保存到ADC数据寄存器0中(ADCDAT0)，然后ADCDAT0中的数据可以通过中断或查询的方式来访问。对于ADC的各寄存器的操作和注意事项请参阅数据手册。
上图是mini2440上的ADC应用实例，开发板通过一个10K的电位器(可变电阻)来产生电压模拟信号，然后通过第一个通道(即：AIN0)将模拟信号输入ADC。
三、实现步骤
ADC设备在Linux中可以看做是简单的字符设备，也可以当做是一混杂设备(misc设备)，这里我们就看做是misc设备来实现ADC的驱动。注意：这里我们获取AD转换后的数据将采用中断的方式，即当AD转换完成后产生AD中断，在中断服务程序中来读取ADCDAT0的第0-9位的值(即AD转换后的值)。
1、建立驱动程序文件my2440_adc.c，实现驱动的初始化和退出，代码如下：
#include &linux/errno.h&#include &linux/kernel.h&#include &linux/module.h&#include &linux/init.h&#include &linux/input.h&#include &linux/serio.h&#include &linux/clk.h&#include &linux/miscdevice.h&#include &asm/io.h&#include &asm/irq.h&#include &asm/uaccess.h&/*定义了一个用来保存经过虚拟映射后的内存地址*/static void __iomem *adc_base;/*保存从平台时钟队列中获取ADC的时钟*/static struct clk *adc_clk;/*申明并初始化一个信号量ADC_LOCK，对ADC资源进行互斥访问*/DECLARE_MUTEX(ADC_LOCK);static int __init adc_init(void){&&&&int ret;&&&&/*从平台时钟队列中获取ADC的时钟，这里为什么要取得这个时钟，因为ADC的转换频率跟时钟有关。&&&&系统的一些时钟定义在arch/arm/plat-s3c24xx/s3c2410-clock.c中*/&&&&adc_clk = clk_get(NULL, "adc");&&&&if (!adc_clk) &&&&{&&&&&&&&/*错误处理*/&&&&&&&&printk(KERN_ERR "failed to find adc clock source\n");&&&&&&&&return -ENOENT;&&&&}&&&&/*时钟获取后要使能后才可以使用，clk_enable定义在arch/arm/plat-s3c/clock.c中*/&&&&clk_enable(adc_clk);&&&&/*将ADC的IO端口占用的这段IO空间映射到内存的虚拟地址，ioremap定义在io.h中。&&&& 注意：IO空间要映射后才能使用，以后对虚拟地址的操作就是对IO空间的操作,&&&& S3C2410_PA_ADC是ADC控制器的基地址，定义在mach-s3c2410/include/mach/map.h中，0x20是虚拟地址长度大小*/&&&&adc_base = ioremap(S3C2410_PA_ADC, 0x20);&&&&if (adc_base == NULL) &&&&{&&&&&&&&/*错误处理*/&&&&&&&&printk(KERN_ERR "Failed to remap register block\n");&&&&&&&&ret = -EINVAL;&&&&&&&&goto err_noclk;&&&&}&&&&/*把看ADC注册成为misc设备，misc_register定义在miscdevice.h中&&&& adc_miscdev结构体定义及内部接口函数在第②步中讲,MISC_DYNAMIC_MINOR是次设备号，定义在miscdevice.h中*/&&&&ret = misc_register(&adc_miscdev);&&&&if (ret) &&&&{&&&&&&&&/*错误处理*/&&&&&&&&printk(KERN_ERR "cannot register miscdev on minor=%d (%d)\n", MISC_DYNAMIC_MINOR, ret);&&&&&&&&goto err_nomap;&&&&}&&&&printk(DEVICE_NAME " initialized!