多通道步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

張付祥，劉振宇

ZHANG Fu-xiang，LIU Zhen-yu

（河北科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，石家莊 050018）

0 引言

機(jī)電一體化系統(tǒng)中有很多情況需要對(duì)多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制[1]，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般基于單片機(jī)或者是PC機(jī)，由于資源的限制很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的步進(jìn)控制[2]。傳統(tǒng)上基于PC機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的核心是步進(jìn)電機(jī)控制卡，很難實(shí)現(xiàn)多通道步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制[3]，實(shí)現(xiàn)多軸控制則需PMAC卡等[4]多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，但控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本較高。能夠?qū)崿F(xiàn)多通道步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制器控制可靠，且能夠方便的通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線組建大型的控制系統(tǒng)[5]。

1 基于FPGA和SPI的多通道步進(jìn)電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

1.1 多通道步進(jìn)電機(jī)控制器原理

多電機(jī)控制器針對(duì)接受脈沖信號(hào)控制的步進(jìn)電機(jī)，與微處理器采用SPI總線的方式傳送數(shù)據(jù)，通?？梢源罱ǔ蓤D1所示的多通道步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)工作時(shí)，具有SPI的微處理器通過(guò)其I/O口片選FPGA，多電機(jī)控制器處于工作狀態(tài)。微處理器通過(guò)SPI向FPGA發(fā)送電機(jī)控制指令，F(xiàn)PGA根據(jù)控制指令產(chǎn)生電機(jī)方向控制的電平信號(hào)和電機(jī)速度控制的脈沖信號(hào)?？刂菩盘?hào)通過(guò)FPGA的輸出端口發(fā)送到相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而完成對(duì)多個(gè)電機(jī)的控制。這里以一片EPF10K10A實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制為例介紹多電機(jī)控制器設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法。

1.2 FPGA的硬件線路

基于FPGA的電機(jī)控制器的硬件建立后，需要對(duì)FPGA的管腳進(jìn)行定義。除去FPGA和系統(tǒng)相關(guān)的管腳，需要定義和電機(jī)控制有關(guān)的管腳。其中f0~f7為可控脈沖頻率輸出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制；dir0~dir7為電機(jī)方向輸出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的方向控制；MOSI為SPI接口主設(shè)備對(duì)從設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入；SCLK為SPI接口的時(shí)鐘輸入；F2M為外部有源晶振提供的頻率為2MHz的輸入脈沖；CS為片選輸入。

1.3 多通道步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

使用VerilogHDL語(yǔ)言，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)級(jí)開始，把系統(tǒng)劃分為兩個(gè)基本的單元，最頂層模塊為SPI_Motor，SPI_Motor模塊根據(jù)功能再進(jìn)一步細(xì)化為SPI_Core模塊和Counter模塊，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

系統(tǒng)上電FPGA進(jìn)行部分初始化，在得到片選信號(hào)時(shí)，SPI_Core模塊開始接收數(shù)據(jù)，SPI口一次傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，SPI_Core模塊每接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就進(jìn)行一次串并轉(zhuǎn)換，電機(jī)的控制信號(hào)是由兩個(gè)字節(jié)所組成的，需要在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過(guò)程中進(jìn)行判斷一條命令是否轉(zhuǎn)換完畢，如果轉(zhuǎn)換完畢，則通知Counter模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。Counter模塊在系統(tǒng)上電后開始工作，根據(jù)寄存器的初始值進(jìn)行工作，當(dāng)接收到轉(zhuǎn)化后的控制命令時(shí)，根據(jù)控制命令中所包含的地址信息把數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的寄存器中。方向寄存器中的每一位都有一個(gè)輸出，直接跟電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的方向端相連，方向寄存器的變化會(huì)直接導(dǎo)致相應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向變化。電機(jī)使能寄存器和分頻計(jì)數(shù)器相互配合工作，當(dāng)電機(jī)使能寄存器設(shè)定工作電機(jī)時(shí)，相應(yīng)的電機(jī)分頻計(jì)數(shù)器才會(huì)工作，分頻計(jì)數(shù)器在沒(méi)有得到允許工作的命令之前進(jìn)行初始化，得到命令后則根據(jù)計(jì)數(shù)器中的分頻值進(jìn)行分頻。

圖2 電機(jī)控制系統(tǒng)模塊構(gòu)成圖

Counter模塊的功能是控制8個(gè)電機(jī)在給定的方向以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，由8個(gè)定時(shí)器，一個(gè)譯碼器和一個(gè)可控分頻器組成。方向控制通過(guò)內(nèi)部寄存器Dir實(shí)現(xiàn)。可控分頻器的分頻系數(shù)寄存器為9位，初始值為1_0100_1101，對(duì)2MHz進(jìn)行668分頻，得到定時(shí)器寄存器的基準(zhǔn)時(shí)鐘2994HZ。定時(shí)器寄存器為12位，其存儲(chǔ)的最小值規(guī)定為0000_0000_0000,最大值為1111_1111_1111，如果輸入頻率為2994Hz，則輸出的最大頻率為1497Hz，最小為0.36Hz。并且對(duì)每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)使能控制位，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的啟動(dòng)與停止。

Counter模塊可輸出電機(jī)控制頻率為：

式中 n1——分頻系數(shù)；

n2——定時(shí)器寄存器的數(shù)值。

系統(tǒng)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的最大輸入脈沖頻率取1500Hz，因此n1在0-324之間變化，n2在315-4095之間變化。

