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)常需要為特定設備開發(fā)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(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)字符設備驅動程序來驅動步進電動機。

1 硬件系統(tǒng)設計方案
控制系統(tǒng)由處理器、步進電機驅動器、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。步進電機驅動器采用北京和利時電機技術有限公司(原四通電機)的SH-20403。驅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。
控制步進電機驅動器的時序如圖2所示。

2 步進電機驅動系統(tǒng)設計
Linux內(nèi)核結構體系可分為：應用程序、庫函數(shù)、操作系統(tǒng)(內(nèi)核)、驅動程序。在Linux操作系統(tǒng)中，驅動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設備的直接接口，驅動程序屏蔽了硬件的細節(jié)，驅動程序是內(nèi)核的一部分，它具有以下功能：
對設備初始化和釋放：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動程序。
對設備進行管理，包括實時參數(shù)設置以及提供對設備的操作接口。
讀取應用程序傳送給設備文件的數(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中將設備當做文件處理，所以對設備進行操作的調(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)轉到內(nèi)核態(tài)，通過內(nèi)核將openO等的系統(tǒng)調(diào)用轉換成對物理設備的操作。在Linux中通過分層實現(xiàn)對物理設備的調(diào)用，這樣使得內(nèi)核的結構清晰，提高了模塊化的獨立性。

2．1 嵌入式Linux設備驅動程序的框架
Linux系統(tǒng)設備分成三種基本類型：字符設備、塊設備、網(wǎng)絡設備。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。
嵌入式設備驅動整體可分以下兩部分：
(1)硬件設備接口層。這部分主要描述驅動程序與設備的交互。
(2)驅動與內(nèi)核接口層，它實現(xiàn)驅動模塊在Linux內(nèi)核的注冊加載與卸除工作。
對于驅動程序與內(nèi)核接口層，Linux提供了標準的入口點函數(shù)init_functionO；在通過模塊化的設計方法設計驅動程序時，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取消驅動程序的注冊。
2．2 GPIO的步進電機驅動開發(fā)
GPIO(General Purpose Input Output)的步進電機驅動可以歸類為Linux設備驅動的字符設備驅動，以下是開發(fā)它的一些具體步驟。
2．2．1 開發(fā)步驟
(1)模塊化驅動程序
寫字符設備的驅動程序時，也要遵守模塊化編程的一般規(guī)范。設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)結構、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向量表中指向設備驅動程序名稱的指針。使用kfree釋放內(nèi)存。
(3)字符設備主設備號和次設備號的分配
主設備號標志設備對應的驅動程序，內(nèi)核利用主設備號將設備與相應的驅動程序對應起來。主設備號的取值范圍是O～255，如果不善加規(guī)劃，則容易造成主設備號的沖突。
次設備號由驅動程序使用，內(nèi)核的其他部分并不使用它，僅將它傳遞給驅動程序。
(4)設備模塊在內(nèi)核空間的注冊與注銷
字符設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()將設備加入到系統(tǒng)設備列表中；另一種是devfs技術，通過系統(tǒng)函數(shù)devfs-regisrer()實現(xiàn)設備的注冊。注銷與注冊相反，分別調(diào)用unregister_chrdev()函數(shù)和devfs_unregister()函數(shù)。
(5)設備模塊在內(nèi)核空間提供系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)設備驅動程序在注冊成功以后，用戶可以通過訪問設備特殊文件(一般情況在／dev目錄下)實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。
GPIO驅動程序只需要一個file operations數(shù)據(jù)結構體就可以了。
2．2．2 驅動開發(fā)
要寫實際的驅動，就必需了解相關的硬件資源。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，寫驅動可以在內(nèi)核中找相近的驅動程序，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。
驅動開發(fā)完后，要進行測試。把編寫好的驅動程序在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建立與驅動程序相應的設備節(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，查看步進電機的轉向。

3 結論
本文在S3C2440開發(fā)板下實現(xiàn)了步進電機的控制。給出了簡單的驅動程序，實驗結果表明驅動運行正常、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。#p#分頁標題#e#