基于嵌入式Linux的步進電機驅動程序設計

摘要：介紹了Linux驅動程序的實現機制，在分析步進電機和驅動程序接口的基礎上,給出了一個在嵌入式Linux平臺上編寫步進電機驅動的實例。本平臺基于Samsung公司的S3C2410X CPU，采用Linux2.4內核作為它的操作系統。介紹了如何通過對驅動程序的操作實現對步進電機的控制。在JXARM2410實驗平臺上的實驗結果表明驅動運行正常。

1．引言

隨著嵌入式技術的飛速發展，基于嵌入式系統的新一代工業控制器也日益增多。同以往的控制器不同，新的儀器大多以32位嵌入式處理器為核心，并且安裝有嵌入式操作系統，從而大幅度提高了處理能力，方便了設計開發。在各種嵌入式操作系統中，嵌入式Linux是免費的自由軟件，其構建的系統成本較低，而且Linux是單內核的操作系統，并可按要求進行任意剪裁，因此越來越多的研究人員開始在用Linux平臺來開發自己的產品[1]。

嵌入式開發過程中，經常需要為特定設備開發驅動程序。這些驅動程序的編寫和編譯與PC上的Linux驅動開發相比存在明顯的差異，需要考慮的因素更多，實現過程更為復雜。本文以SAMSung公司S3C2410X CPU為例，探討如何為使用嵌入式Linux的工業控制器開發字符設備驅動程序來驅動步進電動機。

2．Linux驅動程序概述

在Linux中，幾乎所有的內容都是文件，對設備驅動的訪問也是以文件操作的方式實現的。Linux系統支持3種類型的硬件設備：字符設備、塊設備和網絡設備，這些設備的驅動程序是系統內核的重要組成部分。對用戶程序而言，操作系統隱藏了設備的具體細節，把設備映射為一個設備文件，用戶程序可以對設備文件進行open、close、read、write等操作。這些操作和驅動程序是通過STruct file_operations這一數據結構關聯起來的，編寫設備驅動程序的主要工作就是編寫子函數填充file_operations的各個字段[2]。

3．嵌入式Linux步進電機驅動程序開發

3．1 嵌入式Linux設備驅動程序的結構

嵌入式Linux下的設備總體上可以分為兩部分：

其一，驅動與內核接口層，它實現驅動模塊在Linux內核的注冊加載與卸除工作。主要任務就是在模塊加載時向內核注冊驅動，以及實現虛擬文件系統的設備操作接口。對于采用中斷的設備，此部分還包括中斷處理函數的注冊與注銷。

其二，硬件設備接口層，這部分主要描述驅動程序與設備的交互。它主要包括硬件探測和初始化以及設備的讀寫訪問和設備控制操作。硬件探測主要是在驅動注冊加載時監測設備是否存在，設備初始化主要是檢測到設備后對它進行初始化操作。設備的讀寫操作主要完成從設備接受數據和將數據發送給設備的操作。硬件設備接口層還需要包括一些設備的控制操作，設定設備的工作參數。

對于驅動程序與內核接口層，Linux提供了標準的入口點函數init_module()；在通過模塊化的設計方法設計驅動程序時，使用insmod加載核心模塊時會調用本函數，通知內核對驅動程序進行注冊。模塊的卸除工作與加載工作類似，通過rmmod卸載模塊時，調用cleanup_module()取消驅動程序的注冊。

3．2 步進電機驅動程序需求分析

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超負載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響。所以在驅動程序中間只需要考慮這兩個方面的影響。

本系統的步進電機的四相由硬件地址0x28000006的bit0～bit3控制，bit0對應MOTOR_A，bit1對應MOTOR_B，bit2對應MOTOR_C，bit3對應MOTOR_D。本文所描述的驅動是針對整步模式下的步進電機，整步模式下的步距角18°。在整步模式下的脈沖分配信號如表所示。

所以在程序中需要通過編制脈沖分配表控制步進電機，并且通過修改脈沖分配表可以實現步進電機方向的控制。

系統的步進電機僅僅是一個輸出的通道，只能順序的進行控制的操作，因此作為一個字符設備來進行驅動。對于字符設備的操作而言驅動程序需要提供相關的幾個操作分別為open，read，write，ioctl等相關的函數入口點。在驅動程序的實現過程中需要定義這些文件相關的操作，填充進入file_operations結構中。

與普通文件相比，設備文件的操作要復雜得多，不可能簡單的通過read、write等操作來實現。并且由于對于步進電機驅動程序沒有相關的輸入與輸出，更關注的是對硬件的控制，因此在驅動程序對于write操作和read操作僅需返回0，而對于硬件的控制只需要在驅動程序中實現ioctl函數，并在其中添加相應的case即可。通過cmd區分操作，通過arg傳遞參數和結果[3]。

