Metódy zvýšenie presnosti A/D prevodu

Záverečný projekt predmetu MIPS / LS2025 - René Roger

Zadanie

Porovnáme dve možnosti ako spresniť výsledok A/D prevodu v mikroprocesore. Výsledky porovnáme v tabuľke pre 3 rozličné vstupné napätia (0,2.5 a Vcc) pri jednom meraní, priemere zo 64 meraní a pri meraní s uspatými perifériami procesora. Meranie zopakujeme 100x a vyhodnotíme štatisticky.

Arduino NANO

Literatúra:

• Datasheet k ATmega328P

Analýza a opis riešenia

Cielom zadania je porovnat 3 odlisne metody ziskavania dat z A/D prevodnika. Po interakcii s uzivatelom, ktory mu zada napatie VREF (potrebne na prepocet nameranej hodnoty v bitoch na realnu hodnotu v mV) a realneho meraneho napatia (potrebne na statisticke vyhodnotenie posunu), program automaticky zoberie potrebne mnozstvo vzoriek z kazdej meracej metody a vykona aj statisticke vyhodnotenie ktore zobrazi uzivatelovi. Interakcia s uzivatelom prebieha prostrednictvom seriovej linky - cez terminal PuTTY.

Vyhodnocovacie metody

Pre vyhodnotenie dat vyuzijeme nasledujuce ukazovatele kvality namernaych udajov, aby sme mohli jednotlive meracie metody porovnat.

Priemerna hodnota

Je aritmeticky priemer nameranych hodnot, je vyuzivany pri pocitani otatnych ukazovatelov a hovori nam, aka bola priemerna namerana hodnota

Najvacsia odchylka

Je najvacsia odchylka nameranej hodnoty od priemernej hodnoty. (mensie = lepsie)

Offset

Je rozdiel nameranej priemernej hodnoty a realnej hodnoty napatia na meranom pine. (mensie = lepsie)

ISE

Je suma stvorcov odchylok. Casto sa pouziva ako ukazovatel kvality (mensie = lepsie)

Porovnanie metod

Kedze porovnam viacero metod, tu je ich teoreticke porovnaie.

Jednotlive maranie

Tato metoda je najrychlejsia a zaroven najmenej presna. Je najrychlejsia vdaka tomu, ze berie iba 1 vzorku. Po odstatovani merania moze navyse procesor vykonavat ine instrukcie a vzorku vyhodnotit az po dokonceni A/D prevodu. Nepouziva sa pri tom ziadne opatrenie na zvysenie presnosti prevodu.

Meranie s uspatym procesorom

Procesor ATmega 328P ma niekolko rezimov spanku, tato metoda vyuziva rezim "ADC Noise Reduction". V tomto rezime je vypnuty hodinovy signal pre procesor, flash a aj pre input/output. Tieto hodinove signaly su pri A/D prevode zdrojom rusenia, teda ich vypnutim toto rusenie odstanime a dostaneme menej zasumeny prevod. Navyse ma pocas prevodu procesor mensi odber prudu co moze byt uzitocne pri niektorych aplikaciach. Procesor sa prebudi zo spanku po dokonceni A/D prevodu (prerusenie). Medzi nevyhody (v niektorych pripadoch) patri napriklad to, ze pocas prevodu procesor spi, teda nemoze vykonavat instrukcie.

Priemerovanie 64 vzoriek

Pri tejto metode sa zoberie 64 vzoriek a tie sa aritmeticky spriemeruju. Vyhodou je velmi presne meranie, ktore filtuje napatove spicky vo vstupnom siganle (moze but aj nevyhoda, ked chceme tieto spicky detekovat). Hlavnou nevyhodou je, ze toto trvanie trva podstatne dlhsie ako meranie 1 vzorky.

Meranie

Zdroj Z2 sluzi na nastavenie meraneho napatia (na pine A7). Napatie z presneho (linearneho) zdroja je navyse filtrovane cez RC clen s casovou konstantou 0.7s, teda napatie je v case velmi stabilne. Ako napajanie je zvoleny zdroj Z1 a to z dovodu, ze napatie dodavane z USB portu moze vyrazne kolisat, s cim by kolisalo aj referencne napatie pre A/D prevodnik. Po pripojeni externeho zdroju napatia na pin VIN ide toto napatie do linearnecho regulatoru napatia pritomneho na doske Arduino NANO. Arduino NANO si v pripade, ze su pritomne 2 zdroje napatia (USB a VIN), zvoli vzdy VIN. Cela doska je teda napajana z linearneho regulatoru, ktory ma podstatne stabilnejsie napatie.

