CN103604984A - 一种基于最小二乘法提高ad采集精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于AD采集技术领域，公开了一种基于最小二乘法提高AD采集精度的方法，包括下述步骤：S1按照通信协议进行数据通信，发送采集命令并接收采集数据；S2采用最小二乘法对AD采集数据进行线性拟合，获得零位偏差和修正斜率值，并保存各个AD通道的零位偏差和修正斜率值；S3根据标定所需要的标准采样电压值以及各个AD通道的零位偏差和修正斜率值分别对多路AD通道的零偏和系数进行标定。本发明利用最小二乘法对AD采集数据进行修正补偿，计算AD采集的线性斜率以及零偏，可提高AD采集精度；同时采用滤波方法对采集电压值进行滤波处理，可以很好地消除毛刺，避免干扰，提高标定精度。另外还可以同时对多通道AD芯片进行电压修偏。

Description

一种基于最小二乘法提高AD采集精度的方法

技术领域

本发明属于AD采集技术领域，更具体地，涉及一种基于最小二乘法提高AD采集精度的方法。

背景技术

由于存在干扰以及AD芯片本身特性的影响，在实际工程应用中，AD芯片采集到的电压往往和实际电压有一定的偏差，因此，AD采集电压值在使用时需要进行算法处理。在工程实践中，常常需要同时为6路，甚至12路AD通道进行电压修偏，而且，每一路AD通道需要至少20个采样电压值才能进行标定，因此，实现同时对多通道AD芯片进行电压修偏，难度极大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了种基于最小二乘法提高AD采集精度的方法，旨在解决现有技术中同时对多通道AD芯片进行电压修偏、难度大、精度低的技术问题。

本发明提供的基于最小二乘法提高AD采集精度的方法，包括下述步骤：

S1：按照通信协议进行数据通信，发送采集命令并接收采集数据；

S2：采用最小二乘法对AD采集数据进行线性拟合，获得零位偏差和修正斜率值，并保存各个AD通道的零位偏差和修正斜率值；

S3：根据标定所需要的标准采样电压值以及各个AD通道的零位偏差和修正斜率值分别对多路AD通道的零偏和系数进行标定。

更进一步地，各个AD通道标定所需要的标准采样电压值不同。

更进一步地，各个AD通道的零位偏差和修正斜率值以txt格式文档保存。

更进一步地，在步骤S1之后且步骤S2之前还包括下述步骤：对所述采集数据进行滤波处理。

更进一步地，在步骤S2中，根据公式

和计算零位偏差和修正斜率值；k为斜率，d为零偏，n为AD采样样本个数，V_in为输入电压，V_out为AD采集电压。

本发明利用最小二乘法对AD采集数据进行修正补偿，计算AD采集的线性斜率以及零偏，可提高AD采集精度；同时采用滤波方法对采集电压值进行滤波处理，可以很好地消除毛刺，避免干扰，提高标定精度。另外，在软件设计时，实现了对AD芯片的多路通道进行数据采样，即实现了同时对对多通道AD芯片进行电压修偏。

附图说明

图1为本发明提供的基于最小二乘法提高AD采集精度的方法实现流程图；

图2为本发明实施例提供的基于最小二乘法提高AD采集精度的方法实现流程图；

图3为采用本发明实施例提供的方法修正后实测电压值曲线图；

图4为本发明实施例提供的计算机板AD系数标定系统框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的基于最小二乘法提高AD采集精度的方法以最小二乘法作为提高AD采样精度的核心算法。由于芯片特性的原因，AD芯片采集到的电压往往和实际电压有一定的误差，通过最小二乘法，将采集到的实际电压进行线性拟合，计算出线性方程的零位偏移和修正斜率，之后，用此参数对AD芯片采集到的电压进行修正，即可得到比较精确的电压值，如图2所示。

该方法的实现基于的硬件分为三个部分：上位机标定模块、下位机和测试台。

(1)上位机标定软件：提示用户需要输入采样的电压值，向下位机发送AD采集命令，并接收采集到的AD电压的实际值。所有采样电压值采集完毕之后，通过线性拟合，计算出零位偏差和修正斜率，并将各AD通道的零位偏差和修正斜率保存，通过串口发送到下位机，写入flash。

(2)下位机软件：接收上位机发送的AD采集命令，并将采集到的实际电压值滤波后经过转换，打包发送给上位机。同时，在标定完成后，接收上位机发送的零位偏差和修正斜率的值，写入flash。待计算机板重新上电之后，读出flash中的参数，对采集的电压进行修正。

(3)标定测试台：给计算机板进行供电，提供计算机板和上位机软件的串口连接。同时，在标定过程中，将不同的标准采样电压值输入到各路AD通道口，以便对各个采样电压值进行标定。

利用最小二乘法对AD采集数据进行修正补偿，计算AD采集的线性斜率以及零偏，可提高AD采集精度。

本发明以最小二乘法作为AD系数标定的核心算法。在计算机板上电后，上位机向下位机发送数据采集的指令之前，会提示用户向某一个AD通道输入指定的标准采样电压，各个AD通道标定所需要的标准采样电压值可以不同，只要采样值有代表性即可。下位机收到采集命令之后，将采集到的电压先滤波，再按照协议转换为十六进制数，将此数据打包后，发送给上位机软件。重复上述过程，输入不同的采样电压，将采集到的实际电压保存，再通过最小二乘法公式进行计算，得到每个AD通道的零位偏差和修正斜率。上位机软件将上述各通道的零偏和系数保存为txt文档，这样可以保存数据，并且在以后再次写程序时，可以不需标定，直接采用保存的相对应的txt文档。在完成零偏和系数的计算后，上位机软件读取txt文档中的数值，按协议通过串口发送到下位机，下位机软件接收到此命令和数据后，将各通道的零偏和系数值写入计算机板上flash芯片的特定位置。待计算机板重新上电之后，下位机软件会自动读取上述位置中的修偏参数，对AD采集到的实际电压进行修正，系统流程图如图2所示。

