基于S3C2440嵌入式Linux的步进电机驱动程序

    在嵌入式Linux开发过程中需要为指定设备编写和编译驱动程序，这与以往在PC机上的Linux驱动开发明显不同，本文设计了基于S3C2440嵌入式Linux下激光雕刻系统的步进电机驱动程序。

    1 硬件系统的设计

    步进电机开环控制系统主要由中央控制器、步进电机驱动器、传感器以及步进电机四大部分组成。本系统采用基于ARM920t内核的S3C244 0A微处理器作为控制系统的中央控制器，该芯片主频400MHz，最高可达到533MHz，内含多种设备接口，存储器使用64MB的Nand Flash和64MB的SDRAM。

    2 系统的工作原理

    本系统主要控制两个两相混合式步进电机，分别代表X轴和Y轴带动传能光纤进行激光雕刻。系统采用8路I/O口进行脉冲输出，每4路接一个步进电机驱动器，通过功率放大后，进入步进电机的各项绕组。电机有半步、整步两种工作模式，整步模式的步距角为1.8°，半步模式的步距角为0.9°，整步一周共200步。如：半步模式的两步进电机正转脉冲为{0x11，0x33，0x22，0x66,0x44，Oxcc，0x88，0x99};整步模式为{0x11，0x22，0x44，0x88，0x11，0x22,0x44,0x88}，一个步进电机运作时，只对脉冲时序的高或低4位操作，另外4位为0。而改变脉冲的顺序，即可改变转动方向。在整个控制系统中，数据处理在Linux应用程序中完成，步进量传递给Linux驱动程序后，由驱动程序完成脉冲输出。通过软件来完成脉冲分配，可根据应用系统的需要，随时改变对步进电机的控制。

    3 嵌入式Linux步进电机驱动程序的设计

    Linux操作系统将所有的设备(而不仅是存储器里的文件)都看成文件，以操作文件的方式访问设备。应用程序不能直接操作硬件，而是使用统一的接口函数调用硬件驱动程序。设备驱动程序是操作系统内核和硬件之间的接口。Linux设备驱动与内核接口可分为三大方面：a.与系统启动代码的接口对设备进行初始化;b.与内核接口通过数据结构file.operrations来完成;c.与设备的接口对设备进行读写操作。

    步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。而脉冲信号的频率和脉冲数是控制电机的两个重要方面。本系统步进电机4路脉冲输出由硬件地址0x28000006的bit0～bit3控制，bit0对应MOTOR A+，bit1对应MOTOR B+，bit2对应MOTOR_A-，bit3对应MOTOR_B-。这里针对整步模式下的步进电机进行脉冲分配信号，半步模式的步进电机正转导电状态时的控制顺序为A+_A+B+_B+_B+A-_A-_一A-B-_B-，整步模式的步进电机正转导电状态时的控制顺序为A+_B+_A-_B-。

    因此在程序中需要通过编制脉冲分配信号来控制步进电机，并通过修改脉冲分配信号来实现对步进电机方向的控制。图2是用软件形成环形脉冲的流程图。

    系统中的步进电机只响应应用程序传送给驱动的步进量和部分参数，只能顺序地进行控制操作，因此它可作为字符设备来进行驱动。在驱动程序中，需要提供几个操作函数的入口点，分别为open、read、write、ioet1等。而ioct1函数尤为重要，系统通过调用这个函数可以控制步进电机的转动。

    在初始化函数中，会将驱动程序的file operations结构连同其主设备号一起向内核进行注册。对于字符设备使用以下函数进行注册：int register_chrdev(unsigned int major,const char*name，struct file_operations*fops);其中，unsigned int major为定义的主设备号，const char*name为定义的设备名称，这里把设备名宏定义为stepper。file_operations*fops为定义的指针变量。申请控制步进电机的端口用以下函数进行调用：request_region(0x28000006, 1, const char*name);因为步进电机用到了I/O端口，而在S3C2440中操作端口要用虚拟地址而非实际的物理地址，因此要修改内核代码。修改文件内核源代码中间的smdk.c，该文件在linux/arch/arm/mach-s3c2440中，在结构体static struct map_descsmdk_io_desc[]中添加一行数组元素{0xd3000000，0x28000000，Ox01000000，DOMAIN_IO，0，1，0，0}，则步进电机的物理地址0x28000006对应的虚拟地址为0xd3000006，在驱动程序中应对这个地址进行操作。

    根据上面提到的步进电机的脉冲分配信号，定义它半步模式正转脉冲为：

    unsigned char pulse_table[]=

    {0x11,0x33，0x22，0x66，0x44，Oxcc，0x88，0x99};

    利用应用程序传递给stepper ioct1的参数arg来判断转动方向。编写ioctl函数用来接收应用程序对于步进电机的控制。

    设备卸载与前面提到的设备注册是相反的过程。当从系统中卸载一个模块时，主设备号要得到释放。这一操作可以调用以下函数进行模块清除：

    int unregister_chrdev(unsigned int major,const char*name);

    首先，编译步进电机模块，打开内核中drivers/char/Konfig文件，添加如下语句：

    Config STEPPER_MODULE、tristate"stepper module"、depends on ARCH_S3C2440、help、stepper driver module。

    在终端中运行命令make menuconfig，进入内核配置主菜单，在DeviceDriver→Character device菜单中看到刚才所添加的选项了，之后编译为模块方式。

    其次，打开内核中drivers/char/Makefile文件，添加如下语句：

    obj-$(CONFIG_STEPPER_MODELL)+=stepper_module.o

    最后，回到内核源代码根目录位置，执行make modules，就可生成系统所需要的内核模块文件stepper module.ko了。至此，完成了步进电机模块驱动的编译。之后，便可使用insmod、rmmod命令分别对模块进行加载、卸载了。

    4 结论

    本文归纳了驱动程序开发的一般流程，并结合步进电机的驱动阐述了驱动程序的编写。与原有通过操作PC机来控制步进电机相比，本文是在Linux操作系统支持MMU的情况下完成了对步进电机的控制。