Linux ADC

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时间轴

2026-01-14

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ADC 基础

模拟信号与数字信号

模拟信号是一种连续变化的信号，其值可以在一定范围内取任意值。它在时间上和幅度上都是连续的，能够精确地反映自然界中的物理量变化。例如，温度传感器输出的电压信号、麦克风拾取的声音信号以及光敏电阻检测到的光强信号等，都属于模拟信号的范畴。

数字信号是一种离散的信号，其值只能在有限的范围内取特定的数值，通常以二进制形式表示。它的特点是时间上是离散的（采样点之间有固定的时间间隔），幅度上也是离散的（经过量化后的值）。例如，计算机中存储和处理的数据、MP3 文件中的音频数据以及 JPEG 图像文件中的像素值等，都是数字信号的具体体现。

维度	模拟信号特点	数字信号特点
本质	连续变化、取值任意	离散取值、常以二进制表示
特性	时间 + 幅度均连续	时间（采样间隔）+ 幅度（量化值）均离散
优势	精准反映自然物理量变化	易存储 / 传输 / 处理、抗干扰能力强
典型场景	传感器原始信号、自然声光电信号	计算机数据、数字音视频文件

ADC 概念

ADC 是 Analog-to-Digital Converter 的缩写，可以翻译为模数转换器。它是一种电子设备或电路模块，用于将连续变化的模拟信号（如电压、电流等）转换为离散的数字信号。这些数字信号可以被计算机、微控制器或其他数字系统处理和存储。

ADC 将模拟信号转换为数字信号通常分为采样、保持、量化以及编码四个步骤，每个步骤的定义以及作用如下表所示：

步骤	定义	作用	关键参数或特点
采样（Sampling）	以固定的时间间隔对模拟信号进行测量的过程。	将时间上连续的模拟信号离散化，为后续数字化处理奠定基础。	采样频率（Sampling Rate），即每秒采样的次数。根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少是信号最高频率的两倍。
保持（Holding）	在采样完成后，将信号的瞬时值保持一段时间以便后续处理。	确保信号在量化过程中不会因快速变化而失真，提高转换的精度和稳定性。	无明确参数，主要目的是稳定信号。
量化（Quantization）	将采样得到的连续幅值映射到一组离散数值上的过程。	将幅度上连续的信号离散化，使其能够被数字系统表示。	分辨率（Resolution），通常用位数表示（如 8 位、10 位、12 位等）。分辨率越高，信号越精确。
编码（Encoding）	将量化后的数值转换为二进制代码的过程。	将离散的数值以数字系统可识别的形式表示出来，便于存储、传输和处理，使模拟信号能被计算机或其他数字设备使用。	无明确参数，重点是生成适合数字系统使用的二进制代码。

ADC 广泛应用于传感器信号采集、音频处理、图像处理、工业自动化以及医疗设备中：

1. 传感器信号采集：许多传感器输出的是模拟信号。例如，温度传感器、压力传感器、光敏传感器等采集到的环境数据通常以模拟信号形式存在。
2. 音频处理：麦克风拾取的声音信号是模拟信号。
3. 图像处理：摄像头捕捉的光信号本质上是模拟信号。
4. 工业自动化：各种物理量（如速度、位置、压力等）的测量通常依赖于传感器输出的模拟信号。
5. 医疗设备：许多生物信号（如心电图、脑电图等）是以模拟信号形式采集的。

ADC分辨率

ADC 的分辨率是指模数转换器能够区分的最小信号变化的能力。换句话说，它是 ADC 将模拟信号量化为离散数字值时的精细程度。在 ADC 中，分辨率越高，意味着它可以更精确地表示输入的模拟信号。当我们将数字信号通过 DAC（数模转换器）还原为模拟信号时，高分辨率的 ADC 能够生成更接近原始模拟信号的结果。

ADC 的分辨率通常用位数来表示，例如 8 位、10 位、12 位等。位数决定了 ADC 能够输出的离散数值的数量，n 位 ADC 可以表示 2^n 个不同的数值。例如，8 位 ADC 可以表示 2^8=256 个不同的数值；10 位 ADC 可以表示 2^10= 1024 个不同的数值；12 位 ADC 可以表示 2^12= 4096 个不同的数值。位数越高，分辨率越高，能够区分的信号变化越小。