\n");&&&&return 0;//以下是上面错误处理的跳转点err_noclk:&&&&clk_disable(adc_clk);&&&&clk_put(adc_clk);err_nomap:&&&&iounmap(adc_base);&&&&return ret;}static void __exit adc_exit(void){&&&&free_irq(IRQ_ADC, 1);&&&&/*释放中断*/&&&&iounmap(adc_base);&&&&&&&/*释放虚拟地址映射空间*/&&&&if (adc_clk)&&&&&&&&&&&& /*屏蔽和销毁时钟*/&&&&{&&&&&&&&clk_disable(adc_clk);&&&&&&&&&&&&clk_put(adc_clk);&&&&&&&&adc_clk = NULL;&&&&}&&&&misc_deregister(&adc_miscdev);/*注销misc设备*/}/*导出信号量ADC_LOCK在触摸屏驱动中使用，因为触摸屏驱动和ADC驱动公用&&相关的寄存器，为了不产生资源竞态，就用信号量来保证资源的互斥访问*/EXPORT_SYMBOL(ADC_LOCK);module_init(adc_init);module_exit(adc_exit);MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("Huang Gang");MODULE_DESCRIPTION("My2440 ADC Driver");
2、adc_miscdev结构体定义及内部各接口函数的实现，代码如下：
#include &plat/regs-adc.h&/*设备名称*/#define DEVICE_NAME&&&&"my2440_adc"/*定义并初始化一个等待队列adc_waitq，对ADC资源进行阻塞访问*/static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(adc_waitq);/*用于标识AD转换后的数据是否可以读取，0表示不可读取*/static volatile int ev_adc = 0;/*用于保存读取的AD转换后的值，该值在ADC中断中读取*/static int adc_data;/*misc设备结构体实现*/static struct miscdevice adc_miscdev = {&&&&.minor&&&= MISC_DYNAMIC_MINOR,&/*次设备号，定义在miscdevice.h中，为255*/&&&&.name&&&&= DEVICE_NAME,&&&&&&&&/*设备名称*/&&&&.fops&&&&= &adc_fops,&&&&&&&&&&/*对ADC设备文件操作*/};/*字符设备的相关操作实现*/static struct file_operations adc_fops = {&&&&.owner&&&&= THIS_MODULE,&&&&.open&&&&&= adc_open,&&&&.read&&&&&= adc_read,&&&&&&&&.release&&= adc_release,};/*ADC设备驱动的打开接口函数*/static int adc_open(struct inode *inode, struct file *file){&&&&int ret;&&&&/*申请ADC中断服务，这里使用的是共享中断:IRQF_SHARED,为什么要使用共享中断，因为在触摸屏驱动中&&&& 也使用了这个中断号。中断服务程序为:adc_irq在下面实现，IRQ_ADC是ADC的中断号，这里注意：&&&& 申请中断函数的最后一个参数一定不能为NULL，否则中断申请会失败，如果中断服务程序中用不到这个&&&& 参数，就随便给个值就好了，我这里就给个1*/&&&&ret = request_irq(IRQ_ADC, adc_irq, IRQF_SHARED, DEVICE_NAME, 1);&&&&if (ret) &&&&{&&&&&&&&/*错误处理*/&&&&&&&&printk(KERN_ERR "IRQ%d error %d\n", IRQ_ADC, ret);&&&&&&&&return -EINVAL;&&&&}&&&&return 0;}/*ADC中断服务程序，该服务程序主要是从ADC数据寄存器中读取AD转换后的值*/static irqreturn_t adc_irq(int irq, void *dev_id){&&&&/*保证了应用程序读取一次这里就读取AD转换的值一次，&&&& 避免应用程序读取一次后发生多次中断多次读取AD转换值*/&&&&if(!ev_adc) &&&&{&&&&&&&&/*读取AD转换后的值保存到全局变量adc_data中，S3C2410_ADCDAT0定义在regs-adc.h中，&&&&&&&& 这里为什么要与上一个0x3ff，很简单，因为AD转换后的数据是保存在ADCDAT0的第0-9位，&&&&&&&& 所以与上0x3ff(即：)后就得到第0-9位的数据，多余的位就都为0*/&&&&&&&&adc_data = readl(adc_base + S3C2410_ADCDAT0) & 0x3ff;&&&&&&&&/*将可读标识为1，并唤醒等待队列*/&&&&&&&&ev_adc = 1;&&&&&&&&wake_up_interruptible(&adc_waitq);&&&&}&&&&return