隨著數字信息技術的不斷發展，人們對伺服控制系統的實時性、穩定性和復雜性的要求越來越高，單靠順序結構的軟件設計已經不容易滿足上述要求。目前很多伺服控制系統的控制器采用PC/104結構或依賴上位計算機，根據實際的控制系統需要擴展相應的控制電路，使得系統體積大、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和接口等特點，并且從2.6版本以后的Linux實時性有了很大的提高，正被越來越多地應用于伺服控制系統中。通過嵌入式Linux操作系統對控制系統的軟硬件資源進行分配、調度、控制和協調，能夠充分發揮控制系統的性能。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點而得到廣泛的應用。因此，本文以ARM9和CPLD為硬件平臺，在嵌入式Linux操作系統下設計了直流伺服控制系統。

1 硬件平臺
    系統原理框圖[1]如圖1所示。系統以ARM作為主控芯片，主要負責運行操作系統并實現控制算法、人機交互和多機通信等。CPLD EPM570T144主要負責從ARM接收數據，產生相應的PWM波；接收編碼器輸出信號，并對其進行處理，得到編碼器的值，將其送給ARM，從而實現電機的閉環控制。CPLD和ARM之間通過地址總線(13根)、數據總線(16根)、控制總線(片選、讀寫使能信號等)與GPIO口(作為外部中斷使用)連接，即CPLD類似于ARM的一個外部存儲器(CPLD掛接在ARM的bank1存儲空間上，地址空間為0x08000000～0x10000000)，ARM和CPLD的數據交換類似于對存儲器的讀寫操作。這種總線方式擴展，使得系統數據交換快速、操作簡單。控制板通過JTAG、UART、USB和網口與上位機連接，在目標板和上位機之間建立交叉開發環境，可在控制板和上位機之間實現程序下載調試、文件傳輸和通信等，便于系統軟件開發和調試。

