基于Linux的C02激光雕刻系統步進電機驅動程序

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

1 硬件系統的設計

步進電機開環控制系統主要由中央控制器、步進電機驅動器、傳感器以及步進電機四大部分組成。本系統采用基于ARM920t內核的S3C244 0A微處理器作為控制系統的中央控制器，該芯片主頻400MHz，最高可達到533MHz，內含多種設備接口，存儲器使用64MB的Nand Flash和64MB的SDRAM。圖l所示為控制系統框圖。

2 系統的工作原理

本系統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。系統采用8路I／O口進行脈沖輸出，每4路接一個步進電機驅動器，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，即可改變轉動方向。在整個控制系統中，數據處理在Linux應用程序中完成，步進量傳遞給Linux驅動程序后，由驅動程序完成脈沖輸出。通過軟件來完成脈沖分配，可根據應用系統的需要，隨時改變對步進電機的控制。

3 嵌入式Linux步進電機驅動程序的設計

Linux操作系統將所有的設備(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備。應用程序不能直接操作硬件，而是使用統一的接口函數調用硬件驅動程序。設備驅動程序是操作系統內核和硬件之間的接口。Linux設備驅動與內核接口可分為三大方面：a．與系統啟動代碼的接口對設備進行初始化；b．與內核接口通過數據結構file．operrations來完成；c．與設備的接口對設備進行讀寫操作。

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。而脈沖信號的頻率和脈沖數是控制電機的兩個重要方面。本系統步進電機4路脈沖輸出由硬件地址0x28000006的bit0～bit3控制，bit0對應MOTOR A+，bit1對應MOTOR B+，bit2對應MOTOR_A-，bit3對應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導電狀態時的控制順序為A+_A+B+_B+_B+A-_A-_一A-B-_B-，整步模式的步進電機正轉導電狀態時的控制順序為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對步進電機方向的控制。圖2是用軟件形成環形脈沖的流程圖。

系統中的步進電機只響應應用程序傳送給驅動的步進量和部分參數，只能順序地進行控制操作，因此它可作為字符設備來進行驅動。在驅動程序中，需要提供幾個操作函數的入口點，分別為open、read、write、ioet1等。而ioct1函數尤為重要，系統通過調用這個函數可以控制步進電機的轉動。

在初始化函數中，會將驅動程序的file operations結構連同其主設備號一起向內核進行注冊。對于字符設備使用以下函數進行注冊：int register_chrdev(unsigned int major,const char*name，struct file_operations*fops)；其中，unsigned int major為定義的主設備號，const char*name為定義的設備名稱，這里把設備名宏定義為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進行調用：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，因此要修改內核代碼。修改文件內核源代碼中間的smdk．c，該文件在linux／arch／arm／mach-s3c2440中，在結構體static struct map_descsmdk_io_desc[]中添加一行數組元素{0xd3000000，0x28000000，Ox01000000，DOMAIN_IO，0，1，0，0}，則步進電機的物理地址0x28000006對應的虛擬地址為0xd3000006，在驅動程序中應對這個地址進行操作。

根據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脈沖為：

unsigned char pulse_table[]=
{0x11,0x33，0x22，0x66，0x44，Oxcc，0x88，0x99}；

利用應用程序傳遞給stepper ioct1的參數arg來判斷轉動方向。編寫ioctl函數用來接收應用程序對于步進電機的控制。以下是部分驅動程序代碼：

設備卸載與前面提到的設備注冊是相反的過程。當從系統中卸載一個模塊時，主設備號要得到釋放。這一操作可以調用以下函數進行模塊清除：

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，回到內核源代碼根目錄位置，執行make modules，就可生成系統所需要的內核模塊文件stepper module．ko了。至此，完成了步進電機模塊驅動的編譯。之后，便可使用insmod、rmmod命令分別對模塊進行加載、卸載了。

4 結論

在嵌入式Linux系統下，設備驅動程序是內核和硬件之間的接口，本文采用字符設備的思想去實現步進電機驅動程序的開發，介紹了嵌入式Linux驅動程序的原理，歸納了驅動程序開發的一般流程，并結合步進電機的驅動闡述了驅動程序的編寫。與原有通過操作PC機來控制步進電機相比，本文是在Linux操作系統支持MMU的情況下完成了對步進電機的控制。