多通道步進電機控制器設計及Linux驅動的實現

張付祥，劉振宇

ZHANG Fu-xiang，LIU Zhen-yu

（河北科技大學 機械電子工程學院，石家莊 050018）

0 引言

機電一體化系統中有很多情況需要對多臺電機進行控制[1]，步進電機控制系統一般基于單片機或者是PC機，由于資源的限制很難實現復雜的步進控制[2]。傳統上基于PC機的步進電機控制系統的核心是步進電機控制卡，很難實現多通道步進電機的驅動控制[3]，實現多軸控制則需PMAC卡等[4]多軸運動控制卡，但控制系統實現成本較高。能夠實現多通道步進電機驅動的控制器控制可靠，且能夠方便的通過現場總線組建大型的控制系統[5]。

1 基于FPGA和SPI的多通道步進電機控制器硬件設計

1.1 多通道步進電機控制器原理

多電機控制器針對接受脈沖信號控制的步進電機，與微處理器采用SPI總線的方式傳送數據，通常可以搭建成圖1所示的多通道步進電機控制系統。

系統工作時，具有SPI的微處理器通過其I/O口片選FPGA，多電機控制器處于工作狀態。微處理器通過SPI向FPGA發送電機控制指令，FPGA根據控制指令產生電機方向控制的電平信號和電機速度控制的脈沖信號。控制信號通過FPGA的輸出端口發送到相應的步進電機驅動器，從而完成對多個電機的控制。這里以一片EPF10K10A實現對8個步進電機的控制為例介紹多電機控制器設計及驅動的實現方法。

1.2 FPGA的硬件線路

基于FPGA的電機控制器的硬件建立后，需要對FPGA的管腳進行定義。除去FPGA和系統相關的管腳，需要定義和電機控制有關的管腳。其中f0~f7為可控脈沖頻率輸出，實現電機的速度控制；dir0~dir7為電機方向輸出，實現電機的方向控制；MOSI為SPI接口主設備對從設備的數據輸入；SCLK為SPI接口的時鐘輸入；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 多通道步進電機控制器設計

使用VerilogHDL語言，采用自頂向下的設計方法，從系統級開始，把系統劃分為兩個基本的單元，最頂層模塊為SPI_Motor，SPI_Motor模塊根據功能再進一步細化為SPI_Core模塊和Counter模塊，系統構成如圖2所示。

系統上電FPGA進行部分初始化，在得到片選信號時，SPI_Core模塊開始接收數據，SPI口一次傳送一個字節的數據，SPI_Core模塊每接收到一個字節的數據就進行一次串并轉換，電機的控制信號是由兩個字節所組成的，需要在數據轉化過程中進行判斷一條命令是否轉換完畢，如果轉換完畢，則通知Counter模塊進行數據接收。Counter模塊在系統上電后開始工作，根據寄存器的初始值進行工作，當接收到轉化后的控制命令時，根據控制命令中所包含的地址信息把數據傳送到相應的寄存器中。方向寄存器中的每一位都有一個輸出，直接跟電機驅動板上的方向端相連，方向寄存器的變化會直接導致相應電機的轉向變化。電機使能寄存器和分頻計數器相互配合工作，當電機使能寄存器設定工作電機時，相應的電機分頻計數器才會工作，分頻計數器在沒有得到允許工作的命令之前進行初始化，得到命令后則根據計數器中的分頻值進行分頻。

圖2 電機控制系統模塊構成圖

Counter模塊的功能是控制8個電機在給定的方向以一定的速度轉動，由8個定時器，一個譯碼器和一個可控分頻器組成。方向控制通過內部寄存器Dir實現。可控分頻器的分頻系數寄存器為9位，初始值為1_0100_1101，對2MHz進行668分頻，得到定時器寄存器的基準時鐘2994HZ。定時器寄存器為12位，其存儲的最小值規定為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。并且對每個定時器都有一個使能控制位，從而實現電機轉動的啟動與停止。