分辨率可以通过以下公式计算：
$$
\text{分辨率} = \dfrac{\text{量程}}{2^n}
$$

其中：

1. 量程是指 ADC 输入信号的最大范围（即参考电压范围）；
2. n 是 ADC 的位数；
3. 2^n 表示 ADC 能够区分的离散数值总数。

例子：假设一个 3 位 ADC 的参考电压（量程）为 2V，计算他的分辨率：

1. 量程 = 2V
2. 位数为 3，2^n = 2^3 = 8；

代入分辨率计算公式可得 2V/8= 0.25V。这意味着该 ADC 能够将输入信号分成 8 个离散的等级，每个等级之间的步长为 0.25V。

除了分辨率，ADC的其他参数如下

参数	定义	作用或意义
采样时间（Sampling Time）	完成一次采样所需的时间。	决定了 ADC 能够以多快的速度捕获输入信号的变化。如果采样时间过长，可能会导致信号失真或丢失细节。
转换时间（Conversion Time）	将模拟信号转换为数字信号所需的时间。	直接影响 ADC 的速度和效率。较短的转换时间意味着 ADC 可以更快地处理信号。
采样频率（Sampling Frequency）	每秒采集样本的次数，常用单位为 ksps（千次 / 秒）或 Msps（百万次 / 秒）。	决定了 ADC 对信号变化的捕捉能力。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍，才能准确还原信号。
精度（Accuracy）	ADC 输出的数字值与实际模拟输入值之间的误差。	反映了 ADC 的可靠性和测量质量，是衡量其性能的重要指标。

RK3568 ADC

在 RK3568 数据手册中的外设资源框图中可以找到，RK3568 这颗 SOC 总共有 8 路 SARADC。

SARADC （Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter）的中文名称为逐次逼近型 ADC；

除了 SAR ADC 之外，还有两路 TS-ADC（Temperature Sensor ADC），他们分别用来检测 CPU 和 GPU 的温度，如果在一段时间内检测到温度过高，则会向处理器发出中断信号以采取降温措施；如果温度持续过高，将复位整个芯片，达到重启的效果。TS-ADC 只负责检测 CPU 和 GPU 的温度所以并未在底板引出。

ADC 按键

ADC 按键 是 SARADC 外设，ADC 按键的工作原理是将多个按键连接到同一个 ADC 引脚上，并通过不同的分压电阻产生不同的电压，通过 ADC 测量该电压，并与预设的电压范围进行比对，从而判断哪个按键被按下。

有两路 ADC 分别被用在了 HW_ID 和 BOM_ID 上，用于不同电子设备的硬件识别，但由于topeet的外设都是通用的，所以这两路 ADC 并没有被用到。

有 4 路 ADC 被连接到了 6pin 的座子上，原理图如下所示

总结如下

ADC 接口	复用功能
SARADC VIN0	用作按键引脚（音量 +，音量 -，HOME，BACK）
SARADC VIN1	用作 HW ID 引脚
SARADC VIN2	未使用
SARADC VIN3	用作 BOM ID 引脚
SARADC VIN4	未使用
SARADC VIN5	未使用
SARADC VIN6	未使用
SARADC VIN7	未使用

逐次逼近型 ADC

逐次逼近型 ADC（Successive Approximation Register ADC，简称 SAR ADC）是一种常见的模数转换器，其工作原理基于逐次逼近算法。它通过逐步比较输入模拟信号与内部生成的参考电压，最终确定一个接近输入信号的数字值。SAR ADC 工作原理示意图如下所示

由上图可知逼近寄存器型模数转换器（SAR ADC）主要由以下几个部分组成：

1. 比较器（Comparator）：用于比较输入模拟信号 U1 和 D/A 转换器（DAC）输出的参考电压 U0，并产生反馈信号。
2. N 位 D/A 转换器（DAC）：将数字值转换为模拟电压，与输入信号进行比较，以逐步逼近目标值。
3. N 位逐次逼近寄存器（SAR）：用于存储当前的比较结果，并根据比较器的反馈调整数值，最终确定数字输出。
4. 置数选择逻辑：控制逐次逼近寄存器的位选择过程，按二分法调整 DAC 的输出电压。

