隨著數(shù)字信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)伺服控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,、穩(wěn)定性和復(fù)雜性的要求越來越高,，單靠順序結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)已經(jīng)不容易滿足上述要求。目前很多伺服控制系統(tǒng)的控制器采用PC/104結(jié)構(gòu)或依賴上位計(jì)算機(jī),，根據(jù)實(shí)際的控制系統(tǒng)需要擴(kuò)展相應(yīng)的控制電路,，使得系統(tǒng)體積大、成本高,、可靠性不易保證,，且用戶交互性不好,。嵌入式Linux操作系統(tǒng)由于具有代碼開源、可移植性,、軟硬件可裁剪性,、資源豐富及支持多種硬件平臺(tái)和接口等特點(diǎn)，并且從2.6版本以后的Linux實(shí)時(shí)性有了很大的提高,，正被越來越多地應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)中,。通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的軟硬件資源進(jìn)行分配、調(diào)度,、控制和協(xié)調(diào),，能夠充分發(fā)揮控制系統(tǒng)的性能。ARM處理器以其體積小,、低功耗,、低成本、高性能,、文檔豐富及嵌入式軟件多等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用,。因此，本文以ARM9和CPLD為硬件平臺(tái),，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)了直流伺服控制系統(tǒng),。

1 硬件平臺(tái)
    系統(tǒng)原理框圖[1]如圖1所示。系統(tǒng)以ARM作為主控芯片,，主要負(fù)責(zé)運(yùn)行操作系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)控制算法,、人機(jī)交互和多機(jī)通信等。CPLD EPM570T144主要負(fù)責(zé)從ARM接收數(shù)據(jù),，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波；接收編碼器輸出信號(hào),，并對(duì)其進(jìn)行處理,，得到編碼器的值，將其送給ARM,，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制,。CPLD和ARM之間通過地址總線(13根)、數(shù)據(jù)總線(16根),、控制總線(片選,、讀寫使能信號(hào)等)與GPIO口(作為外部中斷使用)連接，即CPLD類似于ARM的一個(gè)外部存儲(chǔ)器(CPLD掛接在ARM的bank1存儲(chǔ)空間上,，地址空間為0x08000000～0x10000000),，ARM和CPLD的數(shù)據(jù)交換類似于對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫操作。這種總線方式擴(kuò)展,，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換快速,、操作簡(jiǎn)單,。控制板通過JTAG,、UART,、USB和網(wǎng)口與上位機(jī)連接，在目標(biāo)板和上位機(jī)之間建立交叉開發(fā)環(huán)境,，可在控制板和上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)程序下載調(diào)試,、文件傳輸和通信等，便于系統(tǒng)軟件開發(fā)和調(diào)試,。

2 CPLD程序設(shè)計(jì)
    CPLD程序分為電機(jī)辨向,、四倍頻、編碼器脈沖計(jì)數(shù),、PWM波生成和總線數(shù)據(jù)讀寫5個(gè)模塊,，如圖2所示。采用VHDL語言,，依據(jù)自底向上設(shè)計(jì)的方法,，以便于程序開發(fā)和移植。

    采用增量式編碼器,，需對(duì)編碼器輸出的ABZ碼進(jìn)行處理[2],，經(jīng)過辨向、倍頻,、計(jì)數(shù)后得到編碼器值,。ARM與CPLD之間通過雙向總線交換數(shù)據(jù)，CPLD讀取ARM寫入數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù),，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM波,。當(dāng)CPLD中的編碼器值可讀后，CPLD采用中斷方式通知ARM,，然后將編碼器值寫到數(shù)據(jù)總線上供ARM讀取,。由于CPLD與ARM的其他外設(shè)共用數(shù)據(jù)總線，所以在CPLD對(duì)總線進(jìn)行操作時(shí)要特別注意,，除了CPLD往總線上寫數(shù)據(jù)外,，其他時(shí)刻都應(yīng)該將總線置為高阻態(tài)，以讓出總線的使用權(quán),，否則其他外設(shè)（如網(wǎng)口,、ADC接口等）會(huì)因CPLD一直占用總線而不能正常工作。
    CPLD應(yīng)用計(jì)數(shù)法產(chǎn)生PWM波[3],，CPLD時(shí)鐘頻率為100 MHz,，設(shè)置PWM總計(jì)數(shù)值為8 000。CPLD根據(jù)ARM給定的0～8 000的計(jì)數(shù)值對(duì)時(shí)鐘計(jì)數(shù),，產(chǎn)生兩路反相的PWM波,。為防止功率放大器的H橋同一側(cè)上下同時(shí)導(dǎo)通,，一般設(shè)置有3～5 μs的死區(qū)，本設(shè)計(jì)中設(shè)置為5 μs的死區(qū),。
3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介
