基于嵌入式ARM Linux步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

摘要：本平臺(tái)基于Samsung公司的友善之譬QQ2440V3開發(fā)板，它采用Samsung S3C2440為微處理器，Samsung S3C2440的內(nèi)核為ARM920T，且采用Linux2．6．13內(nèi)核作為它的操作系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序對步進(jìn)電機(jī)的控制，在QQ2440V3開發(fā)板上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)運(yùn)行正常、穩(wěn)定。這是實(shí)現(xiàn)激光雕刻的核心，為以后實(shí)現(xiàn)傳能激光雕刻夯實(shí)了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：ARM；Linux；步進(jìn)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)

0 引言
    隨著激光雕刻機(jī)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，嵌入式Linux的激光雕刻機(jī)比CNC(Computer numerical control)激光雕刻的優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)，它大幅度提高了處理能力，方便了設(shè)計(jì)開發(fā)，節(jié)約了成本，是未來經(jīng)濟(jì)型激光雕刻機(jī)發(fā)展的趨勢。而嵌入式ARM(Advanced RISC Machines)Linux步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)激光雕刻的核心。
    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，需要考慮的因素較多，實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜。本文以Samsung公司的友善之譬S3C2440開發(fā)板為例，探討如何使用嵌入式Linux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)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    控制系統(tǒng)由處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)3部分組成，如圖1所示。

    處理器用友善之譬QQ2440V3開發(fā)板，內(nèi)核為ARM920T。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司(原四通電機(jī))的SH-20403。驅(qū)動(dòng)器共有四路輸入信號：公共、脈沖信號輸入、方向信號輸入和脫機(jī)信號輸入。驅(qū)動(dòng)器的輸入信號既可以采用共陽極也可以采用共陰極接線方式，使用共陽極模式時(shí)，應(yīng)將輸入信號的電源正極連接到公共端，將輸入信號連接到對應(yīng)的信號端子，信號低電平有效，此時(shí)對應(yīng)的內(nèi)部光耦導(dǎo)通，控制信號輸入驅(qū)動(dòng)器中；對應(yīng)共陰極模式時(shí)，將輸入信號的電源負(fù)極連接到公共端，信號高電平有效，我們采用的是共陽極接法。
控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的時(shí)序如圖2所示。

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2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)體系可分為：應(yīng)用程序、庫函數(shù)、操作系統(tǒng)(內(nèi)核)、驅(qū)動(dòng)程序。在Linux操作系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設(shè)備的直接接口，驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它具有以下功能：
    對設(shè)備初始化和釋放：比如向內(nèi)核注冊這個(gè)程序，這樣應(yīng)用程序傳入文件名時(shí)，內(nèi)核才能找到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。
    對設(shè)備進(jìn)行管理，包括實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置以及提供對設(shè)備的操作接口。
    讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)并回送給應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)。
    檢測是處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。
    如圖3所示，應(yīng)用程序通過Linux系統(tǒng)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)與內(nèi)核通信。由于Linux中將設(shè)備當(dāng)做文件處理，所以對設(shè)備進(jìn)行操作的調(diào)用和對文件操作的操作類似，主要包括open()、read()、write()、ioctl()、close()等接口函數(shù)。應(yīng)用程序發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用命令后，會(huì)從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)，通過內(nèi)核將openO等的系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)換成對物理設(shè)備的操作。在Linux中通過分層實(shí)現(xiàn)對物理設(shè)備的調(diào)用，這樣使得內(nèi)核的結(jié)構(gòu)清晰，提高了模塊化的獨(dú)立性。

