基于嵌入式Linux的步進電機驅(qū)動程序設計

摘要：介紹了Linux驅(qū)動程序的實現(xiàn)機制，在分析步進電機和驅(qū)動程序接口的基礎上,給出了一個在嵌入式Linux平臺上編寫步進電機驅(qū)動的實例。本平臺基于Samsung公司的S3C2410X CPU，采用Linux2.4內(nèi)核作為它的操作系統(tǒng)。介紹了如何通過對驅(qū)動程序的操作實現(xiàn)對步進電機的控制。在JXARM2410實驗平臺上的實驗結(jié)果表明驅(qū)動運行正常。

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，方便了設計開發(fā)。在各種嵌入式操作系統(tǒng)中，嵌入式Linux是免費的自由軟件，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)，并可按要求進行任意剪裁，因此越來越多的研究人員開始在用Linux平臺來開發(fā)自己的產(chǎn)品[1]。

嵌入式開發(fā)過程中，經(jīng)常需要為特定設備開發(fā)驅(qū)動程序。這些驅(qū)動程序的編寫和編譯與PC上的Linux驅(qū)動開發(fā)相比存在明顯的差異，需要考慮的因素更多，實現(xiàn)過程更為復雜。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)字符設備驅(qū)動程序來驅(qū)動步進電動機。

2．Linux驅(qū)動程序概述

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

3．嵌入式Linux步進電機驅(qū)動程序開發(fā)

3．1 嵌入式Linux設備驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)

嵌入式Linux下的設備總體上可以分為兩部分：

其一，驅(qū)動與內(nèi)核接口層，它實現(xiàn)驅(qū)動模塊在Linux內(nèi)核的注冊加載與卸除工作。主要任務就是在模塊加載時向內(nèi)核注冊驅(qū)動，以及實現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)的設備操作接口。對于采用中斷的設備，此部分還包括中斷處理函數(shù)的注冊與注銷。

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

對于驅(qū)動程序與內(nèi)核接口層，Linux提供了標準的入口點函數(shù)init_module()；在通過模塊化的設計方法設計驅(qū)動程序時，使用insmod加載核心模塊時會調(diào)用本函數(shù)，通知內(nèi)核對驅(qū)動程序進行注冊。模塊的卸除工作與加載工作類似，通過rmmod卸載模塊時，調(diào)用cleanup_module()取消驅(qū)動程序的注冊。

3．2 步進電機驅(qū)動程序需求分析

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

本系統(tǒng)的步進電機的四相由硬件地址0x28000006的bit0～bit3控制，bit0對應MOTOR_A，bit1對應MOTOR_B，bit2對應MOTOR_C，bit3對應MOTOR_D。本文所描述的驅(qū)動是針對整步模式下的步進電機，整步模式下的步距角18°。在整步模式下的脈沖分配信號如表所示。

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

系統(tǒng)的步進電機僅僅是一個輸出的通道，只能順序的進行控制的操作，因此作為一個字符設備來進行驅(qū)動。對于字符設備的操作而言驅(qū)動程序需要提供相關(guān)的幾個操作分別為open，read，write，ioctl等相關(guān)的函數(shù)入口點。在驅(qū)動程序的實現(xiàn)過程中需要定義這些文件相關(guān)的操作，填充進入file_operations結(jié)構(gòu)中。

與普通文件相比，設備文件的操作要復雜得多，不可能簡單的通過read、write等操作來實現(xiàn)。并且由于對于步進電機驅(qū)動程序沒有相關(guān)的輸入與輸出，更關(guān)注的是對硬件的控制，因此在驅(qū)動程序?qū)τ趙rite操作和read操作僅需返回0，而對于硬件的控制只需要在驅(qū)動程序中實現(xiàn)ioctl函數(shù)，并在其中添加相應的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 步進電機驅(qū)動程序設計

因為步進電機用到了I/O端口，而在ARM9中操作端口要用虛擬地址而非實際的物理地址，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 },則步進電機的物理地址0x28000006對應的虛擬地址為0xd3000006，在驅(qū)動程序中應對這個地址進行操作。

定義全局變量num和status用來控制步進電機的速度和方向：

　　static int num=1;

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

定義步進電機的整步模式正轉(zhuǎn)脈沖表：

　　unsigned char pulse_table[] =

　　{

　　0x05, 0x09, 0x0a, 0x06,

　　};

定義時鐘節(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)中判斷步進電機的狀態(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，并添加定時器ttimer；若是反轉(zhuǎn)，則按反向順序發(fā)送脈沖，并添加定時器ttimer；若是停止則不再發(fā)送脈沖，也不再添加定時器。

　　在stepper_module_init()函數(shù)中申請I/O端口，并初始化定時器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); //申請該I/O端口

　　init_timer(ttimer); //初始化定時器ttimer

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

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

　　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，1是stop停止，2是reverse反向，3是up電機加速，4是down電機減速，通過改變?nèi)肿兞縩um和status來控制電機。電機的起動是通過在start分支中起動一個定時器ttimer，然后在定時器處理函數(shù)time_tick中發(fā)送步進電機脈沖，并重新添加定時器，從而實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)動。

4．結(jié)語

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

本文作者創(chuàng)新點：步進電機在嵌入式的應用中傳統(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)中實現(xiàn)，本文在操作系統(tǒng)支持MMU的情況下完成了對于步進電機的控制。