    設(shè)備驅(qū)動(dòng)是連接應(yīng)用程序與硬件設(shè)備的橋梁,，驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序提供了接口函數(shù)，用戶在應(yīng)用程序中調(diào)用相應(yīng)的接口函數(shù)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作,，因此,，驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)分為字符設(shè)備驅(qū)動(dòng),、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)[4],。本文中控制板上移植了Linux2.6操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)下需設(shè)計(jì)ARM讀寫CPLD的數(shù)據(jù)及對(duì)CPLD產(chǎn)生的中斷信號(hào)響應(yīng)的驅(qū)動(dòng),，這一要求采用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn),。應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行諸如read、write等操作時(shí),，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,，然后讀取設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中初始化的file_operations結(jié)構(gòu)體，獲取相應(yīng)操作（read/write等）對(duì)應(yīng)的函數(shù)指針,，接著把控制權(quán)交給該函數(shù),。因此，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫這些文件操作的接口函數(shù),，并填充file_operations的各個(gè)域,。
3.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    為便于開發(fā)和調(diào)試，設(shè)備驅(qū)動(dòng)使用模塊的方式動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核中去,。加載模塊的方式與以往的應(yīng)用程序開發(fā)有很大的不同,。以往在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)都有一個(gè)main()函數(shù)作為程序的入口點(diǎn)，而在驅(qū)動(dòng)開發(fā)時(shí)卻沒有main()函數(shù),，模塊在調(diào)用insmod命令時(shí)被加載,，此時(shí)的入口點(diǎn)為module_init()函數(shù)，在該函數(shù)中完成設(shè)備的注冊(cè),、設(shè)備文件的創(chuàng)建和相關(guān)內(nèi)存及寄存器的地址映射。同樣,，模塊在調(diào)用rmmod命令時(shí)被卸載,，此時(shí)的入口點(diǎn)為module_exit()函數(shù)，在該函數(shù)中將不用的資源返還給操作系統(tǒng),，把注冊(cè)的設(shè)備,、創(chuàng)建的設(shè)備文件及IO內(nèi)存映射等注銷掉。在設(shè)備完成注冊(cè)和加載之后,，用戶的應(yīng)用程序就可以對(duì)該設(shè)備進(jìn)行一定的操作,，如read,、write等。而驅(qū)動(dòng)就是用于實(shí)現(xiàn)這些操作,，在用戶應(yīng)用程序調(diào)用相應(yīng)入口函數(shù)時(shí)執(zhí)行相關(guān)的操作,，module_init()入口點(diǎn)函數(shù)則不需要完成其他如read、wirte之類的功能,。驅(qū)動(dòng)程序需要定義和實(shí)現(xiàn)open,、read、write等函數(shù),，并填充到file_operations結(jié)構(gòu)中,，file_operations結(jié)構(gòu)把應(yīng)用程序中的系統(tǒng)調(diào)用與驅(qū)動(dòng)中對(duì)應(yīng)的函數(shù)聯(lián)系在一起。file_operations結(jié)構(gòu)體如下所示：
static struct  file_operations    cpld_drv_fops = {
    .owner    = THIS_MODULE,
    .write    = cpld_drv_write,
    .read    = cpld_drv_read,
    .open    = cpld_drv_open,
    .release    = cpld_drv_close,
    .fasync    = cpld_drv_fasync,
};
其中,，write()函數(shù)實(shí)現(xiàn)向CPLD中寫入數(shù)據(jù),，read()函數(shù)實(shí)現(xiàn)ARM從CPLD讀取數(shù)據(jù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在內(nèi)核空間,，而應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶空間,，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不能直接訪問用戶空間的地址，在read()和write()函數(shù)中分別調(diào)用內(nèi)核函數(shù)copy_to_user()和copy_from_user()實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移,。read函數(shù)實(shí)現(xiàn)讀取CPLD中的編碼器值,，write函數(shù)實(shí)現(xiàn)將產(chǎn)生PWM波的計(jì)數(shù)值寫入CPLD中，這兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核空間與用戶空間的數(shù)據(jù)交換,。從驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)看,，驅(qū)動(dòng)程序由三部分組成：結(jié)構(gòu)體struct file_operations及其成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)、設(shè)備初始化module_init()和設(shè)備注銷module_exit(),。