Schéma zapojenia.

Po zapojeni napajacieho napatia (Z1, U=9V) som zmeral napatie VREF (= napatie na 5V pine). Nasledne som nastavil napatie na zdroji Z2 podla zadania a pockal na jeho ustalenie. Ustalene napatie som tiez zadal mikroprocesoru. Namerane udaje su v uvedene v tabulke nizsie.

Namerane udaje

Merane napatie	Metoda merania	Priemerna hodnota [mV]	Najvacsia odchylka [mV]	Offset [mV]	ISE [-]
0V	Jednotlive merania	0	0	0	0
	Meranie s usp. proc.	0	0	0	0
	Priemerovanie 64 vz.	0	0	0	0
2.5V (=2.550V)	Jednotlive merania	2539	5	-11	36
	Meranie s usp. proc.	2539	5	-11	10
	Priemerovanie 64 vz.	2539	0	-11	0
Vcc (=5.133V)	Jednotlive merania	5129	0	-4	0
	Meranie s usp. proc.	5129	0	-4	0
	Priemerovanie 64 vz.	5129	0	-4	0

Vidime z merania 2.5V, ze najlepsie je meranie za pomoci priemerovania 64 vzoriek a najhorsie za pomoci jednotlivych vozriek. Kedze hodnoty 0V a Vcc su zaroven aj krajne hodnoty pre A/D prevod, maju 0 odchylky. Pre mernaie 2.5V som vytvoril aj histogram.

Jednotlivé merania

Meranie s usp. procesorom

Priemerovanie 64 vzoriek

Algoritmus a program

Algoritmus programu využíva toto a toto, základné funkcie sú takéto a voláma ich tuto... Výpis kódu je nižšie...

AVR C-codeuart.huart.c.hnamerane.txtMatlabHistogram

/*
 * Created: 18. 4. 2025 9:28:26
 * Author : Rene Roger
 */ 

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#define BAUD 9600
#define F_CPU 16000000UL
#include "uart.h"
#include <stdio.h>
#include <util/delay.h>

//#define raw //zakomentovat ak nechceme vypisovat raw data na analyzu
#define ADC_PIN 7	// pin pouzity na meranie
#define SAMPLES 100 // pocet vzoriek na meranie

FILE uart_output = FDEV_SETUP_STREAM(uart_putc, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);
FILE uart_input  = FDEV_SETUP_STREAM(NULL, uart_getc, _FDEV_SETUP_READ);

unsigned int Measured[SAMPLES]={};
long Bmeastrue = 0;
unsigned int Vcc = 0;
unsigned int Vmeastrue = 0;

void adc_init(){
	ADMUX |= (1<<REFS0)|(ADC_PIN & 0x0F);
	ADCSRA |= (1<<ADEN)|(1<<ADPS0)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS2)|(1<<ADIE);
}

unsigned int adc_read(){
	ADCSRA |= (1<<ADSC);
	while (ADCSRA & (1<<ADSC));
	return(ADC);
}

unsigned int adc_get(){
	return(ADC);
}

void ADC_noise_reduction() {
	sei();	

	SMCR |= (1 << SM0);
	SMCR |= (1 << SE);
	ADCSRA |= (1 << ADIF);
	__asm__ __volatile__("sleep");

	SMCR &= ~(1 << SE);
}
void summary(){
	uint32_t ISE=0;
	unsigned int Bavg=0;
	unsigned int Bmax=Measured[0];
	unsigned int Bdev=0;
	unsigned int Bmin=Measured[0];
	uint32_t sum=0;

	for (int i=0;i<SAMPLES;i++)
	{
		sum+=Measured[i];
	}
	Bavg=sum/SAMPLES;

	for (int i=0;i<SAMPLES;i++)
	{
		if (Measured[i]>Bmax)
		{
			Bmax=Measured[i];
		}
		else if (Measured[i]<Bmin)
		{
			Bmin=Measured[i];
		}
		ISE+=(Measured[i]-Bavg)*(Measured[i]-Bavg);
	}