SPI_Core模塊由一個(gè)串并轉(zhuǎn)換任務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸控制器組成。SPI_Core模塊接收MOSI上的數(shù)據(jù)，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送給Counter模塊。串并轉(zhuǎn)換任務(wù)采用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它將MOSI端口輸入的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)。狀態(tài)編碼采用的是獨(dú)熱編碼，數(shù)據(jù)傳輸控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)給定的寄存器傳輸數(shù)據(jù)，其中ADD_ Encode實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象的編碼，其具體編碼如表1所示。

表1 內(nèi)部寄存器編碼表

2 Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

2.1 SPI總線的驅(qū)動(dòng)

以S3C2410微處理器為例介紹SPI總線的驅(qū)動(dòng)方法，SPI模塊初始化的過(guò)程為：

1）通過(guò)SPI波特率寄存器（SPPREn）設(shè)置SPI總線的波特率；

2）設(shè)置SPI控制寄存器（SPCONn）選擇合適的SPI模式；

3）通過(guò)往SPI數(shù)據(jù)寄存器（SPTDATn）中寫10次0xFF來(lái)初始化掛載在SPI總線上的設(shè)備；

4）設(shè)置GPIO引腳，當(dāng)引腳低電平時(shí)片選掛載在SPI總線上的相應(yīng)設(shè)備。

驅(qū)動(dòng)程序中用到的SPI寄存器有rSPCON0、rSPSTA0、rSPPIN0、rSPPRE0、rSPTDAT0和rSPRDAT0，端口寄存器有rGPECON、rGPEUP、rGPGCON、rGPGUP和rGPGDAT。SPI總線的驅(qū)動(dòng)由初始化函數(shù)Init_SPI（）實(shí)現(xiàn)，采用偽碼編寫函數(shù)如下：

Set rSPPRE0

Set SPCON0

For i=1 TO 10

Set rSPTDAT0,0xff

Set rGPECON

Set rGPEUP

Set rGPHCON

Set rGPHUP

SPI總線傳輸數(shù)據(jù)采用輪詢方式，輪詢函數(shù)spi_poll_done（）的偽碼如下：

while do

rSPSTA0＆0x01

SPI總線的數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)spi_tx_date（）的偽碼如下：

spi_poll_done（）；

Set rSPTDAT0,data

spi_poll_done（）；

2.2 FPGA的驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)采用1個(gè)FPGA完成8個(gè)電機(jī)速度控制，通過(guò)motor_data_send（）函數(shù)完成，其實(shí)現(xiàn)偽碼如下：

Set rGPHDAT,CS

For i=0 TO 1

spi_tx_data（TXdata[i]）

Set rGPHDAT,unCS

FPGA的驅(qū)動(dòng)程序模塊運(yùn)行時(shí)對(duì)FPGA的狀態(tài)進(jìn)行初始化，以保證電機(jī)不會(huì)誤動(dòng)作，其函數(shù)為Init_Motor（）的偽碼如下：

FPGA的設(shè)備文件結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)調(diào)用方法包括write、open和realease，F(xiàn)PGA的系統(tǒng)調(diào)用方法缺少read方法，其中write方法motor_wr（）實(shí)現(xiàn)的偽碼如下：

Set dbuf,kmalloc（sizeof（unsigned char）,GFP_ KERNEL）

copy_from_user（buf,dbuf,1）

Set ADnTXdata[0],dbuf[0]

kfree（dbuf）

open方法motor_open（）和close方法motor_ close（）為空函數(shù)，F(xiàn)PGA的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序卸載函數(shù)motor_exit（）的實(shí)現(xiàn)方法和一般的字符設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法一樣。FPGA的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加載函數(shù)motor_ init（）比一般字符設(shè)備的加載函數(shù)要多一個(gè)電機(jī)的初始化，由函數(shù)Init_Motor（）完成。

3 試驗(yàn)研究

為了開發(fā)應(yīng)用程序，使用Linux C語(yǔ)言開發(fā)了多通道步進(jìn)電機(jī)控制用的API函數(shù)MotorGoto（），其偽碼如下：

Set fd,open（"/dev/motor",O_RDWR）

Set Start[0],0

Set Start[1],Tenable

write（fd,Start,2）

Set Dir[0],0x10

Set Dir[1],Dir

write（fd,Dir,2）

Convert n and f to H and L

Set Out[0],H

Set Out[1],L

write（fd,Out,2）

write（fd,Start,2）

close（fd）

電機(jī)控制器實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定可控分頻寄存器對(duì)外部2MHz的輸入脈沖進(jìn)行2分頻作為內(nèi)部8個(gè)定時(shí)器的基準(zhǔn)脈沖，通過(guò)改變n2的值從而改變電機(jī)控制器的輸出頻率。對(duì)8個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)控制器的輸出頻率從150Hz開始按50Hz遞增一直增至1500Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果8個(gè)電機(jī)控制器的輸出頻率曲線基本重合在一起，電機(jī)控制器的頻率輸出端口具有良好的一致性，說(shuō)明電機(jī)控制器具有很好的精確性和可靠性。

4 結(jié)論

用FPGA開發(fā)具有SPI接口的多通道步進(jìn)電機(jī)控制器占用較少的微處理器I/O資源，硬件聯(lián)接簡(jiǎn)單、軟件易于實(shí)現(xiàn)，程序運(yùn)行效率高，可廣泛應(yīng)用于需要對(duì)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的場(chǎng)合，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及其它嵌入式的系統(tǒng)。

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