    讀寫CPLD需要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作[5],。CPLD產(chǎn)生的讀中斷信號(hào)連接到ARM的GPF1口，CPLD的使能信號(hào)由ARM的GPF0產(chǎn)生,，因此需要配置相應(yīng)的寄存器,。驅(qū)動(dòng)程序中需要對(duì)內(nèi)存和寄存器進(jìn)行操作，本操作系統(tǒng)下不能直接對(duì)內(nèi)存和寄存器的物理地址進(jìn)行操作,，需先將相應(yīng)的內(nèi)存和寄存器的物理地址映射到內(nèi)核的虛擬地址空間,，通過對(duì)映射后的虛擬地址進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器和內(nèi)存的操作。
    ARM對(duì)CPLD的讀操作采用異步通知和內(nèi)核中斷方式[5]實(shí)現(xiàn),，這樣可減少系統(tǒng)開支,。首先在驅(qū)動(dòng)的open()函數(shù)中調(diào)用request_irq()函數(shù)注冊(cè)內(nèi)核中斷，并在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)中斷處理函數(shù),，在內(nèi)核中斷處理函數(shù)中調(diào)用kill_fasyn()函數(shù)給指定的應(yīng)用程序發(fā)送信號(hào),，通知應(yīng)用程序CPLD中的編碼器值可讀。當(dāng)CPLD無可讀中斷產(chǎn)生時(shí)，將read()函數(shù)放入等待隊(duì)列,，主程序一直處于睡眠狀態(tài),，而不是應(yīng)用程序主動(dòng)去調(diào)用read()函數(shù)來等待中斷的產(chǎn)生，即采用異步通知方式,，調(diào)用內(nèi)核中的fasync_helper()函數(shù)來實(shí)現(xiàn),。當(dāng)CPLD有可讀中斷產(chǎn)生時(shí)，在中斷處理函數(shù)中通過kill_fasync()函數(shù),，向進(jìn)程發(fā)送信號(hào)SIGIO,，觸發(fā)應(yīng)用程序中signal聲明的異步觸發(fā)函數(shù)，使用POLL_IN表明有數(shù)值可以讀取,。另外,，要注意，在進(jìn)入中斷服務(wù)程序后,，首先通過中斷自旋鎖spin_lock_irq()關(guān)閉所有中斷,，以防止其他中斷源中斷kill_fasync的工作，在中斷服務(wù)程序結(jié)束時(shí),，再通過spin_unlock_irq()打開中斷,。中斷處理函數(shù)部分代碼如下：
spinlock_t lock;
static irqreturn_t eint1_irq(int irq, void *dev_id)
//中斷服務(wù)程序
{
    spin_lock_irq(&lock)；//關(guān)閉中斷
    kill_fasync (&eint1_async, SIGIO, POLL_IN);
//產(chǎn)生中斷后,，驅(qū)動(dòng)向應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)可讀信號(hào)
    spin_unlock_irq(&lock),；//開中斷
    return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}
4 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

    在應(yīng)用程序[6]中，通過函數(shù)signal()注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù),，以接收內(nèi)核發(fā)來的數(shù)據(jù)可讀信號(hào),。為了打開設(shè)備文件的異步觸發(fā)機(jī)制，用戶程序需指定當(dāng)前進(jìn)程為內(nèi)核發(fā)送信號(hào)的接收進(jìn)程,，可以通過fcntl系統(tǒng)調(diào)用的F_SETOWN命令來設(shè)置該值,。用戶程序還必須通過另一個(gè)fcntl命令設(shè)置設(shè)備的FASYNC標(biāo)志，打開異步觸發(fā)機(jī)制,。只要內(nèi)核中有CPLD可讀中斷產(chǎn)生,，輸入文件就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)SIGIO信號(hào)，信號(hào)發(fā)送給應(yīng)用程序,，應(yīng)用程序調(diào)用信號(hào)處理函數(shù),。在信號(hào)處理函數(shù)中讀取編碼器的值，通過控制算法得到控制數(shù)據(jù)(即PWM波計(jì)數(shù)值),，然后將PWM波的計(jì)數(shù)值寫入到CPLD中,。主程序流程圖如圖3所示，部分代碼如下：
int main(int argc, char **argv)
{
    int Oflags;
    signal(SIGIO, signal_fun);//注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù)
    Init(argc,argv);     //打開設(shè)備,，控制參數(shù)初始化
