基于ARM+Linux的直流伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 目前大多伺服控制系統(tǒng)依賴計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)體積功耗大、成本高。針對(duì)此問題，以ARM9 S3C2440芯片和CPLD EPM570T144芯片為硬件平臺(tái)，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)了直流伺服控制系統(tǒng)。ARM實(shí)現(xiàn)控制算法，得出控制量給CPLD ，CPLD主要用作控制接口擴(kuò)展和信號(hào)處理。詳細(xì)介紹了Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和伺服控制應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)等速跟蹤、位置跟蹤和正弦跟蹤等控制功能，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法，以滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和高速性要求。
關(guān)鍵詞： ARM9；嵌入式Linux；CPLD；Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)；伺服控制

隨著數(shù)字信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)伺服控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和復(fù)雜性的要求越來越高，單靠順序結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)已經(jīng)不容易滿足上述要求。目前很多伺服控制系統(tǒng)的控制器采用PC/104結(jié)構(gòu)或依賴上位計(jì)算機(jī)，根據(jù)實(shí)際的控制系統(tǒng)需要擴(kuò)展相應(yīng)的控制電路，使得系統(tǒng)體積大、成本高、可靠性不易保證，且用戶交互性不好。嵌入式Linux操作系統(tǒng)由于具有代碼開源、可移植性、軟硬件可裁剪性、資源豐富及支持多種硬件平臺(tái)和接口等特點(diǎn)，并且從2.6版本以后的Linux實(shí)時(shí)性有了很大的提高，正被越來越多地應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)中。通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的軟硬件資源進(jìn)行分配、調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)，能夠充分發(fā)揮控制系統(tǒng)的性能。ARM處理器以其體積小、低功耗、低成本、高性能、文檔豐富及嵌入式軟件多等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。因此，本文以ARM9和CPLD為硬件平臺(tái)，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)了直流伺服控制系統(tǒng)。
1 硬件平臺(tái)
系統(tǒng)原理框圖[1]如圖1所示。系統(tǒng)以ARM作為主控芯片，主要負(fù)責(zé)運(yùn)行操作系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)控制算法、人機(jī)交互和多機(jī)通信等。CPLD EPM570T144主要負(fù)責(zé)從ARM接收數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波；接收編碼器輸出信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理，得到編碼器的值，將其送給ARM，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。CPLD和ARM之間通過地址總線(13根)、數(shù)據(jù)總線(16根)、控制總線(片選、讀寫使能信號(hào)等)與GPIO口(作為外部中斷使用)連接，即CPLD類似于ARM的一個(gè)外部存儲(chǔ)器(CPLD掛接在ARM的bank1存儲(chǔ)空間上，地址空間為0x08000000～0x10000000)，ARM和CPLD的數(shù)據(jù)交換類似于對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫操作。這種總線方式擴(kuò)展，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換快速、操作簡(jiǎn)單?？刂瓢逋ㄟ^JTAG、UART、USB和網(wǎng)口與上位機(jī)連接，在目標(biāo)板和上位機(jī)之間建立交叉開發(fā)環(huán)境，可在控制板和上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)程序下載調(diào)試、文件傳輸和通信等，便于系統(tǒng)軟件開發(fā)和調(diào)試。

2 CPLD程序設(shè)計(jì)
CPLD程序分為電機(jī)辨向、四倍頻、編碼器脈沖計(jì)數(shù)、PWM波生成和總線數(shù)據(jù)讀寫5個(gè)模塊，如圖2所示。采用VHDL語言，依據(jù)自底向上設(shè)計(jì)的方法，以便于程序開發(fā)和移植。