工作过程：

1. 首先，模拟输入信号 U1 进入 ADC，并由采样电路暂存，以便进行后续处理。
2. 随后，逐次逼近寄存器（SAR）初始化，并通过置数选择逻辑电路的控制，按照二分法逐步确定最终的数字输出值。

在转换过程中，SAR 从最高位开始假设为 1，并将当前的 N 位数字值传递给 D/A 转换器。DAC 将其转换为模拟电压 U0，然后送入比较器，与输入信号 U1 进行比较。如果 U0 小于 U1，当前位保持 1；否则，当前位改为 0。这个过程不断重复，每次确定一位，直到所有 N 位都完成，形成最终的数字输出。

3. 最终，SAR 将确定的 N 位数字值输出，完成一次模数转换。

举例如下：

5 位逐次逼近型 ADC 在参考电压为 32mV、待测电压为 21.5mV 的情况

1. 设置最高位：SAR 寄存器将最高位（第 5 位）设置为“1”，其余位为“0”，当前 SAR 值为 10000（二进制），即 16（十进制）。DAC 根据 SAR 值生成参考电压 U0=16×1mV=16 mV。比较器比较 U1=21.5 mV,V_0 =16，由于 U1>U0，因此保留当前位为“1”。
2. 设置次高位：SAR 寄存器保持最高位为“1”，并将次高位（第 4 位）设置为“1”，此时 SAR 值为 11000（二进制），即 24（十进制）。DAC 生成参考电压 U0=24×1 mV=24 mV。比较器比较 U1=21.5 m 和 U0=24 mV，由于 U1<U0，因此将当前位重置为“0”。
3. 设置第三位：SAR 寄存器保持前两位为“10”，并将第三位（第 3 位）设置为“1”，此时 SAR 值为 10100（二进制），即 20（十进制）。DAC 生成参考电压 U0=20×1 mV=20 mV。比较器比较 U1=21.5 mV 和 U0=20 mV，由于 U1>U0，因此保留当前位为“1”。
4. 设置第四位：SAR 寄存器保持前三位为“101”，并将第四位（第 2 位）设置为“1”，此时 SAR 值为 10110（二进制），即 22（十进制）。DAC 生成参考电压 U0=22×1 mV=22 mV。比较器比较 U1=21.5 mV 和 U0=22 mV，由于 U1<U0，因此将当前位重置为“0”。
5. 设置最低位：SAR 寄存器保持前四位为“1010”，并将最低位（第 1 位）设置为“1”，此时 SAR 值为 10101（二进制），即 21（十进制）。DAC 生成参考电压 U0=21×1 mV=21 mV。比较器比较 U1=21.5 mV 和 U0=21 mV，由于 U1>U0，因此保留当前位为“1”。
6. 结果：经过逐次逼近后，SAR 寄存器的值为 10101（二进制），即 21（十进制）。

操作 ADC

进入到/sys/bus/iio/devices/iio:device0 目录下

需要注意的是 in_voltageX_raw 和 in_voltage_scale。

• in_voltageX_raw 表示 ADC 某个通道的原始采样值，其中 X 是通道编号（如 0, 1, 2, …, 7）。它以整数形式存储 ADC 转换后的数字代码，用户可以通过读取该文件获取对应通道的未经缩放的原始数据。需要注意的是，这些值并未经过量程缩放，必须结合in_voltage_scale 进行计算才能得到实际电压值。
• in_voltage_scale 是用于将 ADC 原始采样值转换为实际电压值的缩放因子，通常定义为 1.8/1024。它以浮点数形式表示，单位可以是毫伏（mV）或伏特（V），具体取决于硬件实现。通过将 in_voltageX_raw 的原始值乘以in_voltage_scale，即可得到对应通道的实际电压值，从而实现从数字代码到物理量的转换

