基于嵌入式Linux的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

摘要：介紹了Linux驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，在分析步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)程序接口的基礎(chǔ)上,給出了一個(gè)在嵌入式Linux平臺(tái)上編寫步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)例。本平臺(tái)基于Samsung公司的S3C2410X CPU，采用Linux2.4內(nèi)核作為它的操作系統(tǒng)。介紹了如何通過對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。在JXARM2410實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)運(yùn)行正常。

1．引言

隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，基于嵌入式系統(tǒng)的新一代工業(yè)控制器也日益增多。同以往的控制器不同，新的儀器大多以32位嵌入式處理器為核心，并且安裝有嵌入式操作系統(tǒng)，從而大幅度提高了處理能力，方便了設(shè)計(jì)開發(fā)。在各種嵌入式操作系統(tǒng)中，嵌入式Linux是免費(fèi)的自由軟件，其構(gòu)建的系統(tǒng)成本較低，而且Linux是單內(nèi)核的操作系統(tǒng)，并可按要求進(jìn)行任意剪裁，因此越來越多的研究人員開始在用Linux平臺(tái)來開發(fā)自己的產(chǎn)品[1]。

嵌入式開發(fā)過程中，經(jīng)常需要為特定設(shè)備開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。這些驅(qū)動(dòng)程序的編寫和編譯與PC上的Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)相比存在明顯的差異，需要考慮的因素更多，實(shí)現(xiàn)過程更為復(fù)雜。本文以SAMSung公司S3C2410X CPU為例，探討如何為使用嵌入式Linux的工業(yè)控制器開發(fā)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

2．Linux驅(qū)動(dòng)程序概述

在Linux中，幾乎所有的內(nèi)容都是文件，對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的訪問也是以文件操作的方式實(shí)現(xiàn)的。Linux系統(tǒng)支持3種類型的硬件設(shè)備：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序是系統(tǒng)內(nèi)核的重要組成部分。對(duì)用戶程序而言，操作系統(tǒng)隱藏了設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，把設(shè)備映射為一個(gè)設(shè)備文件，用戶程序可以對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行open、close、read、write等操作。這些操作和驅(qū)動(dòng)程序是通過STruct file_operations這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來的，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫子函數(shù)填充file_operations的各個(gè)字段[2]。

3．嵌入式Linux步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

3．1 嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)

嵌入式Linux下的設(shè)備總體上可以分為兩部分：

其一，驅(qū)動(dòng)與內(nèi)核接口層，它實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊在Linux內(nèi)核的注冊(cè)加載與卸除工作。主要任務(wù)就是在模塊加載時(shí)向內(nèi)核注冊(cè)驅(qū)動(dòng)，以及實(shí)現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)的設(shè)備操作接口。對(duì)于采用中斷的設(shè)備，此部分還包括中斷處理函數(shù)的注冊(cè)與注銷。

其二，硬件設(shè)備接口層，這部分主要描述驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備的交互。它主要包括硬件探測和初始化以及設(shè)備的讀寫訪問和設(shè)備控制操作。硬件探測主要是在驅(qū)動(dòng)注冊(cè)加載時(shí)監(jiān)測設(shè)備是否存在，設(shè)備初始化主要是檢測到設(shè)備后對(duì)它進(jìn)行初始化操作。設(shè)備的讀寫操作主要完成從設(shè)備接受數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)發(fā)送給設(shè)備的操作。硬件設(shè)備接口層還需要包括一些設(shè)備的控制操作，設(shè)定設(shè)備的工作參數(shù)。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核接口層，Linux提供了標(biāo)準(zhǔn)的入口點(diǎn)函數(shù)init_module()；在通過模塊化的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，使用insmod加載核心模塊時(shí)會(huì)調(diào)用本函數(shù)，通知內(nèi)核對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行注冊(cè)。模塊的卸除工作與加載工作類似，通過rmmod卸載模塊時(shí)，調(diào)用cleanup_module()取消驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)。

3．2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序需求分析

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超負(fù)載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。所以在驅(qū)動(dòng)程序中間只需要考慮這兩個(gè)方面的影響。

本系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)的四相由硬件地址0x28000006的bit0～bit3控制，bit0對(duì)應(yīng)MOTOR_A，bit1對(duì)應(yīng)MOTOR_B，bit2對(duì)應(yīng)MOTOR_C，bit3對(duì)應(yīng)MOTOR_D。本文所描述的驅(qū)動(dòng)是針對(duì)整步模式下的步進(jìn)電機(jī)，整步模式下的步距角18°。在整步模式下的脈沖分配信號(hào)如表所示。

所以在程序中需要通過編制脈沖分配表控制步進(jìn)電機(jī)，并且通過修改脈沖分配表可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)方向的控制。

系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)僅僅是一個(gè)輸出的通道，只能順序的進(jìn)行控制的操作，因此作為一個(gè)字符設(shè)備來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。對(duì)于字符設(shè)備的操作而言驅(qū)動(dòng)程序需要提供相關(guān)的幾個(gè)操作分別為open，read，write，ioctl等相關(guān)的函數(shù)入口點(diǎn)。在驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)過程中需要定義這些文件相關(guān)的操作，填充進(jìn)入file_operations結(jié)構(gòu)中。

與普通文件相比，設(shè)備文件的操作要復(fù)雜得多，不可能簡單的通過read、write等操作來實(shí)現(xiàn)。并且由于對(duì)于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序沒有相關(guān)的輸入與輸出，更關(guān)注的是對(duì)硬件的控制，因此在驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趙rite操作和read操作僅需返回0，而對(duì)于硬件的控制只需要在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)ioctl函數(shù)，并在其中添加相應(yīng)的case即可。通過cmd區(qū)分操作，通過arg傳遞參數(shù)和結(jié)果[3]。