3．3 步進電機驅動程序設計

因為步進電機用到了I/O端口，而在ARM9中操作端口要用虛擬地址而非實際的物理地址，所以要修改內核代碼。

修改文件內核源代碼中間的smdk.c，在結構體

　　static struct map_desc smdk_io_desc] __initdata = {

　　{ vCS8900_BASE, pCS8900_BASE, 0x00100000, DOMAIN_IO, 0, 1, 0, 0 },

　　{ vCF_MEM_BASE, pCF_MEM_BASE, 0x01000000, DOMAIN_IO, 0, 1, 0, 0 },

　　{ vCF_IO_BASE, pCF_IO_BASE, 0x01000000, DOMAIN_IO, 0, 1, 0, 0 },

　　LAST_DESC

　　};

中添加一行數組元素{ 0xd3000000, 0x28000000, 0x01000000, DOMAIN_IO, 0, 1, 0, 0 },則步進電機的物理地址0x28000006對應的虛擬地址為0xd3000006，在驅動程序中應對這個地址進行操作。

定義全局變量num和status用來控制步進電機的速度和方向：

　　static int num=1;

　　static enum{off,clockwise,anticlockwise} status=off;

定義步進電機的整步模式正轉脈沖表：

　　unsigned char pulse_table[] =

　　{

　　0x05, 0x09, 0x0a, 0x06,

　　};

定義時鐘節拍函數time_tick（）

　　static void time_tick(unsigned long data)

　　{

　　static int i=0;

　　switch(status)

　　{

　　case off: break;

　　case clockwise:

　　if(++i==num){

　　i=0;

　　if( row == 4 ) row = 0;

　　(*(char *)0xd3000006)=pulse_table[row++];

　　}

　　ttimer.expires=jiffies+1;

　　add_timer(ttimer);

　　break;

　　case anticlockwise:

　　if(++i==num){

　　i=0;

　　if( row == -1 ) row = 3;

　　(*(char *)0xd3000006)=pulse_table[row--];

　　}

　　ttimer.expires=jiffies+1;

　　add_timer(ttimer);

　　break;

　　case default: break;

　　}

　　}

在time_tick()函數中判斷步進電機的狀態，是停止、正轉還是反轉。若是正轉，則按正向順序發送脈沖，并添加定時器ttimer；若是反轉，則按反向順序發送脈沖，并添加定時器ttimer；若是停止則不再發送脈沖，也不再添加定時器。

　　在stepper_module_init()函數中申請I/O端口，并初始化定時器ttimer:

　　if(check_region(0x28000006, 1)) //看該I/O端口是否已經被占用

　　{

　　printk(The stepper port is used by another module.n);

　　return -1;

　　}

　　request_region(0x28000006, 1, DEVICE_NAME); //申請該I/O端口

　　init_timer(ttimer); //初始化定時器ttimer

　　ttimer.function=time_tick; //填寫定時器處理函數為time_tick（）

　　編寫ioctl函數用來接收應用程序對于步進電機的控制。

　　int device_ioctl( struct inode *inode, struct file *file, unsigned int ioctl_num,

　　unsigned long ioctl_param)

　　{

　　struct stepper * s;

　　/* 根據實際程序中的不同需求更改ioctl函數的調用*/

　　switch (ioctl_num)

　　{

　　case IOCTL_SET_MSG:

　　s = (struct stepper*) ioctl_param;

　　switch (s->CmdID)

　　{

　　case 0: /*開始*/

　　status=clockwise;

　　ttimer.expires=jiffies+1; //開啟定時器

　　add_timer(ttimer);

　　break;

　　case 1: status=off; break; /*停止*/

　　case 2: /*反轉*/

　　if(status==clockwise){ status=anticlockwise; }

　　if(status==anticlockwise){ status=clockwise; }

　　break;

　　case 3: if(num!=1)num--; break; /*加速*/

　　case 4: num++; break; /*減速*/

　　}

　　}

　　return 0;

　　};

通過s指針得到stepper結構中的表示命令類型的參數，根據該參數判斷命令類型，0是start起動，1是stop停止，2是reverse反向，3是up電機加速，4是down電機減速，通過改變全局變量num和status來控制電機。電機的起動是通過在start分支中起動一個定時器ttimer，然后在定時器處理函數time_tick中發送步進電機脈沖，并重新添加定時器，從而實現步進電機的轉動。

4．結語

本文歸納了嵌入式Linux驅動程序開發的特點并且結合嵌入式Linux下步進電機的驅動說明了驅動程序的編寫。本文論述的驅動程序比較簡單，一個功能齊全的驅動程序除了本文提到的幾種功能外，還應該包括中斷處理。這些工作有待日后完成。

本文作者創新點：步進電機在嵌入式的應用中傳統的方式都是在沒有操作系統中完成，或者在沒有支持MMU的操作系統中實現，本文在操作系統支持MMU的情況下完成了對于步進電機的控制。