基于Linux的C02激光雕刻系統步進(jìn)電機驅動(dòng)程序

隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的不斷成熟，基于嵌入式系統編寫(xiě)特制電路下的設備驅動(dòng)程序也越來(lái)越受到人們的青睞。在各種嵌入式操作系統中，嵌入式Linux是免費的源代碼開(kāi)放軟件，可根據需要任意進(jìn)行剪裁。在嵌入式Linux開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要為指定設備編寫(xiě)和編譯驅動(dòng)程序，這與以往在PC機上的Linux驅動(dòng)開(kāi)發(fā)明顯不同，本文設計了基于S3C2440嵌入式Linux下激光雕刻系統的步進(jìn)電機驅動(dòng)程序。

1 硬件系統的設計

步進(jìn)電機開(kāi)環(huán)控制系統主要由中央控制器、步進(jìn)電機驅動(dòng)器、傳感器以及步進(jìn)電機四大部分組成。本系統采用基于A(yíng)RM920t內核的S3C244 0A微處理器作為控制系統的中央控制器，該芯片主頻400MHz，最高可達到533MHz，內含多種設備接口，存儲器使用64MB的Nand Flash和64MB的SDRAM。圖l所示為控制系統框圖。

2 系統的工作原理

本系統主要控制兩個(gè)兩相混合式步進(jìn)電機，分別代表X軸和Y軸帶動(dòng)傳能光纖進(jìn)行激光雕刻。系統采用8路I／O口進(jìn)行脈沖輸出，每4路接一個(gè)步進(jìn)電機驅動(dòng)器，通過(guò)功率放大后，進(jìn)入步進(jìn)電機的各項繞組。電機有半步、整步兩種工作模式，整步模式的步距角為1．8°，半步模式的步距角為0．9°，整步一周共200步。如：半步模式的兩步進(jìn)電機正轉脈沖為{0x11，0x33，0x22，0x66,0x44，Oxcc，0x88，0x99}；整步模式為{0x11，0x22，0x44，0x88，0x11，0x22,0x44,0x88}，一個(gè)步進(jìn)電機運作時(shí)，只對脈沖時(shí)序的高或低4位操作，另外4位為0。而改變脈沖的順序，即可改變轉動(dòng)方向。在整個(gè)控制系統中，數據處理在Linux應用程序中完成，步進(jìn)量傳遞給Linux驅動(dòng)程序后，由驅動(dòng)程序完成脈沖輸出。通過(guò)軟件來(lái)完成脈沖分配，可根據應用系統的需要，隨時(shí)改變對步進(jìn)電機的控制。

3 嵌入式Linux步進(jìn)電機驅動(dòng)程序的設計

Linux操作系統將所有的設備(而不僅是存儲器里的文件)都看成文件，以操作文件的方式訪(fǎng)問(wèn)設備。應用程序不能直接操作硬件，而是使用統一的接口函數調用硬件驅動(dòng)程序。設備驅動(dòng)程序是操作系統內核和硬件之間的接口。Linux設備驅動(dòng)與內核接口可分為三大方面：a．與系統啟動(dòng)代碼的接口對設備進(jìn)行初始化；b．與內核接口通過(guò)數據結構file．operrations來(lái)完成；c．與設備的接口對設備進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

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。而脈沖信號的頻率和脈沖數是控制電機的兩個(gè)重要方面。本系統步進(jìn)電機4路脈沖輸出由硬件地址0x28000006的bit0～bit3控制，bit0對應MOTOR A+，bit1對應MOTOR B+，bit2對應MOTOR_A-，bit3對應MOTOR_B-。這里針對整步模式下的步進(jìn)電機進(jìn)行脈沖分配信號，半步模式的步進(jìn)電機正轉導電狀態(tài)時(shí)的控制順序為A+_A+B+_B+_B+A-_A-_一A-B-_B-，整步模式的步進(jìn)電機正轉導電狀態(tài)時(shí)的控制順序為A+_B+_A-_B-。

