基于嵌入式Linux的步進(jìn)電機驅動(dòng)程序設計

摘要：介紹了Linux驅動(dòng)程序的實(shí)現機制，在分析步進(jìn)電機和驅動(dòng)程序接口的基礎上,給出了一個(gè)在嵌入式Linux平臺上編寫(xiě)步進(jìn)電機驅動(dòng)的實(shí)例。本平臺基于Samsung公司的S3C2410X CPU，采用Linux2.4內核作為它的操作系統。介紹了如何通過(guò)對驅動(dòng)程序的操作實(shí)現對步進(jìn)電機的控制。在JXARM2410實(shí)驗平臺上的實(shí)驗結果表明驅動(dòng)運行正常。

1．引言

隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，基于嵌入式系統的新一代工業(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，從而大幅度提高了處理能力，方便了設計開(kāi)發(fā)。在各種嵌入式操作系統中，嵌入式Linux是免費的自由軟件，其構建的系統成本較低，而且Linux是單內核的操作系統，并可按要求進(jìn)行任意剪裁，因此越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始在用Linux平臺來(lái)開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品[1]。

嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常需要為特定設備開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序。這些驅動(dòng)程序的編寫(xiě)和編譯與PC上的Linux驅動(dòng)開(kāi)發(fā)相比存在明顯的差異，需要考慮的因素更多，實(shí)現過(guò)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(kāi)發(fā)字符設備驅動(dòng)程序來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機。

2．Linux驅動(dòng)程序概述

在Linux中，幾乎所有的內容都是文件，對設備驅動(dòng)的訪(fǎng)問(wèn)也是以文件操作的方式實(shí)現的。Linux系統支持3種類(lèi)型的硬件設備：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備，這些設備的驅動(dòng)程序是系統內核的重要組成部分。對用戶(hù)程序而言，操作系統隱藏了設備的具體細節，把設備映射為一個(gè)設備文件，用戶(hù)程序可以對設備文件進(jìn)行open、close、read、write等操作。這些操作和驅動(dòng)程序是通過(guò)STruct file_operations這一數據結構關(guān)聯(lián)起來(lái)的，編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序的主要工作就是編寫(xiě)子函數填充file_operations的各個(gè)字段[2]。

3．嵌入式Linux步進(jìn)電機驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

3．1 嵌入式Linux設備驅動(dòng)程序的結構

嵌入式Linux下的設備總體上可以分為兩部分：

其一，驅動(dòng)與內核接口層，它實(shí)現驅動(dòng)模塊在Linux內核的注冊加載與卸除工作。主要任務(wù)就是在模塊加載時(shí)向內核注冊驅動(dòng)，以及實(shí)現虛擬文件系統的設備操作接口。對于采用中斷的設備，此部分還包括中斷處理函數的注冊與注銷(xiāo)。

其二，硬件設備接口層，這部分主要描述驅動(dòng)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(xiě)訪(fǎng)問(wèn)和設備控制操作。硬件探測主要是在驅動(dòng)注冊加載時(shí)監測設備是否存在，設備初始化主要是檢測到設備后對它進(jìn)行初始化操作。設備的讀寫(xiě)操作主要完成從設備接受數據和將數據發(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。

對于驅動(dòng)程序與內核接口層，Linux提供了標準的入口點(diǎn)函數init_module()；在通過(guò)模塊化的設計方法設計驅動(dòng)程序時(shí)，使用insmod加載核心模塊時(shí)會(huì )調用本函數，通知內核對驅動(dòng)程序進(jìn)行注冊。模塊的卸除工作與加載工作類(lèi)似，通過(guò)rmmod卸載模塊時(shí)，調用cleanup_module()取消驅動(dòng)程序的注冊。

3．2 步進(jìn)電機驅動(dòng)程序需求分析

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

本系統的步進(jìn)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。本文所描述的驅動(dòng)是針對整步模式下的步進(jìn)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(guò)編制脈沖分配表控制步進(jìn)電機，并且通過(guò)修改脈沖分配表可以實(shí)現步進(jìn)電機方向的控制。