这里以 ADC 的通道 7 为例进行演示，对应的硬件为底板的 J24 的第 5 脚，具体如下图所示

DC 的通道 7 对应的原始采样值为 in_voltage7_raw，使用 cat 命令进行读取，读取到的值如下所示：

$ cat involtage7_raw
1017

这里读取到的是未经缩放的原始数据，然后继续使用cat命令读取缩放因子 in_voltage_scale 的值，具体如下所示：

$ cat in_voltage_scale
1.757812500

然后将获取到的原始采样值与缩放因子相乘即可得到实际电压值 1017x1.757812500=1787.6953125 mv=1.787 V

而除了上面的 SAR ADC 之外，还有着两路 TSADC，他们分别用来查询 CPU 和 GPU 的温度，

查看 CPU 的温度：

cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp

查看 GPU 的温度：

cat /sys/class/thermal/thermal_zone1/temp

ADC 驱动程序

编写一个 ADC 驱动程序，通过杂项设备创建一个 ADC 设备节点，通过该节点来读取对应通道的 ADC 值。

API 函数

iio_channel_get()

函数原型

struct iio_channel *iio_channel_get(const char *name, const char *channel_name);

核心作用

从 Linux IIO 子系统中，根据「IIO 设备名」和「通道名」，获取一个对应的 struct iio_channel 通道结构体指针，后续所有对该 ADC 通道的操作都依赖这个指针。

参数说明

• name：指定要操作的 IIO 设备名称 / ID，如果传 NULL 表示使用系统默认的 IIO 设备；SARADC 场景常用 NULL
• channel_name：指定要打开的 ADC 通道名称，具体名称要和内核驱动匹配。

返回值

• ✅ 成功：返回有效的 struct iio_channel * 结构体指针（通道句柄）；
• ❌ 失败：返回内核错误指针 ERR_PTR(错误码)，不能直接作为正常指针使用。

iio_channel_release()

获取的通道句柄用完必须释放，否则造成内核资源泄漏，释放函数固定搭配：

void iio_channel_release(struct iio_channel *channel);

• 参数：就是 iio_channel_get 获取到的通道指针
• 特性：无返回值，安全调用即可。

struct iio_channel

struct iio_channel {
    struct iio_device *indio_dev;  // 当前通道绑定的IIO设备（如SARADC设备）
    const char *channel_name;      // 通道名称，和入参channel_name一致
    int channel_index;             // 通道索引，比如VIN0对应0，VIN3对应3
    bool is_output;                // 是否为输出通道，ADC是「输入通道」固定为false
};

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iio_read_channel_raw()

函数原型

int iio_read_channel_raw(struct iio_channel *channel, int *val);

核心作用

从已经打开的 IIO 通道（ADC 通道）中，读取未经任何校准 / 换算的原始整型数据，是 ADC 数据读取的核心函数。

✔️ 你的 SARADC 场景：读取到的 val 就是 ADC 引脚采集到的电压对应的原始数字量（比如 10 位 ADC 就是 0~1023 的数值）。

参数说明

• channel：输入参数，iio_channel_get 成功返回的通道句柄，必须是有效指针；
• val：输出参数，一个整型指针，函数执行成功后，采集到的 ADC 原始数据会被写入该地址指向的变量中。

返回值

• ✅ 成功：返回 0；
• ❌ 失败：返回负数的内核错误码（如 -EINVAL 无效参数、-ENODEV 设备不存在等）。

关键注意点

读取到的 val 是 原始裸数据：

• 无单位、无校准、无换算，只是 ADC 模数转换后的纯数字值；
• 数值范围由 ADC 位数决定（比如 8 位 ADC：0255；10 位 ADC：01023；12 位 ADC：0~4095）；
• 如果需要换算成实际的电压值，需要自己写公式：实际电压 = (原始值 / ADC最大量程) * ADC参考电压。

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内核驱动中标准写法

// 步骤1：定义变量
struct iio_channel *adc_channel;
int adc_raw_data;
int ret;

// 步骤2：获取ADC通道句柄 (示例：打开SARADC的VIN0通道)
adc_channel = iio_channel_get(NULL, "vin0");
// 步骤3：判断通道获取是否成功
if (IS_ERR(adc_channel)) {
    ret = PTR_ERR(adc_channel); // 提取错误码
    printk("获取ADC通道失败: %d\n", ret);
    return ret;
}

// 步骤4：读取ADC原始数据
ret = iio_read_channel_raw(adc_channel, &adc_raw_data);
if (ret < 0) {
    printk("读取ADC数据失败: %d\n", ret);
    iio_channel_release(adc_channel); // 失败也要释放资源！
    return ret;
}
printk("ADC原始采集值：%d\n", adc_raw_data);