IRQ_HANDLED;}/*ADC设备驱动的读接口函数*/static ssize_t adc_read(struct file *filp, char *buffer, size_t count, loff_t *ppos){&&&&/*试着获取信号量(即：加锁)*/&&&&if (down_trylock(&ADC_LOCK)) &&&&{&&&&&&&&return -EBUSY;&&&&}&&&&if(!ev_adc)/*表示还没有AD转换后的数据，不可读取*/&&&&{&&&&&&&&if(filp-&f_flags & O_NONBLOCK)&&&&&&&&{&&&&&&&&&&&&/*应用程序若采用非阻塞方式读取则返回错误*/&&&&&&&&&&&&return -EAGAIN;&&&&&&&&}&&&&&&&&else/*以阻塞方式进行读取*/&&&&&&&&{&&&&&&&&&&&&/*设置ADC控制寄存器，开启AD转换*/&&&&&&&&&&&&start_adc();&&&&&&&&&&&&/*使等待队列进入睡眠*/&&&&&&&&&&&&wait_event_interruptible(adc_waitq, ev_adc);&&&&&&&&}&&&&}&&&&/*能到这里就表示已有AD转换后的数据，则标识清0，给下一次读做判断用*/&&&&ev_adc = 0;&&&&/*将读取到的AD转换后的值发往到上层应用程序*/&&&&copy_to_user(buffer, (char *)&adc_data, sizeof(adc_data));&&&&/*释放获取的信号量(即：解锁)*/&&&&up(&ADC_LOCK);&&&&return sizeof(adc_data);}/*设置ADC控制寄存器，开启AD转换*/static void start_adc(void){&&&&unsigned int tmp;&&&&tmp = (1 && 14) | (255 && 6) | (0 && 3);/* 0 1
0 0 0 */&&&&writel(tmp, adc_base + S3C2410_ADCCON); /*AD预分频器使能、模拟输入通道设为AIN0*/&&&&tmp = readl(adc_base + S3C2410_ADCCON);&&&&tmp = tmp | (1 && 0);&&&&&&&&&&&&&&&& /* 0 1
0 0 1 */&&&&writel(tmp, adc_base + S3C2410_ADCCON); /*AD转换开始*/}/*ADC设备驱动的关闭接口函数*/static int adc_release(struct inode *inode, struct file *filp){&&&&return 0;}
注意：在上面实现的每步中，为了让代码逻辑更加有条理和容易理解，就没有考虑代码的顺序，比如函数要先定义后调用。如果要编译此代码，请严格按照C语言的规范来调整代码的顺序。
3、编写用户应用程序测试my2440_adc驱动。建立应用程序adc_test.c，代码如下：
#include &stdio.h&#include &stdlib.h&#include &errno.h&int main(int argc, char **argv){&&&&int fd;&&&&//以阻塞方式打开设备文件，非阻塞时flags=O_NONBLOCK&&&&fd = open("/dev/my2440_adc", 0);&&&&if(fd & 0)&&&&{&&&&&&&&printf("Open ADC Device Faild!\n");&&&&&&&&exit(1);&&&&}&&&&while(1)&&&&{&&&&&&&&int ret;&&&&&&&&int data;&&&&&&&&&&&&&&&&//读设备&&&&&&&&ret = read(fd, &data, sizeof(data));&&&&&&&&if(ret != sizeof(data))&&&&&&&&{&&&&&&&&&&&&if(errno != EAGAIN)&&&&&&&&&&&&{&&&&&&&&&&&&&&&&printf("Read ADC Device Faild!\n");&&&&&&&&&&&&}&&&&&&&&&&&&continue;&&&&&&&&}&&&&&&&&else&&&&&&&&{&&&&&&&&&&&&printf("Read ADC value is: %d\n", data);&&&&&&&&}&&&&}&&&&close(fd);&&&&return 0;}
4、将驱动程序下载挂载到内核，下载应用程序到开发板上后，运行应用程序，扭动mini2440开发板上的定位器，可以观察到ADC转换值的变化，证明驱动程序工作正常。效果图如下：
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