采用增量式編碼器，需對(duì)編碼器輸出的ABZ碼進(jìn)行處理[2]，經(jīng)過辨向、倍頻、計(jì)數(shù)后得到編碼器值。ARM與CPLD之間通過雙向總線交換數(shù)據(jù)，CPLD讀取ARM寫入數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM波。當(dāng)CPLD中的編碼器值可讀后，CPLD采用中斷方式通知ARM，然后將編碼器值寫到數(shù)據(jù)總線上供ARM讀取。由于CPLD與ARM的其他外設(shè)共用數(shù)據(jù)總線，所以在CPLD對(duì)總線進(jìn)行操作時(shí)要特別注意，除了CPLD往總線上寫數(shù)據(jù)外，其他時(shí)刻都應(yīng)該將總線置為高阻態(tài)，以讓出總線的使用權(quán)，否則其他外設(shè)（如網(wǎng)口、ADC接口等）會(huì)因CPLD一直占用總線而不能正常工作。
CPLD應(yīng)用計(jì)數(shù)法產(chǎn)生PWM波[3]，CPLD時(shí)鐘頻率為100 MHz，設(shè)置PWM總計(jì)數(shù)值為8 000。CPLD根據(jù)ARM給定的0～8 000的計(jì)數(shù)值對(duì)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，產(chǎn)生兩路反相的PWM波。為防止功率放大器的H橋同一側(cè)上下同時(shí)導(dǎo)通，一般設(shè)置有3～5 μs的死區(qū)，本設(shè)計(jì)中設(shè)置為5 μs的死區(qū)。
3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介
設(shè)備驅(qū)動(dòng)是連接應(yīng)用程序與硬件設(shè)備的橋梁，驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序提供了接口函數(shù)，用戶在應(yīng)用程序中調(diào)用相應(yīng)的接口函數(shù)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作，因此，驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)分為字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)[4]。本文中控制板上移植了Linux2.6操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)下需設(shè)計(jì)ARM讀寫CPLD的數(shù)據(jù)及對(duì)CPLD產(chǎn)生的中斷信號(hào)響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，這一要求采用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行諸如read、write等操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，然后讀取設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中初始化的file_operations結(jié)構(gòu)體，獲取相應(yīng)操作（read/write等）對(duì)應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。因此，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫這些文件操作的接口函數(shù)，并填充file_operations的各個(gè)域。
3.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
為便于開發(fā)和調(diào)試，設(shè)備驅(qū)動(dòng)使用模塊的方式動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核中去。加載模塊的方式與以往的應(yīng)用程序開發(fā)有很大的不同。以往在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)都有一個(gè)main()函數(shù)作為程序的入口點(diǎn)，而在驅(qū)動(dòng)開發(fā)時(shí)卻沒有main()函數(shù)，模塊在調(diào)用insmod命令時(shí)被加載，此時(shí)的入口點(diǎn)為module_init()函數(shù)，在該函數(shù)中完成設(shè)備的注冊(cè)、設(shè)備文件的創(chuàng)建和相關(guān)內(nèi)存及寄存器的地址映射。同樣，模塊在調(diào)用rmmod命令時(shí)被卸載，此時(shí)的入口點(diǎn)為module_exit()函數(shù)，在該函數(shù)中將不用的資源返還給操作系統(tǒng)，把注冊(cè)的設(shè)備、創(chuàng)建的設(shè)備文件及IO內(nèi)存映射等注銷掉。在設(shè)備完成注冊(cè)和加載之后，用戶的應(yīng)用程序就可以對(duì)該設(shè)備進(jìn)行一定的操作，如read、write等。而驅(qū)動(dòng)就是用于實(shí)現(xiàn)這些操作，在用戶應(yīng)用程序調(diào)用相應(yīng)入口函數(shù)時(shí)執(zhí)行相關(guān)的操作，module_init()入口點(diǎn)函數(shù)則不需要完成其他如read、wirte之類的功能。驅(qū)動(dòng)程序需要定義和實(shí)現(xiàn)open、read、write等函數(shù)，并填充到file_operations結(jié)構(gòu)中，file_operations結(jié)構(gòu)把應(yīng)用程序中的系統(tǒng)調(diào)用與驅(qū)動(dòng)中對(duì)應(yīng)的函數(shù)聯(lián)系在一起。file_operations結(jié)構(gòu)體如下所示：
