摘要:根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作機(jī)理,,以及Linux驅(qū)動程序的實現(xiàn)機(jī)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動程序,,并通過驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī);Linux,;驅(qū)動程序
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(jìn)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(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序,。
1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計
步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)主要由中央控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,、傳感器以及步進(jìn)電機(jī)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(dá)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(jìn)電機(jī),分別代表X軸和Y軸帶動傳能光纖進(jìn)行激光雕刻,。系統(tǒng)采用8路I/O口進(jìn)行脈沖輸出,,每4路接一個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,通過功率放大后,,進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的各項繞組,。電機(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)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(jìn)電機(jī)的控制,。
3 嵌入式Linux步進(jìn)電機(jī)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(jìn)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(jìn)行讀寫操作。
步進(jìn)電機(jī)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(jī)的兩個重要方面,。本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)進(jìn)行脈沖分配信號,半步模式的步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī),并通過修改脈沖分配信號來實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)只響應(yīng)應(yīng)用程序傳送給驅(qū)動的步進(jìn)量和部分參數(shù),只能順序地進(jìn)行控制操作,,因此它可作為字符設(shè)備來進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(jìn)行注冊,。對于字符設(shè)備使用以下函數(shù)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(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(jìn)電機(jī)的端口用以下函數(shù)進(jìn)行調(diào)用:request_region(0x28000006, 1, const char*name),;因為步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)行操作,。
根據(jù)上面提到的步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)行模塊清除:
int unregister_chrdev(unsigned int major,const char*name);
首先,編譯步進(jìn)電機(jī)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(jìn)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(jìn)電機(jī)模塊驅(qū)動的編譯,。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(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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動闡述了驅(qū)動程序的編寫。與原有通過操作PC機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的控制,。