基于ARM9和QT的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱耀麟，沈昕宇

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

嵌入式控制系統(tǒng)以其低功耗、低成本、高性能等優(yōu)勢(shì)被廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域,而在嵌入式控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的方法是用邏輯電路或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制，雖然此方法可行，但由于線路復(fù)雜而且制成后不易調(diào)整，存在一定的局限性[2]。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展,越來越多的智能化帶有界面控制功能的小型設(shè)備深入到人們生活當(dāng)中。開發(fā)者基于嵌入式領(lǐng)域中的Qt技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套應(yīng)用于工控領(lǐng)域的具有人機(jī)交互界面的智能控制統(tǒng),Qt是挪威Trolltech著名的標(biāo)志性產(chǎn)品，采用C++作為程序設(shè)計(jì)語言,已經(jīng)成為用C++GUI工具包在Linux上進(jìn)行自由軟件開發(fā)的主流，是Linux上流行的KDE桌面環(huán)境的基礎(chǔ)[3]。Qt/Embedded是著名的Q t庫(kù)開發(fā)商Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。Qt是Server/Client結(jié)構(gòu)，延續(xù)了Qt在X上的強(qiáng)大功能，在底層摒棄了Xlib，僅采用幀緩沖作為底層圖形接口。Qt/Embedded類庫(kù)完全采用C++封裝，提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的所有功能[4]。Qt/Embedded是完全面向?qū)ο蟮?，很容易擴(kuò)展，提供了豐富的窗口部件集，并且允許真正的組件編程。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體框圖

該控制系統(tǒng)的硬件部分主要由：步進(jìn)電機(jī)、TA8435H、S3C2440微處理器、光電耦合器、觸摸顯示屏組成。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The system hardware structure diagram

系統(tǒng)在Linux下應(yīng)用Qt設(shè)計(jì)開發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)人機(jī)界面的方法，通過觸摸屏界面對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速、細(xì)分模式等。

1.2 電路設(shè)計(jì)

1.2.1 SC2440和TA8435H電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件核心電路是由S3C2440處理器、TA8435H步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片以及步進(jìn)電機(jī)組成的步進(jìn)電機(jī)控制電路。步進(jìn)電機(jī)控制電路如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制電路Fig．2 Stepper motor control circuit

在該步進(jìn)電控制系統(tǒng)中，采用了以arm920t為內(nèi)核的S3C2440芯片，該芯片是三星公司生產(chǎn)的一款高性能微處理器，具有功耗小、性能高、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，在許多領(lǐng)域都獲得了應(yīng)用。本文選擇該芯片為核心處理器，并將其植入Linux系統(tǒng)，進(jìn)而完成通過觸摸屏對(duì)步進(jìn)電機(jī)交互控制。S3C2440芯片擁有289個(gè)引腳，其中多功能通用I/O多達(dá)30個(gè)，分別為GPA～GPJ，GPA有25個(gè)輸出端口，其余均可根據(jù)需要配置成輸入或輸出[5]。為了實(shí)現(xiàn)四個(gè)電機(jī)的可靠控制，本系統(tǒng)選擇GPB端口為控制端口，該端口具有8個(gè)引腳，分別為GPB0～GPB8，所以可完成步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。TA8435H是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片，TA8435H可以驅(qū)動(dòng)二項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)，且電路簡(jiǎn)單，工作可靠。

TA8435H步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片引腳4外接電容的電容值決定芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)級(jí)的斬波頻率，這里使用的電容容量是0．01 μF。 由于電機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)電流為 0．1 A， 因此設(shè)定REF IN引腳為高電平，Rnf=0．8 Ω。步進(jìn)電機(jī)接口需要使用快恢復(fù)二級(jí)管（D1－D4），用來泄放繞組電流。

1.2.2 電路可靠性設(shè)計(jì)

為了提高硬件的可靠性并且有效抑制干擾，S3C2440和TA8435H之間加入由光耦TLP521－4和TLP521－2芯片組成的電平隔離電路，將S3C2440處理器控制信號(hào)與步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和隔離。電平隔離電路如圖3所示，S3C2440處理器GPIO端口、PWM輸出引腳通過光電耦合器TLP251實(shí)現(xiàn)電平隔離轉(zhuǎn)換。

圖3 電平隔離電路Fig．3 Level isolation circuit

2 軟件設(shè)計(jì)