2．1 嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架
    Linux系統(tǒng)設(shè)備分成三種基本類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。每個(gè)模塊通常實(shí)現(xiàn)其中某一種：字符模塊、塊模塊或網(wǎng)絡(luò)模塊。
    嵌入式設(shè)備驅(qū)動(dòng)整體可分以下兩部分：
    (1)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。
    (2)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)核的注冊加載與卸除工作。
    對于驅(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_functionO；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)核對驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)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(shí)，調(diào)用cleanup_funct-ion0取消驅(qū)動(dòng)程序的注冊。
2．2 GPIO的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)
    GPIO(General Purpose Input Output)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以歸類為Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，以下是開發(fā)它的一些具體步驟。
2．2．1 開發(fā)步驟
    (1)模塊化驅(qū)動(dòng)程序
    寫字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，也要遵守模塊化編程的一般規(guī)范。設(shè)備模塊在用戶空間的初始化和終止：
    Init_mnodule()向內(nèi)核注冊模塊提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、局部和全局變量。
    Cleanup_module()取消所有init_module在內(nèi)核中的注冊。
    (2)設(shè)備模塊在內(nèi)核空間的內(nèi)存申請和釋放
    kmalloc()函數(shù)分配一段內(nèi)存，這樣就實(shí)現(xiàn)了Chrdevs向量表中指向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序名稱的指針。使用kfree釋放內(nèi)存。
    (3)字符設(shè)備主設(shè)備號和次設(shè)備號的分配
    主設(shè)備號標(biāo)志設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，內(nèi)核利用主設(shè)備號將設(shè)備與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)起來。主設(shè)備號的取值范圍是O～255，如果不善加規(guī)劃，則容易造成主設(shè)備號的沖突。
    次設(shè)備號由驅(qū)動(dòng)程序使用，內(nèi)核的其他部分并不使用它，僅將它傳遞給驅(qū)動(dòng)程序。
    (4)設(shè)備模塊在內(nèi)核空間的注冊與注銷
    字符設(shè)備的注冊有兩種方法，一種是常用注冊方法，通過系統(tǒng)函數(shù)registel_chrdev()將設(shè)備加入到系統(tǒng)設(shè)備列表中；另一種是devfs技術(shù)，通過系統(tǒng)函數(shù)devfs-regisrer()實(shí)現(xiàn)設(shè)備的注冊。注銷與注冊相反，分別調(diào)用unregister_chrdev()函數(shù)和devfs_unregister()函數(shù)。
    (5)設(shè)備模塊在內(nèi)核空間提供系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在注冊成功以后，用戶可以通過訪問設(shè)備特殊文件(一般情況在／dev目錄下)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。
    GPIO驅(qū)動(dòng)程序只需要一個(gè)file operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體就可以了。
2．2．2 驅(qū)動(dòng)開發(fā)
    要寫實(shí)際的驅(qū)動(dòng)，就必需了解相關(guān)的硬件資源。比如：用到的寄存器、物理地址、中斷等。在這里，它用到如下硬件資源，如表2所示。

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    要用操作所用到的IO口，就要設(shè)置他們所用到的寄存器，我們需要調(diào)用一些現(xiàn)成的函數(shù)或者宏，比如：
    ／*每個(gè)port有16個(gè)引腳，而每個(gè)引腳由兩位來配置，所以你看到32×N。 32表示一個(gè)port的配置寄存器，而N代表是第幾個(gè)端口。而這里的offset表示的是第幾個(gè)引腳。*／

    S3C2440開發(fā)板中GPIO的許多引腳是和地址線、數(shù)據(jù)線、串口線等引腳復(fù)用的。所以我們必須對GPIO進(jìn)行重新定義和配置。一般來說，寫驅(qū)動(dòng)可以在內(nèi)核中找相近的驅(qū)動(dòng)程序，以它為模板進(jìn)行開發(fā)，有時(shí)也要從零開始，這次作者在內(nèi)核Linux-2．6．13-qq2440＼kernel2．6．13＼drivers＼char中的qq2440 led．c進(jìn)行修改。
   

    最后定義了file_operations和各種API函數(shù)，配置了init和exit函數(shù)以及module_exit和module_init。
    驅(qū)動(dòng)開發(fā)完后，要進(jìn)行測試。把編寫好的驅(qū)動(dòng)程序在PC機(jī)上進(jìn)行交叉編譯。然后用命令#insmod stepper．ko加載模塊到內(nèi)核中，通過命令#rmmod stepper．ko可以卸載模塊。用mknod／dev／stepper 1000 0建立與驅(qū)動(dòng)程序相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序。在應(yīng)用程序中打開步進(jìn)電機(jī)的設(shè)備文件，通過調(diào)用ioctl(fd,1&dir,O)，運(yùn)行應(yīng)用程序，查看步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

3 結(jié)論
    本文在S3C2440開發(fā)板下實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的控制。給出了簡單的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)運(yùn)行正常、穩(wěn)定。但對于實(shí)現(xiàn)傳能激光雕刻的圖形及灰度雕刻，還有待于進(jìn)一步的完善。