摘要:本平臺基于Samsung公司的友善之譬QQ2440V3開發(fā)板,它采用Samsung S3C2440為微處理器,,Samsung S3C2440的內(nèi)核為ARM920T,,且采用Linux2.6.13內(nèi)核作為它的操作系統(tǒng)。設(shè)計了硬件系統(tǒng),,并實現(xiàn)驅(qū)動程序?qū)?a class="innerlink" href="http://wldgj.com/tags/步進電機" title="步進電機" target="_blank">步進電機的控制,,在QQ2440V3開發(fā)板上的實驗結(jié)果表明驅(qū)動運行正常、穩(wěn)定,。這是實現(xiàn)激光雕刻的核心,,為以后實現(xiàn)傳能激光雕刻夯實了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:ARM,;Linux,;步進電機;驅(qū)動
0 引言
隨著激光雕刻機的不斷發(fā)展和改進,,嵌入式Linux的激光雕刻機比CNC(Computer numerical control)激光雕刻的優(yōu)勢不斷顯現(xiàn),,它大幅度提高了處理能力,方便了設(shè)計開發(fā),,節(jié)約了成本,,是未來經(jīng)濟型激光雕刻機發(fā)展的趨勢。而嵌入式ARM(Advanced RISC Machines)Linux步進電機驅(qū)動是實現(xiàn)激光雕刻的核心,。
嵌入式開發(fā)過程中,,經(jīng)常需要為特定設(shè)備開發(fā)驅(qū)動程序。這些驅(qū)動程序的編寫和編譯與PC上的Linux驅(qū)動開發(fā)相比存在明顯的差異,,需要考慮的因素較多,,實現(xiàn)過程較為復雜。本文以Samsung公司的友善之譬S3C2440開發(fā)板為例,,探討如何使用嵌入式Linux開發(fā)字符設(shè)備驅(qū)動程序來驅(qū)動步進電動機,。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計方案
控制系統(tǒng)由處理器,、步進電機驅(qū)動器、步進電機3部分組成,,如圖1所示,。
處理器用友善之譬QQ2440V3開發(fā)板,內(nèi)核為ARM920T,。步進電機驅(qū)動器采用北京和利時電機技術(shù)有限公司(原四通電機)的SH-20403,。驅(qū)動器共有四路輸入信號:公共、脈沖信號輸入,、方向信號輸入和脫機信號輸入,。驅(qū)動器的輸入信號既可以采用共陽極也可以采用共陰極接線方式,使用共陽極模式時,,應將輸入信號的電源正極連接到公共端,,將輸入信號連接到對應的信號端子,信號低電平有效,,此時對應的內(nèi)部光耦導通,,控制信號輸入驅(qū)動器中;對應共陰極模式時,,將輸入信號的電源負極連接到公共端,,信號高電平有效,我們采用的是共陽極接法,。
控制步進電機驅(qū)動器的時序如圖2所示,。
2 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)體系可分為:應用程序、庫函數(shù),、操作系統(tǒng)(內(nèi)核),、驅(qū)動程序。在Linux操作系統(tǒng)中,,驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設(shè)備的直接接口,,驅(qū)動程序屏蔽了硬件的細節(jié),驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分,,它具有以下功能:
對設(shè)備初始化和釋放:比如向內(nèi)核注冊這個程序,,這樣應用程序傳入文件名時,內(nèi)核才能找到相應的驅(qū)動程序,。
對設(shè)備進行管理,,包括實時參數(shù)設(shè)置以及提供對設(shè)備的操作接口。
讀取應用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)并回送給應用程序請求的數(shù)據(jù),。
檢測是處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤,。
如圖3所示,應用程序通過Linux系統(tǒng)的調(diào)用實現(xiàn)與內(nèi)核通信。由于Linux中將設(shè)備當做文件處理,,所以對設(shè)備進行操作的調(diào)用和對文件操作的操作類似,,主要包括open()、read(),、write(),、ioctl()、close()等接口函數(shù),。應用程序發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用命令后,,會從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài),通過內(nèi)核將openO等的系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)換成對物理設(shè)備的操作,。在Linux中通過分層實現(xiàn)對物理設(shè)備的調(diào)用,,這樣使得內(nèi)核的結(jié)構(gòu)清晰,提高了模塊化的獨立性,。
2.1 嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動程序的框架
Linux系統(tǒng)設(shè)備分成三種基本類型:字符設(shè)備,、塊設(shè)備、網(wǎng)絡設(shè)備,。每個模塊通常實現(xiàn)其中某一種:字符模塊,、塊模塊或網(wǎng)絡模塊。
嵌入式設(shè)備驅(qū)動整體可分以下兩部分:
(1)硬件設(shè)備接口層,。這部分主要描述驅(qū)動程序與設(shè)備的交互。
(2)驅(qū)動與內(nèi)核接口層,,它實現(xiàn)驅(qū)動模塊在Linux內(nèi)核的注冊加載與卸除工作,。
對于驅(qū)動程序與內(nèi)核接口層,Linux提供了標準的入口點函數(shù)init_functionO,;在通過模塊化的設(shè)計方法設(shè)計驅(qū)動程序時,,使用insmod加載核心模塊時會調(diào)用本函數(shù),通知內(nèi)核對驅(qū)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(diào)用cleanup_funct-ion0取消驅(qū)動程序的注冊,。
2.2 GPIO的步進電機驅(qū)動開發(fā)
GPIO(General Purpose Input Output)的步進電機驅(qū)動可以歸類為Linux設(shè)備驅(qū)動的字符設(shè)備驅(qū)動,,以下是開發(fā)它的一些具體步驟。
2.2.1 開發(fā)步驟
(1)模塊化驅(qū)動程序
寫字符設(shè)備的驅(qū)動程序時,,也要遵守模塊化編程的一般規(guī)范,。設(shè)備模塊在用戶空間的初始化和終止:
Init_mnodule()向內(nèi)核注冊模塊提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、局部和全局變量,。
Cleanup_module()取消所有init_module在內(nèi)核中的注冊,。
(2)設(shè)備模塊在內(nèi)核空間的內(nèi)存申請和釋放
kmalloc()函數(shù)分配一段內(nèi)存,這樣就實現(xiàn)了Chrdevs向量表中指向設(shè)備驅(qū)動程序名稱的指針。使用kfree釋放內(nèi)存,。
(3)字符設(shè)備主設(shè)備號和次設(shè)備號的分配
主設(shè)備號標志設(shè)備對應的驅(qū)動程序,,內(nèi)核利用主設(shè)備號將設(shè)備與相應的驅(qū)動程序?qū)饋怼V髟O(shè)備號的取值范圍是O~255,,如果不善加規(guī)劃,,則容易造成主設(shè)備號的沖突。
次設(shè)備號由驅(qū)動程序使用,,內(nèi)核的其他部分并不使用它,,僅將它傳遞給驅(qū)動程序。
(4)設(shè)備模塊在內(nèi)核空間的注冊與注銷
字符設(shè)備的注冊有兩種方法,,一種是常用注冊方法,,通過系統(tǒng)函數(shù)registel_chrdev()將設(shè)備加入到系統(tǒng)設(shè)備列表中;另一種是devfs技術(shù),,通過系統(tǒng)函數(shù)devfs-regisrer()實現(xiàn)設(shè)備的注冊,。注銷與注冊相反,分別調(diào)用unregister_chrdev()函數(shù)和devfs_unregister()函數(shù),。
(5)設(shè)備模塊在內(nèi)核空間提供系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)設(shè)備驅(qū)動程序在注冊成功以后,,用戶可以通過訪問設(shè)備特殊文件(一般情況在/dev目錄下)實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。
GPIO驅(qū)動程序只需要一個file operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體就可以了,。
2.2.2 驅(qū)動開發(fā)
要寫實際的驅(qū)動,,就必需了解相關(guān)的硬件資源。比如:用到的寄存器,、物理地址,、中斷等。在這里,,它用到如下硬件資源,,如表2所示。
要用操作所用到的IO口,,就要設(shè)置他們所用到的寄存器,,我們需要調(diào)用一些現(xiàn)成的函數(shù)或者宏,比如:
/*每個port有16個引腳,,而每個引腳由兩位來配置,,所以你看到32×N。 32表示一個port的配置寄存器,,而N代表是第幾個端口,。而這里的offset表示的是第幾個引腳。*/
S3C2440開發(fā)板中GPIO的許多引腳是和地址線,、數(shù)據(jù)線,、串口線等引腳復用的,。所以我們必須對GPIO進行重新定義和配置。一般來說,,寫驅(qū)動可以在內(nèi)核中找相近的驅(qū)動程序,,以它為模板進行開發(fā),有時也要從零開始,,這次作者在內(nèi)核Linux-2.6.13-qq2440\kernel2.6.13\drivers\char中的qq2440 led.c進行修改,。
最后定義了file_operations和各種API函數(shù),配置了init和exit函數(shù)以及module_exit和module_init,。
驅(qū)動開發(fā)完后,,要進行測試。把編寫好的驅(qū)動程序在PC機上進行交叉編譯,。然后用命令#insmod stepper.ko加載模塊到內(nèi)核中,,通過命令#rmmod stepper.ko可以卸載模塊。用mknod/dev/stepper 1000 0建立與驅(qū)動程序相應的設(shè)備節(jié)點,。編寫相應的應用程序,。在應用程序中打開步進電機的設(shè)備文件,通過調(diào)用ioctl(fd,1&dir,O),,運行應用程序,,查看步進電機的轉(zhuǎn)向。
3 結(jié)論
本文在S3C2440開發(fā)板下實現(xiàn)了步進電機的控制,。給出了簡單的驅(qū)動程序,,實驗結(jié)果表明驅(qū)動運行正常、穩(wěn)定,。但對于實現(xiàn)傳能激光雕刻的圖形及灰度雕刻,,還有待于進一步的完善。