因此在程序中需要通過(guò)編制脈沖分配信號來(lái)控制步進(jìn)電機，并通過(guò)修改脈沖分配信號來(lái)實(shí)現對步進(jìn)電機方向的控制。圖2是用軟件形成環(huán)形脈沖的流程圖。

系統中的步進(jìn)電機只響應應用程序傳送給驅動(dòng)的步進(jìn)量和部分參數，只能順序地進(jìn)行控制操作，因此它可作為字符設備來(lái)進(jìn)行驅動(dòng)。在驅動(dòng)程序中，需要提供幾個(gè)操作函數的入口點(diǎn)，分別為open、read、write、ioet1等。而ioct1函數尤為重要，系統通過(guò)調用這個(gè)函數可以控制步進(jìn)電機的轉動(dòng)。

在初始化函數中，會(huì )將驅動(dòng)程序的file operations結構連同其主設備號一起向內核進(jìn)行注冊。對于字符設備使用以下函數進(jìn)行注冊：int register_chrdev(unsigned int major,const char*name，struct file_operations*fops)；其中，unsigned int major為定義的主設備號，const char*name為定義的設備名稱(chēng)，這里把設備名宏定義為stepper。file_operations*fops為定義的指針變量。申請控制步進(jìn)電機的端口用以下函數進(jìn)行調用：request_region(0x28000006, 1, const char*name)；因為步進(jìn)電機用到了I／O端口，而在S3C2440中操作端口要用虛擬地址而非實(shí)際的物理地址，因此要修改內核代碼。修改文件內核源代碼中間的smdk．c，該文件在linux／arch／arm／mach-s3c2440中，在結構體static struct map_descsmdk_io_desc[]中添加一行數組元素{0xd3000000，0x28000000，Ox01000000，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。

根據上面提到的步進(jìn)電機的脈沖分配信號，定義它半步模式正轉脈沖為：

unsigned char pulse_table[]=
{0x11,0x33，0x22，0x66，0x44，Oxcc，0x88，0x99}；

利用應用程序傳遞給stepper ioct1的參數arg來(lái)判斷轉動(dòng)方向。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。以下是部分驅動(dòng)程序代碼：

設備卸載與前面提到的設備注冊是相反的過(guò)程。當從系統中卸載一個(gè)模塊時(shí)，主設備號要得到釋放。這一操作可以調用以下函數進(jìn)行模塊清除：

int unregister_chrdev(unsigned int major,const char*name)；

首先，編譯步進(jìn)電機模塊，打開(kāi)內核中drivers／char／Konfig文件，添加如下語(yǔ)句：

Config STEPPER_MODULE、tristate"stepper module"、depends on ARCH_S3C2440、help、stepper driver module。

在終端中運行命令make menuconfig，進(jìn)入內核配置主菜單，在DeviceDriver→Character device菜單中看到剛才所添加的選項了，之后編譯為模塊方式。

其次，打開(kāi)內核中drivers／char／Makefile文件，添加如下語(yǔ)句：

obj-＄(CONFIG_STEPPER_MODELL)+=stepper_module.o

最后，回到內核源代碼根目錄位置，執行make modules，就可生成系統所需要的內核模塊文件stepper module．ko了。至此，完成了步進(jìn)電機模塊驅動(dòng)的編譯。之后，便可使用insmod、rmmod命令分別對模塊進(jìn)行加載、卸載了。

4 結論

在嵌入式Linux系統下，設備驅動(dòng)程序是內核和硬件之間的接口，本文采用字符設備的思想去實(shí)現步進(jìn)電機驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，介紹了嵌入式Linux驅動(dòng)程序的原理，歸納了驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的一般流程，并結合步進(jìn)電機的驅動(dòng)闡述了驅動(dòng)程序的編寫(xiě)。與原有通過(guò)操作PC機來(lái)控制步進(jìn)電機相比，本文是在Linux操作系統支持MMU的情況下完成了對步進(jìn)電機的控制。