基于S3C244O嵌入式Linux下C02激光雕刻系統(tǒng)步進電機驅(qū)動程序的設(shè)計

摘要：根據(jù)步進電機的工作機理，以及Linux驅(qū)動程序的實現(xiàn)機制，采用Linux2．6內(nèi)核為操作系統(tǒng)，設(shè)計了在嵌入式Linux環(huán)境下，對基于Samsung公司生產(chǎn)的S3C2440處理器的二氧化碳激光雕刻系統(tǒng)步進電機的驅(qū)動程序，并通過驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對步進電機的控制，使原有激光雕刻系統(tǒng)更加優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：激光雕刻；步進電機；Linux；驅(qū)動程序

0 引言
    隨著嵌入式技術(shù)的不斷成熟，基于嵌入式系統(tǒng)編寫特制電路下的設(shè)備驅(qū)動程序也越來越受到人們的青睞。在各種嵌入式操作系統(tǒng)中，嵌入式Linux是免費的源代碼開放軟件，可根據(jù)需要任意進行剪裁。在嵌入式Linux開發(fā)過程中需要為指定設(shè)備編寫和編譯驅(qū)動程序，這與以往在PC機上的Linux驅(qū)動開發(fā)明顯不同，本文設(shè)計了基于S3C2440嵌入式Linux下激光雕刻系統(tǒng)的步進電機驅(qū)動程序。

1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計
    步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)主要由中央控制器、步進電機驅(qū)動器、傳感器以及步進電機四大部分組成。本系統(tǒng)采用基于ARM920t內(nèi)核的S3C244 0A微處理器作為控制系統(tǒng)的中央控制器，該芯片主頻400MHz，最高可達到533MHz，內(nèi)含多種設(shè)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(tǒng)框圖。

2 系統(tǒng)的工作原理
    本系統(tǒng)主要控制兩個兩相混合式步進電機，分別代表X軸和Y軸帶動傳能光纖進行激光雕刻。系統(tǒng)采用8路I／O口進行脈沖輸出，每4路接一個步進電機驅(qū)動器，通過功率放大后，進入步進電機的各項繞組。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：半步模式的兩步進電機正轉(zhuǎn)脈沖為{0x11，0x33，0x22，0x66,0x44，Oxcc，0x88，0x99}；整步模式為{0x11，0x22，0x44，0x88，0x11，0x22,0x44,0x88}，一個步進電機運作時，只對脈沖時序的高或低4位操作，另外4位為0。而改變脈沖的順序，即可改變轉(zhuǎn)動方向。在整個控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理在Linux應(yīng)用程序中完成，步進量傳遞給Linux驅(qū)動程序后，由驅(qū)動程序完成脈沖輸出。通過軟件來完成脈沖分配，可根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，隨時改變對步進電機的控制。