Counter模塊可輸出電機控制頻率為：

式中 n1——分頻系數；

n2——定時器寄存器的數值。

系統中電機驅動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模塊由一個串并轉換任務和數據傳輸控制器組成。SPI_Core模塊接收MOSI上的數據，進行串并轉換，并將轉換后的數據傳送給Counter模塊。串并轉換任務采用有限狀態機來實現，它將MOSI端口輸入的串行數據轉化成并行數據。狀態編碼采用的是獨熱編碼，數據傳輸控制器實現對給定的寄存器傳輸數據，其中ADD_ Encode實現數據傳輸對象的編碼，其具體編碼如表1所示。

表1 內部寄存器編碼表

2 Linux驅動程序開發

2.1 SPI總線的驅動

以S3C2410微處理器為例介紹SPI總線的驅動方法，SPI模塊初始化的過程為：

1）通過SPI波特率寄存器（SPPREn）設置SPI總線的波特率；

2）設置SPI控制寄存器（SPCONn）選擇合適的SPI模式；

3）通過往SPI數據寄存器（SPTDATn）中寫10次0xFF來初始化掛載在SPI總線上的設備；

4）設置GPIO引腳，當引腳低電平時片選掛載在SPI總線上的相應設備。

驅動程序中用到的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總線的驅動由初始化函數Init_SPI（）實現，采用偽碼編寫函數如下：

Set rSPPRE0

Set SPCON0

For i=1 TO 10

Set rSPTDAT0,0xff

Set rGPECON

Set rGPEUP

Set rGPHCON

Set rGPHUP

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

while do

rSPSTA0＆0x01

SPI總線的數據傳輸函數spi_tx_date（）的偽碼如下：

spi_poll_done（）；

Set rSPTDAT0,data

spi_poll_done（）；

2.2 FPGA的驅動

系統采用1個FPGA完成8個電機速度控制，通過motor_data_send（）函數完成，其實現偽碼如下：

Set rGPHDAT,CS

For i=0 TO 1

spi_tx_data（TXdata[i]）

Set rGPHDAT,unCS

FPGA的驅動程序模塊運行時對FPGA的狀態進行初始化，以保證電機不會誤動作，其函數為Init_Motor（）的偽碼如下：

FPGA的設備文件結構中的系統調用方法包括write、open和realease，FPGA的系統調用方法缺少read方法，其中write方法motor_wr（）實現的偽碼如下：

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，FPGA的設備驅動程序卸載函數motor_exit（）的實現方法和一般的字符設備的實現方法一樣。FPGA的設備驅動程序加載函數motor_ init（）比一般字符設備的加載函數要多一個電機的初始化，由函數Init_Motor（）完成。

3 試驗研究

為了開發應用程序，使用Linux C語言開發了多通道步進電機控制用的API函數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）

電機控制器實驗中，設定可控分頻寄存器對外部2MHz的輸入脈沖進行2分頻作為內部8個定時器的基準脈沖，通過改變n2的值從而改變電機控制器的輸出頻率。對8個步進電機進行控制，電機控制器的輸出頻率從150Hz開始按50Hz遞增一直增至1500Hz。實驗結果8個電機控制器的輸出頻率曲線基本重合在一起，電機控制器的頻率輸出端口具有良好的一致性，說明電機控制器具有很好的精確性和可靠性。

4 結論

用FPGA開發具有SPI接口的多通道步進電機控制器占用較少的微處理器I/O資源，硬件聯接簡單、軟件易于實現，程序運行效率高，可廣泛應用于需要對多個步進電機進行控制的場合，可廣泛應用于機器人、數控機床及其它嵌入式的系統。

[1]許瑞華,何俊華基于NextMoveES運動控制卡的步進電機群控系統[J].微計算機信息,2006,22（1-2）：9-10.

[2]黃贊,姚耀文.步進電機伺服系統設計與可視化仿真的實現[J].組合機床與自動化加工技術,2005,30（3）：59-62.

[3]趙勇.基于Ethernet的多通道步進電機控制系統[J].電力系統自動化,2005,25（10）：71-73.

[4]李淑萍,張筱云.基于PMAC的開放式數控系統研究[J].微電機,2009,42（7）：65-68.

[5]王改華,王江衛,劉楚湘,等.基于DeviceNet現場總線的電機控制系統設計[J].工業控制計算機,2008,（10）：94-96.