嵌入式控制系統(tǒng)以其低功耗、低成本、高性能等優(yōu)勢被廣泛用于工業(yè)控制領域，而在嵌入式控制系統(tǒng)中步進電機驅(qū)動控制技術是關鍵技術之一。在步進電機控制系統(tǒng)設計中，傳統(tǒng)的方法是用邏輯電路或單片機實現(xiàn)步進電機控制，雖然此方法可行，但由于線路復雜而且制成后不易調(diào)整，存在一定的局限性。隨著嵌入式技術的發(fā)展，越來越多的智能化帶有界面控制功能的小型設備深入到人們生活當中。開發(fā)者基于嵌入式領域中的Qt技術，設計出一套應用于工控領域的具有人機交互界面的智能控制統(tǒng)，Qt是挪威Trolltech著名的標志性產(chǎn)品，采用C++作為程序設計語言，已經(jīng)成為用C++GUI工具包在Linux上進行自由軟件開發(fā)的主流，是Linux上流行的KDE桌面環(huán)境的基礎。Qt/Embedded是著名的Qt庫開發(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結構，延續(xù)了Qt在X上的強大功能，在底層摒棄了Xlib，僅采用幀緩沖作為底層圖形接口。Qt/Embedded類庫完全采用C++封裝，提供給應用程序開發(fā)者建立藝術級的圖形用戶界面所需的所有功能。Qt/Embedded是完全面向?qū)ο蟮?，很容易擴展，提供了豐富的窗口部件集，并且允許真正的組件編程。

1 硬件電路設計

1.1 系統(tǒng)整體框圖

該控制系統(tǒng)的硬件部分主要由：步進電機、TA8435H、S3C2440微處理器、光電耦合器、觸摸顯示屏組成?？刂葡到y(tǒng)硬件結構圖如圖1所示。

系統(tǒng)在Linux下應用Qt設計開發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)人機界面的方法，通過觸摸屏界面對步進電機進行控制，控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速、細分模式等。

1.2 電路設計

1.2.1 SC2440和TA8435H電路設計

本系統(tǒng)的硬件核心電路是由S3C2440處理器、TA8435H步進電機驅(qū)動芯片以及步進電機組成的步進電機控制電路。步進電機控制電路如圖2所示。

在該步進電控制系統(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、價格低等優(yōu)勢，在許多領域都獲

得了應用。本文選擇該芯片為核心處理器，并將其植入Linux系統(tǒng)，進而完成通過觸摸屏對步進電機交互控制。S3C2440芯片擁有289個引腳，其中多功能通用I/O多達30個，分別為GPA～GPJ，GPA有25個輸出端口，其余均可根據(jù)需要配置成輸入或輸出。為了實現(xiàn)四個電機的可靠控制，本系統(tǒng)選擇GPB端口為控制端口，該端口具有8個引腳，分別為GPB0～GPB8，所以可完成步進電機的實時控制。TA8435H是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細分二項步進電機驅(qū)動專用芯片，TA8435H可以驅(qū)動二項步進電機，且電路簡單，工作可靠。

TA8435H步進電機驅(qū)動芯片引腳4外接電容的電容值決定芯片內(nèi)部驅(qū)動級的斬波頻率，這里使用的電容容量是0.01μF。由于電機所需要的驅(qū)動電流為0.1 A，因此設定REF IN引腳為高電平，Rnf=0.8 Ω。步進電機接口需要使用快恢復二級管(D1—D4)，用來泄放繞組電流。

1.2.2 電路可靠性設計

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處理器控制信號與步進電機控制器進行電平轉(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實現(xiàn)電平隔離轉(zhuǎn)換。

2 軟件設計

由于在實際工業(yè)控制中會對電機有精度、速度、穩(wěn)定性、方向等要求，所以本設計要通過觸摸屏按鍵交互，實現(xiàn)對電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、細分模式的選擇。

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控制電機的正反轉(zhuǎn)。也可以通過M1，M2輸入引腳的高低電平來選擇細分模式。當M1M2為00表示步進電機工作在整部方式，沒有細分;10為半步方式，01為1/4方式;11為1/8細分方式。在低速工作時，可以選用1/4或1/8細分模式，以提高步距角精度;在高速工作時，可以選用整步或半步方式，以提高步進電機運行的穩(wěn)定性，減小步進電機的噪聲和振動。