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3 嵌入式Linux步進電機驅(qū)動程序的設(shè)計
    Linux操作系統(tǒng)將所有的設(shè)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問設(shè)備。應(yīng)用程序不能直接操作硬件，而是使用統(tǒng)一的接口函數(shù)調(diào)用硬件驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口。Linux設(shè)備驅(qū)動與內(nèi)核接口可分為三大方面：a．與系統(tǒng)啟動代碼的接口對設(shè)備進行初始化；b．與內(nèi)核接口通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file．operrations來完成；c．與設(shè)備的接口對設(shè)備進行讀寫操作。
    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。而脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)是控制電機的兩個重要方面。本系統(tǒng)步進電機4路脈沖輸出由硬件地址0x28000006的bit0～bit3控制，bit0對應(yīng)MOTOR A+，bit1對應(yīng)MOTOR B+，bit2對應(yīng)MOTOR_A-，bit3對應(yīng)MOTOR_B-。這里針對整步模式下的步進電機進行脈沖分配信號，半步模式的步進電機正轉(zhuǎn)導(dǎo)電狀態(tài)時的控制順序為A+_A+B+_B+_B+A-_A-_一A-B-_B-，整步模式的步進電機正轉(zhuǎn)導(dǎo)電狀態(tài)時的控制順序為A+_B+_A-_B-。
    因此在程序中需要通過編制脈沖分配信號來控制步進電機，并通過修改脈沖分配信號來實現(xiàn)對步進電機方向的控制。圖2是用軟件形成環(huán)形脈沖的流程圖。
    系統(tǒng)中的步進電機只響應(yīng)應(yīng)用程序傳送給驅(qū)動的步進量和部分參數(shù)，只能順序地進行控制操作，因此它可作為字符設(shè)備來進行驅(qū)動。在驅(qū)動程序中，需要提供幾個操作函數(shù)的入口點，分別為open、read、write、ioet1等。而ioct1函數(shù)尤為重要，系統(tǒng)通過調(diào)用這個函數(shù)可以控制步進電機的轉(zhuǎn)動。
    在初始化函數(shù)中，會將驅(qū)動程序的file operations結(jié)構(gòu)連同其主設(shè)備號一起向內(nèi)核進行注冊。對于字符設(shè)備使用以下函數(shù)進行注冊：int register_chrdev(unsigned int major,const char*name，struct file_operations*fops)；其中，unsigned int major為定義的主設(shè)備號，const char*name為定義的設(shè)備名稱，這里把設(shè)備名宏定義為stepper。file_operations*fops為定義的指針變量。申請控制步進電機的端口用以下函數(shù)進行調(diào)用：request_region(0x28000006, 1, const char*name)；因為步進電機用到了I／O端口，而在S3C2440中操作端口要用虛擬地址而非實際的物理地址，因此要修改內(nèi)核代碼。修改文件內(nèi)核源代碼中間的smdk．c，該文件在linux／arch／arm／mach-s3c2440中，在結(jié)構(gòu)體static struct map_descsmdk_io_desc[]中添加一行數(shù)組元素{0xd3000000，0x28000000，Ox01000000，DOMAIN_IO，0，1，0，0}，則步進電機的物理地址0x28000006對應(yīng)的虛擬地址為0xd3000006，在驅(qū)動程序中應(yīng)對這個地址進行操作。
    根據(jù)上面提到的步進電機的脈沖分配信號，定義它半步模式正轉(zhuǎn)脈沖為：
    unsigned char pulse_table[]=
    {0x11,0x33，0x22，0x66，0x44，Oxcc，0x88，0x99}；
    利用應(yīng)用程序傳遞給stepper ioct1的參數(shù)arg來判斷轉(zhuǎn)動方向。編寫ioctl函數(shù)用來接收應(yīng)用程序?qū)τ诓竭M電機的控制。以下是部分驅(qū)動程序代碼：

    設(shè)備卸載與前面提到的設(shè)備注冊是相反的過程。當(dāng)從系統(tǒng)中卸載一個模塊時，主設(shè)備號要得到釋放。這一操作可以調(diào)用以下函數(shù)進行模塊清除：
    int unregister_chrdev(unsigned int major,const char*name)；
    首先，編譯步進電機模塊，打開內(nèi)核中drivers／char／Konfig文件，添加如下語句：
    Config STEPPER_MODULE、tristate"stepper module"、depends on ARCH_S3C2440、help、stepper driver module。
    在終端中運行命令make menuconfig，進入內(nèi)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，打開內(nèi)核中drivers／char／Makefile文件，添加如下語句：
    obj-＄(CONFIG_STEPPER_MODELL)+=stepper_module.o
    最后，回到內(nèi)核源代碼根目錄位置，執(zhí)行make modules，就可生成系統(tǒng)所需要的內(nèi)核模塊文件stepper module．ko了。至此，完成了步進電機模塊驅(qū)動的編譯。之后，便可使用insmod、rmmod命令分別對模塊進行加載、卸載了。

4 結(jié)論
    在嵌入式Linux系統(tǒng)下，設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核和硬件之間的接口，本文采用字符設(shè)備的思想去實現(xiàn)步進電機驅(qū)動程序的開發(fā)，介紹了嵌入式Linux驅(qū)動程序的原理，歸納了驅(qū)動程序開發(fā)的一般流程，并結(jié)合步進電機的驅(qū)動闡述了驅(qū)動程序的編寫。與原有通過操作PC機來控制步進電機相比，本文是在Linux操作系統(tǒng)支持MMU的情況下完成了對步進電機的控制。