    …
    fcntl(fd_cpld, F_SETOWN, getpid());    
//指定當(dāng)前進(jìn)程為接收信號(hào)進(jìn)程
    Oflags=fcntl(fd_cpld, F_GETFL);//返回當(dāng)前的信號(hào)標(biāo)志
    fcntl(fd_cpld, F_SETFL, Oflags | FASYNC);
//打開異步觸發(fā)機(jī)制
    while(1)
    {
        sleep(1000);//進(jìn)程睡眠,，等待內(nèi)核發(fā)送中斷信號(hào)
    }
    ……
    return 0;
}
    由于Linux是多任務(wù)系統(tǒng),，各個(gè)進(jìn)程間采用一定的調(diào)度算法調(diào)度,，進(jìn)程間會(huì)不時(shí)地切換,，因此編寫程序時(shí)要特別考慮系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度的問題?？刂瞥绦?qū)?shí)時(shí)性有一定的要求,，因此，要將控制程序進(jìn)程設(shè)置為實(shí)時(shí)進(jìn)程且要具有較高的進(jìn)程調(diào)度優(yōu)先級(jí),，同時(shí)控制程序中要盡量少地使用系統(tǒng)調(diào)用,，以保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    控制板通過串口,、網(wǎng)口與計(jì)算機(jī)（裝有Linux系統(tǒng)）建立交叉編譯環(huán)境，程序在計(jì)算機(jī)上編譯調(diào)試,。利用網(wǎng)線通過nfs（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）服務(wù),，在計(jì)算機(jī)和控制板之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)文件共享，可直接在控制板上訪問計(jì)算機(jī)上的共享文件,、執(zhí)行計(jì)算機(jī)上編譯好的程序,，無需將計(jì)算機(jī)上編譯好的程序下載到板子上。這種交叉開發(fā)的方式將程序和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上,，可節(jié)省控制板上的存儲(chǔ)空間,，便于程序開發(fā)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。
    實(shí)驗(yàn)過程中,，首先要對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),。電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的方法[7-8]很多，本實(shí)驗(yàn)采用階躍響應(yīng)法測(cè)得電機(jī)的模型參數(shù),，近似為一階慣性環(huán)節(jié),。編碼器為增量式編碼器，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生20 000個(gè)碼,，即一個(gè)碼值對(duì)應(yīng)0.018°,，編碼器值采樣周期為2 ms。將電機(jī)一個(gè)采樣周期內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度值除以采樣周期作為速度反饋值,，將電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度進(jìn)行累加得到位置反饋值,，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為900°/s，最低轉(zhuǎn)速為9°/s,，采用PI控制[9-10],。圖4為系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)曲線，速度響應(yīng)誤差為每1個(gè)采樣周期1個(gè)碼值,。圖5為系統(tǒng)位置階躍曲線,，設(shè)定速度環(huán)最大速度為180°/s。位置環(huán)采用抗積分飽和算法，以消除因積分飽和引起的過大的超調(diào),，位置階躍穩(wěn)態(tài)誤差為0,。圖6是系統(tǒng)的速度正弦跟蹤曲線，正弦引導(dǎo)函數(shù)為：v=180°sin(0.8πt),，跟蹤誤差在正反轉(zhuǎn)速度換向處跟蹤誤差較大,。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于ARM9和CPLD硬件平臺(tái),，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下,，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)等速跟蹤、位置定點(diǎn)和正弦跟蹤等功能,，滿足控制實(shí)時(shí)性要求,，可實(shí)現(xiàn)伺服控制。系統(tǒng)體積小,、成本低,、功耗小、接口豐富,、便于開發(fā),，且Linux系統(tǒng)具有很好的文件管理功能，有助于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和導(dǎo)出,，便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,。系統(tǒng)進(jìn)一步完善后可將控制程序設(shè)計(jì)成圖形界面，利用觸摸屏輸入和顯示伺服控制結(jié)果,，則可實(shí)現(xiàn)控制結(jié)果實(shí)時(shí)顯示,，可視化效果好，整個(gè)系統(tǒng)可脫離計(jì)算機(jī)工作,，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值,。
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