static struct file_operations cpld_drv_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.write = cpld_drv_write,
.read = cpld_drv_read,
.open = cpld_drv_open,
.release = cpld_drv_close,
.fasync = cpld_drv_fasync,
};
其中，write()函數(shù)實(shí)現(xiàn)向CPLD中寫入數(shù)據(jù)，read()函數(shù)實(shí)現(xiàn)ARM從CPLD讀取數(shù)據(jù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在內(nèi)核空間，而應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶空間，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不能直接訪問用戶空間的地址，在read()和write()函數(shù)中分別調(diào)用內(nèi)核函數(shù)copy_to_user()和copy_from_user()實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。read函數(shù)實(shí)現(xiàn)讀取CPLD中的編碼器值，write函數(shù)實(shí)現(xiàn)將產(chǎn)生PWM波的計(jì)數(shù)值寫入CPLD中，這兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核空間與用戶空間的數(shù)據(jù)交換。從驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)看，驅(qū)動(dòng)程序由三部分組成：結(jié)構(gòu)體struct file_operations及其成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)、設(shè)備初始化module_init()和設(shè)備注銷module_exit()。
讀寫CPLD需要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作[5]。CPLD產(chǎn)生的讀中斷信號(hào)連接到ARM的GPF1口，CPLD的使能信號(hào)由ARM的GPF0產(chǎn)生，因此需要配置相應(yīng)的寄存器。驅(qū)動(dòng)程序中需要對(duì)內(nèi)存和寄存器進(jìn)行操作，本操作系統(tǒng)下不能直接對(duì)內(nèi)存和寄存器的物理地址進(jìn)行操作，需先將相應(yīng)的內(nèi)存和寄存器的物理地址映射到內(nèi)核的虛擬地址空間，通過對(duì)映射后的虛擬地址進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器和內(nèi)存的操作。
ARM對(duì)CPLD的讀操作采用異步通知和內(nèi)核中斷方式[5]實(shí)現(xiàn)，這樣可減少系統(tǒng)開支。首先在驅(qū)動(dòng)的open()函數(shù)中調(diào)用request_irq()函數(shù)注冊(cè)內(nèi)核中斷，并在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)中斷處理函數(shù)，在內(nèi)核中斷處理函數(shù)中調(diào)用kill_fasyn()函數(shù)給指定的應(yīng)用程序發(fā)送信號(hào)，通知應(yīng)用程序CPLD中的編碼器值可讀。當(dāng)CPLD無可讀中斷產(chǎn)生時(shí)，將read()函數(shù)放入等待隊(duì)列，主程序一直處于睡眠狀態(tài)，而不是應(yīng)用程序主動(dòng)去調(diào)用read()函數(shù)來等待中斷的產(chǎn)生，即采用異步通知方式，調(diào)用內(nèi)核中的fasync_helper()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)CPLD有可讀中斷產(chǎn)生時(shí)，在中斷處理函數(shù)中通過kill_fasync()函數(shù)，向進(jìn)程發(fā)送信號(hào)SIGIO，觸發(fā)應(yīng)用程序中signal聲明的異步觸發(fā)函數(shù)，使用POLL_IN表明有數(shù)值可以讀取。另外，要注意，在進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，首先通過中斷自旋鎖spin_lock_irq()關(guān)閉所有中斷，以防止其他中斷源中斷kill_fasync的工作，在中斷服務(wù)程序結(jié)束時(shí)，再通過spin_unlock_irq()打開中斷。中斷處理函數(shù)部分代碼如下：
spinlock_t lock;
static irqreturn_t eint1_irq(int irq, void *dev_id)
//中斷服務(wù)程序
{
spin_lock_irq(&lock)；//關(guān)閉中斷
kill_fasync (&eint1_async, SIGIO, POLL_IN);
//產(chǎn)生中斷后，驅(qū)動(dòng)向應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)可讀信號(hào)
spin_unlock_irq(&lock)；//開中斷
return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}
4 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)