由于在實(shí)際工業(yè)控制中會(huì)對(duì)電機(jī)有精度、速度、穩(wěn)定性、方向等要求，所以本設(shè)計(jì)要通過觸摸屏按鍵交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、細(xì)分模式的選擇。

TA8435H芯片有正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)兩種工作模式，分別通過引腳CW/CK1/CK控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)[6]。也可以通過M1，M2輸入引腳的高低電平來選擇細(xì)分模式。當(dāng)M1M2為00表示步進(jìn)電機(jī)工作在整部方式，沒有細(xì)分；10為半步方式，01為1/4方式；11為1/8細(xì)分方式。在低速工作時(shí)，可以選用1/4或1/8細(xì)分模式，以提高步距角精度；在高速工作時(shí)，可以選用整步或半步方式，以提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減小步進(jìn)電機(jī)的噪聲和振動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由脈沖信號(hào)頻率所決定的，脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與控制實(shí)際是由CPU產(chǎn)生的，一般脈沖信號(hào)的占空比為 0．3－0．4 左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大[7]。 本設(shè)計(jì)中電機(jī)轉(zhuǎn)速是通過改變定時(shí)器參數(shù)，已產(chǎn)生其他頻率和占空比的PWM輸出控制步進(jìn)電機(jī)。PWM輸出信號(hào)占空比公式為

PWM輸出信號(hào)的占空比=

PWM定時(shí)器的設(shè)置，要分別設(shè)置定時(shí)器0的預(yù)分頻器值和時(shí)鐘分頻值，以供定時(shí)器0的比較緩沖寄存器和計(jì)數(shù)緩存寄存器。 預(yù)分頻值為 0～255，分頻器的分頻值為 2，4，8，16。定時(shí)器輸出時(shí)鐘頻率為

TCLK=PCLK/[（預(yù)分頻值+1）]×分頻器分頻值 （2）

當(dāng)時(shí)鐘被使能后，定時(shí)器計(jì)數(shù)緩沖存儲(chǔ)器（TCNTBn）把計(jì)數(shù)初值下載到遞減計(jì)數(shù)器中，定時(shí)器比較緩沖器（TCMPBn）把其初始值下載到比較寄存器中，并將該值和遞減計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行比較。這種基于TCNTBn和TCMPBn的雙緩沖特性使定時(shí)器在頻率和占空比變化時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定輸出。

3 QT控制界面設(shè)計(jì)開發(fā)

首先介紹將Qt/Embedded在以S3C2440為核心的硬件平臺(tái)上的移植。該系統(tǒng)采用CPU內(nèi)部LCD控制器和320*240分辨率的16bpp TFT LCD作為顯示設(shè)備，同時(shí)移植了ARM Linux作為操作系統(tǒng)。這里用到的操作系統(tǒng)平臺(tái)是Linux－－Red Hat 9．0，交叉編譯器版本是 arm－linux－gcc 4．1．2。其次介紹以qtopia為圖形界面應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)和圖形界面控制電機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程。

3.1 tslib移植

本設(shè)計(jì)采用的觸摸屏是TQ4．3寸屏，因?yàn)橐ㄟ^與觸摸屏的交互來控制電機(jī)，也就是說在開發(fā)板上操作QT程序，是通過觸摸屏完成的，所以首先要移植tslib，進(jìn)行觸摸屏校正。tslib是一個(gè)開源的觸摸屏支持庫(kù)，它是handhelds．org上開發(fā)的，作者是 Russul King，Douglas Lowder和 Chris Larson。 它給上層的應(yīng)用程序，為不同的觸摸屏提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口。它提供諸如濾波、去抖、校準(zhǔn)之類的功能。

解壓源代碼 tslib－1．4．tar．gz，編譯安裝 tslib，將安裝路徑下的整個(gè)tslib文件夾，下載至開發(fā)班的上，存放的路徑為/usr/local。設(shè)置開發(fā)板環(huán)境變量，通過超級(jí)終端，打開環(huán)境變量文件/etc/profile，添加如下內(nèi)容：