系統的步進(jìn)電機僅僅是一個(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)字符設備來(lái)進(jìn)行驅動(dòng)。對于字符設備的操作而言驅動(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)的函數入口點(diǎn)。在驅動(dòng)程序的實(shí)現過(guò)程中需要定義這些文件相關(guān)的操作，填充進(jìn)入file_operations結構中。

與普通文件相比，設備文件的操作要復雜得多，不可能簡(jiǎn)單的通過(guò)read、write等操作來(lái)實(shí)現。并且由于對于步進(jìn)電機驅動(dòng)程序沒(méi)有相關(guān)的輸入與輸出，更關(guān)注的是對硬件的控制，因此在驅動(dòng)程序對于write操作和read操作僅需返回0，而對于硬件的控制只需要在驅動(dòng)程序中實(shí)現ioctl函數，并在其中添加相應的case即可。通過(guò)cmd區分操作，通過(guò)arg傳遞參數和結果[3]。

3．3 步進(jìn)電機驅動(dòng)程序設計

因為步進(jìn)電機用到了I/O端口，而在A(yíng)RM9中操作端口要用虛擬地址而非實(shí)際的物理地址，所以要修改內核代碼。

修改文件內核源代碼中間的smdk.c，在結構體

　　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

　　};

中添加一行數組元素{ 0xd3000000, 0x28000000, 0x01000000, DOMAIN_IO, 0, 1, 0, 0 },則步進(jìn)電機的物理地址0x28000006對應的虛擬地址為0xd3000006，在驅動(dòng)程序中應對這個(gè)地址進(jìn)行操作。

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

　　static int num=1;

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

定義步進(jìn)電機的整步模式正轉脈沖表：

　　unsigned char pulse_table[] =

　　{

　　0x05, 0x09, 0x0a, 0x06,

　　};

定義時(shí)鐘節拍函數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()函數中判斷步進(jìn)電機的狀態(tài)，是停止、正轉還是反轉。若是正轉，則按正向順序發(fā)送脈沖，并添加定時(shí)器ttimer；若是反轉，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()函數中申請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); //申請該I/O端口

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

　　ttimer.function=time_tick; //填寫(xiě)定時(shí)器處理函數為time_tick（）

　　編寫(xiě)ioctl函數用來(lái)接收應用程序對于步進(jìn)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;

　　/* 根據實(shí)際程序中的不同需求更改ioctl函數的調用*/

　　switch (ioctl_num)

　　{

　　case IOCTL_SET_MSG:

　　s = (struct stepper*) ioctl_param;

　　switch (s->CmdID)

　　{

　　case 0: /*開(kāi)始*/

　　status=clockwise;

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

　　add_timer(ttimer);

　　break;

　　case 1: status=off; break; /*停止*/

　　case 2: /*反轉*/

　　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(guò)s指針得到stepper結構中的表示命令類(lèi)型的參數，根據該參數判斷命令類(lèi)型，0是start起動(dòng)，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(guò)改變全局變量num和status來(lái)控制電機。電機的起動(dòng)是通過(guò)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time_tick中發(fā)送步進(jìn)電機脈沖，并重新添加定時(shí)器，從而實(shí)現步進(jìn)電機的轉動(dòng)。

4．結語(yǔ)

本文歸納了嵌入式Linux驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)并且結合嵌入式Linux下步進(jìn)電機的驅動(dòng)說(shuō)明了驅動(dòng)程序的編寫(xiě)。本文論述的驅動(dòng)程序比較簡(jiǎn)單，一個(gè)功能齊全的驅動(dòng)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(diǎn)：步進(jìn)電機在嵌入式的應用中傳統的方式都是在沒(méi)有操作系統中完成，或者在沒(méi)有支持MMU的操作系統中實(shí)現，本文在操作系統支持MMU的情況下完成了對于步進(jìn)電機的控制。