	Bdev = (Bmax - Bavg) > (Bavg - Bmin) ? (Bmax - Bavg) : (Bavg - Bmin);

	printf("vyhodnotenie:\n");
	printf("priemerna hodnota: %ld mV\n",((long)Bavg*(long)Vcc)>>10);
	printf("max odchylka: %ld mV\n",((long)Bdev*(long)Vcc)>>10);
	printf("posunutie: %ld mV\n",(((long)Bavg*(long)Vcc)>>10)-(long)Vmeastrue);
	printf("ISE: %lu\n\n",ISE);
	
	#ifdef raw
	for (int i=0;i<SAMPLES;i++)
	{
		printf("%d ",Measured[i]);
	}
	printf("\n\n");
	#endif
}

int main(void)
{
    uart_init();
    stdout = &uart_output;
    stdin = &uart_input;
    
    adc_init();
	sei();

    puts("Vitaj!");
	_delay_ms(500);

	puts("Zadaj napatie Vcc [mV]:");

	char input;
	
	uint8_t i=0;

	while(1){//ziska napatie Vcc od uzivatela- urcite bude 4 miestne
		i++;
		if (i > 4)
		{
			break;
		}
		input = uart_getc();
		Vcc = Vcc*10;
		Vcc += input-48;
		printf("%d\r",Vcc);
	}

	printf("Vcc je %d mV\n\n",Vcc);
	_delay_ms(500);

    while (1) 
    {
	puts("\n----------------------------------------------------------------\n");
	puts("Zadaj napatie na meranom pine [mV]:");
	i=0;Vmeastrue=0;
	while(1){//ziska napatie napatie od uzivatela- moze byt menej ako 4 miestne- caka na enter
		input = uart_getc();
		if (input == '\r')
		{
			break;
		}
		else
		{
			Vmeastrue = Vmeastrue*10;
			Vmeastrue += input-48;
		}
		printf("%d\r",Vmeastrue);
	}

	printf("merane napatie: %d mV\n\n",Vmeastrue);
	Bmeastrue=((long)Vmeastrue<<10)/(long)Vcc;//*1024
	_delay_ms(500);

	for (int j=0;j<SAMPLES;j++)
	{
		Measured[j]=adc_read();
	}

	printf("JEDNOTLIVE merania ");
	summary();
	_delay_ms(500);

	for (int j=0;j<SAMPLES;j++)
	{
		ADC_noise_reduction();
		Measured[j]=adc_get();
	}
    
	printf("SPANOK ");
	summary();
	_delay_ms(500);

	unsigned int avgmeas=0;
	for (int j=0;j<SAMPLES;j++)
	{
		avgmeas=0;
		for (int k=0;k<64;k++)
		{
			avgmeas+=adc_read();
		}
		Measured[j]=avgmeas>>6;///64
	}
	printf("PRIEMER z 64 ");
	summary();
	_delay_ms(500);
	}
}

ISR (ADC_vect){} //musi tu byt kvoli compileru

#ifndef UART_H_
#define UART_H_
#define BAUD 9600
#define F_CPU 16000000UL
void uart_init( void );
     
void uart_putc( char c );
void uart_puts( const char *s );

char uart_getc( void );

#endif

#include <avr/io.h>
//#include <util/setbaud.h>
#define BAUD 9600
#define F_CPU 16000000UL
void uart_init( void ) 
{
     UBRR0 =103;
/*
#if USE_2X
    UCSR0A |= _BV(U2X0);
#else
    UCSR0A &= ~(_BV(U2X0));
#endif*/

    UCSR0C = _BV(UCSZ01) | _BV(UCSZ00); /* 8-bit data */
    UCSR0B = _BV(RXEN0) | _BV(TXEN0);   /* Enable RX and TX */
}


void uart_putc(char c) 
{
   if (c == '\n') 
    {
       uart_putc('\r');
    }
   loop_until_bit_is_set(UCSR0A, UDRE0); /* Wait until data register empty. */
   UDR0 = c;
}


void uart_puts(const char *s)
{
  /* toto je vasa uloha */
  
  while(*s!='\0'){
	  uart_putc(*s);
	  s++;
  }
}
char uart_getc(void) {
    loop_until_bit_is_set(UCSR0A, RXC0); /* Wait until data exists. */
    return UDR0;
}