本发明的目的是用软件实现最小二乘法标定计算机板上AD芯片的零位偏差和修正斜率，以实现对采集电压值的修正。本发明以A/D转换芯片AD7656为例，此芯片采样速率为250kSPS，转换精度为16位。在调试过程中发现，A/D转换数据不做修正时，绝大部分实测电压值和采样值之间的误差都大于10mv，达不到实际工程需求，因此有必要对采样数据进行软件算法优化，以提高AD采样的精度。

最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便的求出未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可以用于曲线拟合。

在科研生产中，在进行AD采集时，若电源的输入电压为V_in，AD芯片采集到的电压为V_out。分析这些数据可以发现，若将一系列成对数据(V_inl，V_outl)，(V_in2，V_out2)…(V_inx，V_outx)绘制在直角坐标系中，可发现这些坐标点都在一条直线附近。令这条直线的方程为式(1)，如下所示：

V_out＝k·V_in+d(1)

上述公式即为输入电压V_in和AD采集电压V_out之间的线性关系模型。其中k为斜率，d为零偏。为了计算斜率k和零偏d，可利用最小二乘法原理，公式如(2)(3)所示： $k=\frac{n\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}{V}_{\mathrm{out}}\right)-\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}\right)\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{out}}\right)}{n\left(\mathrm{\Σ}\left({V_{\mathrm{in}}}^2\right)\right)-{\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}\right)}^2}......\left(2\right);$ $d=\frac{\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{out}}\right)\left(\mathrm{\Σ}\left({V_{\mathrm{in}}}^2\right)\right)-\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}\right)\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}{V}_{\mathrm{out}}\right)}{n\left(\mathrm{\Σ}\left({V_{\mathrm{in}}}^2\right)\right)-{\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}\right)}^2}......\left(3\right);$ 其中n为AD采样样本个数。

计算机板AD系数标定系统由测试台，精密电源，上位机标定软件组成，如图4所示。该系统使用方便，操作简单。在实际应用中，将上位机通过串口线和计算机板相连接，精密电源向计算机板上的AD接口供电，双击表格中的任一单元格，上位机软件即可向串口发送相应命令，此时软件会自动提示使用者给AD的某一通道输送指定的标准采样电压值。目前采用的采样值为10V、9V、8V、7V、6V、5V、4V、3V、2V、1V、0V、-1V、-2V、-3V、-4V、-5V、-6V、-7V、-8V、-9V、-10V。由于AD芯片的电压采集范围要求为±10V，所以上述采样值可以满足要求。

计算机板DSP软件响应发出的命令，进行AD数据采集，获取的每个电压值都是通过采集6次电压值，去掉最大值和最小值，其余4个电压值取平均计算出来的，这种滤波方法可以很好地消除毛刺，避免干扰，提高标定精度。

计算机板软件将滤波处理后的电压值打包发送到上位机的标定软件，该软件可以用最小二乘法自动计算出所有通道的修正斜率和零偏。计算完毕后，所有修正斜率和零偏系数保存为txt文档，存储到指定的位置，再使用该软件的“AD系数上传”功能，将生成的AD系数文件载入后，即可将标定好的系数上传到计算机板软件中。计算机板DSP软件收到上传的系数后，将系数写入到flash中存储，重新上电后，软件会自动载入标定的系数。

使用这种方法，可以很容易同时对12路甚至更多路AD通道的电压值进行标定。如图3所示，经过修正后，AD电压采集误差均小于10mV，满足技术要求，绝大部分精度值都小于5mV，远远大于精度要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于最小二乘法提高AD采集精度的方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：按照通信协议进行数据通信，发送采集命令并接收AD采集数据；

S2：采用最小二乘法对AD采集数据进行线性拟合，获得零位偏差和修正斜率值，并保存各个AD通道的零位偏差和修正斜率值；

S3：根据标定所需要的标准采样电压值以及各个AD通道的零位偏差和修正斜率值分别对多路AD通道的零偏和系数进行标定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各个AD通道标定所需要的标准采样电压值不同。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，各个AD通道的零位偏差和修正斜率值以txt格式文档保存。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1之后且步骤S2之前还包括下述步骤：对所述采集数据进行滤波处理。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，根据公式 $k=\frac{n\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}{V}_{\mathrm{out}}\right)-\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}\right)\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{out}}\right)}{n\left(\mathrm{\Σ}\left({V_{\mathrm{in}}}^2\right)\right)-{\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}\right)}^2}$ 和 $d=\frac{\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{out}}\right)\left(\mathrm{\Σ}\left({V_{\mathrm{in}}}^2\right)\right)-\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}\right)\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}{V}_{\mathrm{out}}\right)}{n\left(\mathrm{\Σ}\left({V_{\mathrm{in}}}^2\right)\right)-{\left(\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{in}}\right)}^2}$ 计算零位偏差和修正斜率值；k为斜率，d为零偏，n为AD采样样本个数，V_in为输入电压，V_out为AD采集电压。

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