2 CPLD程序設計
    CPLD程序分為電機辨向、四倍頻、編碼器脈沖計數、PWM波生成和總線數據讀寫5個模塊，如圖2所示。采用VHDL語言，依據自底向上設計的方法，以便于程序開發和移植。

    采用增量式編碼器，需對編碼器輸出的ABZ碼進行處理[2]，經過辨向、倍頻、計數后得到編碼器值。ARM與CPLD之間通過雙向總線交換數據，CPLD讀取ARM寫入數據總線的數據，產生對應的PWM波。當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據總線上供ARM讀取。由于CPLD與ARM的其他外設共用數據總線，所以在CPLD對總線進行操作時要特別注意，除了CPLD往總線上寫數據外，其他時刻都應該將總線置為高阻態，以讓出總線的使用權，否則其他外設（如網口、ADC接口等）會因CPLD一直占用總線而不能正常工作。
    CPLD應用計數法產生PWM波[3]，CPLD時鐘頻率為100 MHz，設置PWM總計數值為8 000。CPLD根據ARM給定的0～8 000的計數值對時鐘計數，產生兩路反相的PWM波。為防止功率放大器的H橋同一側上下同時導通，一般設置有3～5 μs的死區，本設計中設置為5 μs的死區。
3 設備驅動設計
3.1 設備驅動簡介
    設備驅動是連接應用程序與硬件設備的橋梁，驅動程序為應用程序提供了接口函數，用戶在應用程序中調用相應的接口函數便可實現對硬件設備的操作，因此，驅動程序的開發是嵌入式系統開發的關鍵環節。Linux設備驅動分為字符設備驅動、塊設備驅動和網絡設備驅動[4]。本文中控制板上移植了Linux2.6操作系統，該操作系統下需設計ARM讀寫CPLD的數據及對CPLD產生的中斷信號響應的驅動，這一要求采用字符設備驅動來實現。應用程序通過系統調用對設備文件進行諸如read、write等操作時，系統調用通過設備文件的主設備號找到相應的設備驅動程序，然后讀取設備驅動程序中初始化的file_operations結構體，獲取相應操作（read/write等）對應的函數指針，接著把控制權交給該函數。因此，編寫設備驅動程序的主要工作就是編寫這些文件操作的接口函數，并填充file_operations的各個域。
3.2 設備驅動程序設計
    為便于開發和調試，設備驅動使用模塊的方式動態加載到內核中去。加載模塊的方式與以往的應用程序開發有很大的不同。以往在開發應用程序時都有一個main()函數作為程序的入口點，而在驅動開發時卻沒有main()函數，模塊在調用insmod命令時被加載，此時的入口點為module_init()函數，在該函數中完成設備的注冊、設備文件的創建和相關內存及寄存器的地址映射。同樣，模塊在調用rmmod命令時被卸載，此時的入口點為module_exit()函數，在該函數中將不用的資源返還給操作系統，把注冊的設備、創建的設備文件及IO內存映射等注銷掉。在設備完成注冊和加載之后，用戶的應用程序就可以對該設備進行一定的操作，如read、write等。而驅動就是用于實現這些操作，在用戶應用程序調用相應入口函數時執行相關的操作，module_init()入口點函數則不需要完成其他如read、wirte之類的功能。驅動程序需要定義和實現open、read、write等函數，并填充到file_operations結構中，file_operations結構把應用程序中的系統調用與驅動中對應的函數聯系在一起。file_operations結構體如下所示：
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()函數實現向CPLD中寫入數據，read()函數實現ARM從CPLD讀取數據。設備驅動運行在內核空間，而應用程序運行在用戶空間，設備驅動程序不能直接訪問用戶空間的地址，在read()和write()函數中分別調用內核函數copy_to_user()和copy_from_user()實現數據的轉移。read函數實現讀取CPLD中的編碼器值，write函數實現將產生PWM波的計數值寫入CPLD中，這兩個函數實現了內核空間與用戶空間的數據交換。從驅動程序結構看，驅動程序由三部分組成：結構體struct file_operations及其成員函數的實現、設備初始化module_init()和設備注銷module_exit()。
    讀寫CPLD需要對內存進行讀寫操作[5]。CPLD產生的讀中斷信號連接到ARM的GPF1口，CPLD的使能信號由ARM的GPF0產生，因此需要配置相應的寄存器。驅動程序中需要對內存和寄存器進行操作，本操作系統下不能直接對內存和寄存器的物理地址進行操作，需先將相應的內存和寄存器的物理地址映射到內核的虛擬地址空間，通過對映射后的虛擬地址進行操作實現對寄存器和內存的操作。
    ARM對CPLD的讀操作采用異步通知和內核中斷方式[5]實現，這樣可減少系統開支。首先在驅動的open()函數中調用request_irq()函數注冊內核中斷，并在內核中實現中斷處理函數，在內核中斷處理函數中調用kill_fasyn()函數給指定的應用程序發送信號，通知應用程序CPLD中的編碼器值可讀。當CPLD無可讀中斷產生時，將read()函數放入等待隊列，主程序一直處于睡眠狀態，而不是應用程序主動去調用read()函數來等待中斷的產生，即采用異步通知方式，調用內核中的fasync_helper()函數來實現。當CPLD有可讀中斷產生時，在中斷處理函數中通過kill_fasync()函數，向進程發送信號SIGIO，觸發應用程序中signal聲明的異步觸發函數，使用POLL_IN表明有數值可以讀取。另外，要注意，在進入中斷服務程序后，首先通過中斷自旋鎖spin_lock_irq()關閉所有中斷，以防止其他中斷源中斷kill_fasync的工作，在中斷服務程序結束時，再通過spin_unlock_irq()打開中斷。中斷處理函數部分代碼如下：
spinlock_t lock;
static irqreturn_t eint1_irq(int irq, void *dev_id)
//中斷服務程序
{
    spin_lock_irq(&lock)；//關閉中斷
    kill_fasync (&eint1_async, SIGIO, POLL_IN);
//產生中斷后，驅動向應用程序發送數據可讀信號
    spin_unlock_irq(&lock)；//開中斷
    return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}
4 應用程序設計