Vitaj!
Zadaj napatie Vcc [mV]:
Vcc je 5131 mV


----------------------------------------------------------------

Zadaj napatie na meranom pine [mV]:
merane napatie: 0 mV

JEDNOTLIVE merania vyhodnotenie:
priemerna hodnota: 0 mV
max odchylka: 0 mV
posunutie: 0 mV
ISE: 0

SPANOK vyhodnotenie:
priemerna hodnota: 0 mV
max odchylka: 0 mV
posunutie: 0 mV
ISE: 0

PRIEMER z 64 vyhodnotenie:
priemerna hodnota: 0 mV
max odchylka: 0 mV
posunutie: 0 mV
ISE: 0


----------------------------------------------------------------

Zadaj napatie na meranom pine [mV]:
merane napatie: 2550 mV

JEDNOTLIVE merania vyhodnotenie:
priemerna hodnota: 2539 mV
max odchylka: 5 mV
posunutie: -11 mV
ISE: 36

SPANOK vyhodnotenie:
priemerna hodnota: 2539 mV
max odchylka: 5 mV
posunutie: -11 mV
ISE: 10

PRIEMER z 64 vyhodnotenie:
priemerna hodnota: 2539 mV
max odchylka: 0 mV
posunutie: -11 mV
ISE: 0


----------------------------------------------------------------

Zadaj napatie na meranom pine [mV]:
merane napatie: 5133 mV

JEDNOTLIVE merania vyhodnotenie:
priemerna hodnota: 5129 mV
max odchylka: 0 mV
posunutie: -4 mV
ISE: 0

SPANOK vyhodnotenie:
priemerna hodnota: 5129 mV
max odchylka: 0 mV
posunutie: -4 mV
ISE: 0

PRIEMER z 64 vyhodnotenie:
priemerna hodnota: 5129 mV
max odchylka: 0 mV
posunutie: -4 mV
ISE: 0

jednotliveRaw=[506 506 507 506 506 507 506 506 506 506 507 507 507 506,...
    507 506 507 506 506 506 506 506 506 506 507 507 507 506 506 506 506,...
    506 506 506 506 506 507 507 507 507 507 507 507 507 506 506 506 506,...
    506 506 506 506 507 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 507 507,...
    506 506 506 506 506 506 506 507 507 507 506 507 506 506 506 507 507,...
    506 507 507 507 507 506 506 506 506 506 506 506 506 507 507 507,...
    507 507];

spanokRaw=[506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506,...
    506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 507 506 506 506 506 506,...
    506 506 507 507 506 507 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506,...
    506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 507 507 507 506 506 506,...
    506 506 506 506 506 506 507 507 507 506 506 506 506 506 506 506 506,...
    506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506];

pr64Raw=[506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506,...
    506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506,...
    506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506,...
    506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506,...
    506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506,...
    506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506 506];

figure("Name","histogram jednotlivé")
histogram(jednotliveRaw)
title("histogram - jednotlivé merania")
xticks(floor(min(xlim)):ceil(max(xlim)));
xticklabels(string(xticks));

figure("Name","histogram usp. proc.")
histogram(spanokRaw)
title("histogram - meranie s usp. procesorom")
xticks(floor(min(xlim)):ceil(max(xlim)));
xticklabels(string(xticks));

figure("Name","histogram 64 vzoriek")
histogram(pr64Raw)
title("histogram - priemerovanie 64 vzoriek")
xticks(floor(min(xlim)):ceil(max(xlim)));
xticklabels(string(xticks));

Pridajte sem aj zbalený kompletný projekt, napríklad takto (použite jednoznačné pomenovanie, nemôžeme mať na serveri 10x zdrojaky.zip:

Zdrojový kód: zdrojaky.zip

Overenie

Postup merania je v sekcii "Meranie". Vykonanie merania je intuitivne, nakolko uzivatel je navadzany textom v terminali. Fotografia hotoveho zariadnia nizsie.

Zapojenie

Video:

Kľúčové slová 'Category', ktoré sú na konci stránky nemeňte.