3．3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)用到了I/O端口，而在ARM9中操作端口要用虛擬地址而非實(shí)際的物理地址，所以要修改內(nèi)核代碼。

修改文件內(nèi)核源代碼中間的smdk.c，在結(jié)構(gòu)體

　　static struct map_desc smdk_io_desc] __initdata = {

　　{ vCS8900_BASE, pCS8900_BASE, 0x00100000, DOMAIN_IO, 0, 1, 0, 0 },

　　{ vCF_MEM_BASE, pCF_MEM_BASE, 0x01000000, DOMAIN_IO, 0, 1, 0, 0 },

　　{ vCF_IO_BASE, pCF_IO_BASE, 0x01000000, DOMAIN_IO, 0, 1, 0, 0 },

　　LAST_DESC

　　};

中添加一行數(shù)組元素{ 0xd3000000, 0x28000000, 0x01000000, DOMAIN_IO, 0, 1, 0, 0 },則步進(jìn)電機(jī)的物理地址0x28000006對(duì)應(yīng)的虛擬地址為0xd3000006，在驅(qū)動(dòng)程序中應(yīng)對(duì)這個(gè)地址進(jìn)行操作。

定義全局變量num和status用來控制步進(jìn)電機(jī)的速度和方向：

　　static int num=1;

　　static enum{off,clockwise,anticlockwise} status=off;

定義步進(jìn)電機(jī)的整步模式正轉(zhuǎn)脈沖表：

　　unsigned char pulse_table[] =

　　{

　　0x05, 0x09, 0x0a, 0x06,

　　};

定義時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)time_tick（）

　　static void time_tick(unsigned long data)

　　{

　　static int i=0;

　　switch(status)

　　{

　　case off: break;

　　case clockwise:

　　if(++i==num){

　　i=0;

　　if( row == 4 ) row = 0;

　　(*(char *)0xd3000006)=pulse_table[row++];

　　}

　　ttimer.expires=jiffies+1;

　　add_timer(ttimer);

　　break;

　　case anticlockwise:

　　if(++i==num){

　　i=0;

　　if( row == -1 ) row = 3;

　　(*(char *)0xd3000006)=pulse_table[row--];

　　}

　　ttimer.expires=jiffies+1;

　　add_timer(ttimer);

　　break;

　　case default: break;

　　}

　　}

在time_tick()函數(shù)中判斷步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)，是停止、正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。若是正轉(zhuǎn)，則按正向順序發(fā)送脈沖，并添加定時(shí)器ttimer；若是反轉(zhuǎn)，則按反向順序發(fā)送脈沖，并添加定時(shí)器ttimer；若是停止則不再發(fā)送脈沖，也不再添加定時(shí)器。

　　在stepper_module_init()函數(shù)中申請(qǐng)I/O端口，并初始化定時(shí)器ttimer:

　　if(check_region(0x28000006, 1)) //看該I/O端口是否已經(jīng)被占用

　　{

　　printk(The stepper port is used by another module.n);

　　return -1;

　　}

　　request_region(0x28000006, 1, DEVICE_NAME); //申請(qǐng)?jiān)揑/O端口

　　init_timer(ttimer); //初始化定時(shí)器ttimer

　　ttimer.function=time_tick; //填寫定時(shí)器處理函數(shù)為time_tick（）

　　編寫ioctl函數(shù)用來接收應(yīng)用程序?qū)τ诓竭M(jìn)電機(jī)的控制。

　　int device_ioctl( struct inode *inode, struct file *file, unsigned int ioctl_num,

　　unsigned long ioctl_param)

　　{

　　struct stepper * s;

　　/* 根據(jù)實(shí)際程序中的不同需求更改ioctl函數(shù)的調(diào)用*/

　　switch (ioctl_num)

　　{

　　case IOCTL_SET_MSG:

　　s = (struct stepper*) ioctl_param;

　　switch (s->CmdID)

　　{

　　case 0: /*開始*/

　　status=clockwise;

　　ttimer.expires=jiffies+1; //開啟定時(shí)器

　　add_timer(ttimer);

　　break;

　　case 1: status=off; break; /*停止*/

　　case 2: /*反轉(zhuǎn)*/

　　if(status==clockwise){ status=anticlockwise; }

　　if(status==anticlockwise){ status=clockwise; }

　　break;

　　case 3: if(num!=1)num--; break; /*加速*/

　　case 4: num++; break; /*減速*/

　　}

　　}

　　return 0;

　　};

通過s指針得到stepper結(jié)構(gòu)中的表示命令類型的參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)判斷命令類型，0是start起動(dòng)，1是stop停止，2是reverse反向，3是up電機(jī)加速，4是down電機(jī)減速，通過改變?nèi)肿兞縩um和status來控制電機(jī)。電機(jī)的起動(dòng)是通過在start分支中起動(dòng)一個(gè)定時(shí)器ttimer，然后在定時(shí)器處理函數(shù)time_tick中發(fā)送步進(jìn)電機(jī)脈沖，并重新添加定時(shí)器，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

4．結(jié)語

本文歸納了嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的特點(diǎn)并且結(jié)合嵌入式Linux下步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)說明了驅(qū)動(dòng)程序的編寫。本文論述的驅(qū)動(dòng)程序比較簡單，一個(gè)功能齊全的驅(qū)動(dòng)程序除了本文提到的幾種功能外，還應(yīng)該包括中斷處理。這些工作有待日后完成。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)在嵌入式的應(yīng)用中傳統(tǒng)的方式都是在沒有操作系統(tǒng)中完成，或者在沒有支持MMU的操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，本文在操作系統(tǒng)支持MMU的情況下完成了對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制。