export TSLIB_ROOT=/usr/local/tslib

export TSLIB_TSDEVICE=/dev/input/event1

export QWS_MOUSE_PROTO=tslib:/dev/input/event1

export TSLIB_CALIBFILE=/etc/pointercal

export TSLIB_CONFFILE=$TSLIB_ROOT/etc/ts．conf

export TSLIB_PLUGINDIR=$TSLIB_ROOT/lib/ts

export TSLIB_FBDEVICE=/dev/fb0

export TSLIB_CONSOLEDEVICE=none

exportLD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$TSLIB_ROOT/lib

3.2 QT開發(fā)環(huán)境搭建與移植

將 qt－4．6．3．tar．gz 壓縮包解壓為 3 份， 分別編譯 PC ，嵌入式 x86和 arm 三個(gè)版本的 Qtopia－2．2．0。 在 root目錄下建立 tmp 文件夾，將 qt－4．6．2．tar．gz 直接解壓后復(fù)制 3 份，分別命名為 pc、x86、arm。 將 Linux－Red Hat上/usr/local/Trolltech/QtEmbedded－4．6．3－arm/lib （bin/include/fronts） 中的所有文件分別復(fù)制到 ARM板 /flash/qt/lilib（bin/include/fronts）目錄中。移植qt的嵌入式版本到嵌入式設(shè)備中，保證設(shè)備啟動(dòng)后可以正常進(jìn)入到GUI模式。

3.3 建立QT項(xiàng)目文件

在PC的Linux的終端輸入命令：#qt2/bin/designer&l來在后臺(tái)啟動(dòng)QT設(shè)計(jì)器。 設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制界面，整個(gè)控制界面的名稱為xagc，并將按鈕的點(diǎn)擊事件與控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向的函數(shù)用信號(hào)與槽連接起來 。圖4是電機(jī)控制界面，控制界面分別控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、細(xì)分模式、四種轉(zhuǎn)速。圖5是信號(hào)和槽連接，添加的響應(yīng)函數(shù)為 void Motor_CW（），void Motor_CCW （），voidDriver_Mode1/2/3/4（），void Speed Model1/2/3/4（）。

圖4 電機(jī)控制界面Fig．4 Motor control interface

圖5 信號(hào)和槽連接Fig．5 Signals and slots connections

保存工程名為xagc．ui，然后使用uic軟件將剛剛建立工程轉(zhuǎn)化為源代碼，首先建立一個(gè)可執(zhí)行腳本來完成文件轉(zhuǎn)換，這里用到的文件名與ui相同，該腳本會(huì)在以后開發(fā)中用到，設(shè)置ui2cpp腳本為可執(zhí)行，最后執(zhí)行建立的腳本轉(zhuǎn)換文件。獲得源碼 xagc.h；xagc.cpp；moc_first.cpp。程序如下。

#gredit ui2cpp

#chomd+x ui2cpp

#./ui2cpp

使用tmake中的progen軟件產(chǎn)生pro文件，編輯pro文件。程序如下：

TEMPLATE =app

CONFIG =qtopia warn_on release

HEADER =xagc.h

SOURCES =xagc.cpp/

Main.cpp

INTERFACES =xagc.ui

根據(jù)得到的pro文件使用tmaker軟件生成Makefile文件，手首先復(fù)制前面制作好的“xagc/”目錄到“/opt/EmbedSky/Qte/arm-qtopia-2.2.0/pro/”目錄下，然后重新打開一個(gè) PC的linux的終端，重新設(shè)置環(huán)境變量，修改Makefile文件，然后編譯即可完成移植。

4 結(jié)果測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，電機(jī)控制界面移植到了s3c2440上，并通過觸摸屏按鍵的交互，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，并且在改變電機(jī)速度時(shí)，電機(jī)可以穩(wěn)定的運(yùn)行。實(shí)例運(yùn)行結(jié)果如圖6。

圖6 實(shí)例運(yùn)行結(jié)果Fig.6 Instance run results

5 結(jié) 論

圖形用戶界面的廣泛流行是當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的重大成就之一，它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用[8]。本設(shè)計(jì)通過Linux下應(yīng)用Qt設(shè)計(jì)開發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)人機(jī)界面的方法，設(shè)計(jì)出了簡(jiǎn)單方便的步進(jìn)電機(jī)控制界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、方向、細(xì)分模式的選擇控制。運(yùn)用這一技術(shù)控制的步進(jìn)電機(jī)成功地應(yīng)用到我們研制的核電設(shè)備的焊機(jī)系統(tǒng)上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制精度高，其軟件界面形象生動(dòng)，并且編程簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來非常方便，并且可根據(jù)用戶的不同要求隨時(shí)調(diào)整控制方式，因此具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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