步進電機的轉(zhuǎn)速是由脈沖信號頻率所決定的，脈沖信號的產(chǎn)生與控制實際是由CPU產(chǎn)生的，一般脈沖信號的占空比為0.3—0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。本設計中電機轉(zhuǎn)速是通過改變定時器參數(shù)，已產(chǎn)生其他頻率和占空比的PWM輸出控制步進電機。

PWM輸出信號占空比公式為

PWM定時器的設置，要分別設置定時器0的預分頻器值和時鐘分頻值，以供定時器0的比較緩沖寄存器和計數(shù)緩存寄存器。預分頻值為0～255，分頻器的分頻值為2，4，8，16。

定時器輸出時鐘頻率為

TCLK=PCLK/[(預分頻值+1)]×分頻器分頻值 (2)

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

3 QT控制界面設計開發(fā)

首先介紹將Qt/Embedded在以S3C2440為核心的硬件平臺上的移植。該系統(tǒng)采用CPU內(nèi)部LCD控制器和320*240分辨率的16bpp TFT LCD作為顯示設備，同時移植了ARM Linux作為操作系統(tǒng)。這里用到的操作系統(tǒng)平臺是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為圖形界面應用程序開發(fā)平臺和圖形界面控制電機系統(tǒng)的開發(fā)過程。

3.1 tslib移植

本設計采用的觸摸屏是TQ4.3寸屏，因為要通過與觸摸屏的交互來控制電機，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，進行觸摸屏校正。tslib是一個開源的觸摸屏支持庫，它是handhelds.org上開發(fā)的，作者是Russul King，Douglas Lowder和Chris Larson。它給上層的應用程序，為不同的觸摸屏提供了一個統(tǒng)一的接口。它提供諸如濾波、去抖、校準之類的功能。

解壓源代碼tslib-1.4.tar.gz，編譯安裝tslib，將安裝路徑下的整個tslib文件夾，下載至開發(fā)班的上，存放的路徑為/usr/local。設置開發(fā)板環(huán)境變量，通過超級終端，打開環(huán)境變量文件/etc/profile，添加如下內(nèi)容：

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制到ARM板/fla sh/qt/lilib(bin/include/fronts)目錄中。移植qt的嵌入式版本到嵌入式設備中，保證設備啟動后可以正常進入到GUI模式。

3.3 建立QT項目文件

在PC的Linux的終端輸入命令：#qt2/bin/designer 1來在后臺啟動QT設計器。設計步進電機的控制界面，整個控制界面的名稱為xagc，并將按鈕的點擊事件與控制電機轉(zhuǎn)速和方向的函數(shù)用信號與槽連接起來。圖4是電機控制界面，控制界面分別控制電機轉(zhuǎn)動、細分模式、四種轉(zhuǎn)速。圖5是信號和槽連接，添加的響應函數(shù)為void Motor_CW()，voidMotor_CCW()，voidDriver_Model1/2/3/4()，void Speed Model1/2/3/4()。

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，該腳本會在以后開發(fā)中用到，設置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。

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

4 結果測試

經(jīng)測試，電機控制界面移植到了s3c2440上，并通過觸摸屏按鍵的交互，可以實現(xiàn)步進電機的控制，并且在改變電機速度時，電機可以穩(wěn)定的運行。實例運行結果如圖6。

5 結論

圖形用戶界面的廣泛流行是當今計算機技術的重大成就之一，它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用。本設計通過Linux下應用Qt設計開發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)人機界面的方法，設計出了簡單方便的步進電機控制界面，實現(xiàn)了對步進電機轉(zhuǎn)速、方向、細分模式的選擇控制。運用這一技術控制的步進電機成功地應用到我們研制的核電設備的焊機系統(tǒng)上，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制精度高，其軟件界面形象生動，并且編程簡單，實現(xiàn)起來非常方便，并且可根據(jù)用戶的不同要求隨時調(diào)整控制方式，因此具有廣泛的應用價值。