基于Linux和QT的簡(jiǎn)便步進(jìn)電機(jī)控制界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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。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。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)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(kāi)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(yǔ)言，已經(jīng)成為用C++GUI工具包在Linux上進(jìn)行自由軟件開(kāi)發(fā)的主流，是Linux上流行的KDE桌面環(huán)境的基礎(chǔ)。Qt/Embedded是著名的Qt庫(kù)開(kāi)發(fā)商Trolltech公司開(kāi)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(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的所有功能。Qt/Embedded是完全面向?qū)ο蟮模苋菀讛U(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。

系統(tǒng)在Linux下應(yīng)用Qt設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)人機(jī)界面的方法，通過(guò)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。

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(guò)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。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0.01μF。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(lái)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(guò)光電耦合器TLP251實(shí)現(xiàn)電平隔離轉(zhuǎn)換。

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(guò)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(guò)引腳CW/CK1/CK控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。也可以通過(guò)M1，M2輸入引腳的高低電平來(lái)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(méi)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。本設(shè)計(jì)中電機(jī)轉(zhuǎn)速是通過(guò)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