    在應用程序[6]中，通過函數signal()注冊信號處理函數，以接收內核發來的數據可讀信號。為了打開設備文件的異步觸發機制，用戶程序需指定當前進程為內核發送信號的接收進程，可以通過fcntl系統調用的F_SETOWN命令來設置該值。用戶程序還必須通過另一個fcntl命令設置設備的FASYNC標志，打開異步觸發機制。只要內核中有CPLD可讀中斷產生，輸入文件就會產生一個SIGIO信號，信號發送給應用程序，應用程序調用信號處理函數。在信號處理函數中讀取編碼器的值，通過控制算法得到控制數據(即PWM波計數值)，然后將PWM波的計數值寫入到CPLD中。主程序流程圖如圖3所示，部分代碼如下：
int main(int argc, char **argv)
{
    int Oflags;
    signal(SIGIO, signal_fun);//注冊信號處理函數
    Init(argc,argv);     //打開設備，控制參數初始化
    …
    fcntl(fd_cpld, F_SETOWN, getpid());    
//指定當前進程為接收信號進程
    Oflags=fcntl(fd_cpld, F_GETFL);//返回當前的信號標志
    fcntl(fd_cpld, F_SETFL, Oflags | FASYNC);
//打開異步觸發機制
    while(1)
    {
        sleep(1000);//進程睡眠，等待內核發送中斷信號
    }
    ……
    return 0;
}
    由于Linux是多任務系統，各個進程間采用一定的調度算法調度，進程間會不時地切換，因此編寫程序時要特別考慮系統進程調度的問題。控制程序對實時性有一定的要求，因此，要將控制程序進程設置為實時進程且要具有較高的進程調度優先級，同時控制程序中要盡量少地使用系統調用，以保證控制系統的實時性。
5 實驗結果
    控制板通過串口、網口與計算機（裝有Linux系統）建立交叉編譯環境，程序在計算機上編譯調試。利用網線通過nfs（網絡文件系統）服務，在計算機和控制板之間實現網絡文件共享，可直接在控制板上訪問計算機上的共享文件、執行計算機上編譯好的程序，無需將計算機上編譯好的程序下載到板子上。這種交叉開發的方式將程序和實驗數據直接存儲在計算機上，可節省控制板上的存儲空間，便于程序開發和進行實驗數據分析。
    實驗過程中，首先要對電機參數進行辨識。電機參數辨識的方法[7-8]很多，本實驗采用階躍響應法測得電機的模型參數，近似為一階慣性環節。編碼器為增量式編碼器，電機轉一圈產生20 000個碼，即一個碼值對應0.018°，編碼器值采樣周期為2 ms。將電機一個采樣周期內轉過的角度值除以采樣周期作為速度反饋值，將電機轉過的角度進行累加得到位置反饋值，電機最高轉速為900°/s，最低轉速為9°/s，采用PI控制[9-10]。圖4為系統速度階躍響應曲線，速度響應誤差為每1個采樣周期1個碼值。圖5為系統位置階躍曲線，設定速度環最大速度為180°/s。位置環采用抗積分飽和算法，以消除因積分飽和引起的過大的超調，位置階躍穩態誤差為0。圖6是系統的速度正弦跟蹤曲線，正弦引導函數為：v=180°sin(0.8πt)，跟蹤誤差在正反轉速度換向處跟蹤誤差較大。

    實驗結果表明，基于ARM9和CPLD硬件平臺，在嵌入式Linux操作系統下，系統能夠實現等速跟蹤、位置定點和正弦跟蹤等功能，滿足控制實時性要求，可實現伺服控制。系統體積小、成本低、功耗小、接口豐富、便于開發，且Linux系統具有很好的文件管理功能，有助于實驗數據的存儲和導出，便于實驗結果分析。系統進一步完善后可將控制程序設計成圖形界面，利用觸摸屏輸入和顯示伺服控制結果，則可實現控制結果實時顯示，可視化效果好，整個系統可脫離計算機工作，具有廣泛的應用價值。
參考文獻
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