// 步骤5：使用完通道，必须释放资源
iio_channel_release(adc_channel);

设备树

添加设备节点：

adc7: adc-test {
	compatible = "myadc";
	io-channels = <&saradc 7>;
};

重点在 io-channels，意味要使用的是 ADC 的第 7 个通道

驱动程序

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/iio/consumer.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/of.h>  // 添加对设备树的支持

#define CMD_READ_SCALE _IOR('A', 0x1, int)  // 定义 ioctl 命令

static struct iio_channel *adc_chan;  // IIO 通道指针

// 文件操作：ioctl 实现
static long adc_dev_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
    int scale = 0;

    switch (cmd) {
        case CMD_READ_SCALE:
            // 从 ADC 通道读取原始值
            if (iio_read_channel_raw(adc_chan, &scale) < 0) {
                pr_err("Failed to read ADC channel raw value\n");
                return -EIO;
            }
            // 将数据复制到用户空间
            if (copy_to_user((int *)arg, &scale, sizeof(scale))) {
                pr_err("Failed to copy data to user space\n");
                return -EFAULT;
            }
            break;

        default:
            pr_err("Invalid ioctl command\n");
            return -EINVAL;
    }

    return 0;
}

// 文件操作结构体
static const struct file_operations adc_dev_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .unlocked_ioctl = adc_dev_ioctl,
};

// 杂项设备结构体
static struct miscdevice adc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,  // 动态分配次设备号
    .name = "adc",                // 设备名称
    .fops = &adc_dev_fops,        // 文件操作接口
};

// 设备树匹配表
static const struct of_device_id adc_driver_match[] = {
    { .compatible = "myadc" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, adc_driver_match);

// 平台设备探测函数
static int adc_driver_probe(struct platform_device *pdev) {
    // 获取 IIO 通道
    adc_chan = iio_channel_get(&pdev->dev, NULL);
    if (IS_ERR(adc_chan)) {
        pr_err("Failed to get IIO channel\n");
        return PTR_ERR(adc_chan);
    }

    // 注册杂项设备
    if (misc_register(&adc_dev)) {
        pr_err("Failed to register misc device\n");
        iio_channel_release(adc_chan);  // 释放 IIO 通道
        return -ENODEV;
    }

    pr_info("ADC driver probed successfully\n");
    return 0;
}

// 平台设备移除函数
static int adc_driver_remove(struct platform_device *pdev) {
    // 注销杂项设备
    misc_deregister(&adc_dev);

    // 释放 IIO 通道
    iio_channel_release(adc_chan);

    pr_info("ADC driver removed successfully\n");
    return 0;
}


// 平台设备驱动结构体
static struct platform_driver adc_driver = {
    .probe = adc_driver_probe,
    .remove = adc_driver_remove,
    .driver = {
        .name = "myadc",  // 驱动名称
        .owner = THIS_MODULE,
        .of_match_table = adc_driver_match,
    },
};


// 模块初始化函数
static int __init adc_driver_init(void) {
    int ret;

    // 注册平台设备驱动
    ret = platform_driver_register(&adc_driver);
    if (ret) {
        pr_err("Failed to register platform driver\n");
        return ret;
    }

    pr_info("ADC driver module loaded\n");
    return 0;
}

// 模块退出函数
static void __exit adc_driver_exit(void) {
    // 注销平台设备驱动
    platform_driver_unregister(&adc_driver);

    pr_info("ADC driver module unloaded\n");
}

module_init(adc_driver_init);
module_exit(adc_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("topeet");

测试：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>

#define CMD_READ_SCALE _IOR('A', 1, int)

int main(int argc, char *argv[]) {
    int scale = 0;
    int fd;
	float value = 0.0;      // 用于存储计算后的实际电压值

    // 打开设备文件
    fd = open("/dev/adc", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        printf("open error\n");
        return -1;
    }

    // 使用 ioctl 读取 scale 值
    if (ioctl(fd, CMD_READ_SCALE, &scale) < 0) {
        printf("ioctl error\n");
        close(fd);
        return -1;
    }

	value = (1.8 / 1024) * (float)scale;

    // 打印读取到的 scale 值
    printf("val is %lf\n", value);

    // 关闭设备文件
    close(fd);
    return 0;
}