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1 引言 20世紀(jì)后半葉，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)和日益完善．成為電力拖動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)重大事件。由于變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、價(jià)格低廉、應(yīng)用普及的交流異步電動(dòng)機(jī)有了性能良好的調(diào)速手段。 近10年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展．電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流凋速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。交流異步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。 ARM技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)方面的主流技術(shù)。目前市場(chǎng)上ARM芯片速度可達(dá)幾百兆，以它為主控芯片可在硬件上實(shí)現(xiàn)高速、高精度且具有一定處理能力的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用Philips公司的LPC2292處理器，結(jié)合嵌入式μClinux操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。嵌入式μClinux操作系統(tǒng)提供了豐富的驅(qū)動(dòng)資源。LPC2292處理器具有豐富的接口資源，能夠滿足變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 2 系統(tǒng)硬件的工作原理 圖2.1為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和工作原理圖。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要有ARM處理器模塊、以太網(wǎng)模塊、鍵盤輸入模塊、LCD顯示屏模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和PWM脈寬調(diào)制模塊7部分。ARM處理器模塊主要包括PLC2292處理器、FLASH、SDRAM、電源模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和其它輔助電路構(gòu)成。ARM處理器模塊是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心處理單元，以LPC2292為控制核心；以太網(wǎng)13接口模塊主要負(fù)責(zé)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視；鍵盤模塊負(fù)責(zé)工作參數(shù)的設(shè)黃輸入，以及工作狀態(tài)的切換；LCD顯示屏模塊負(fù)責(zé)當(dāng)前設(shè)置和丁作狀態(tài)的顯示，同時(shí)顯示時(shí)鐘日歷等，實(shí)時(shí)時(shí)鐘通過(guò)12C總線與LPC2292連接；數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)從外部采集信息；A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊主要是負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集模塊采集來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；PWM脈寬調(diào)制模塊主要負(fù)責(zé)通過(guò)IPM職能功率模塊對(duì)交流異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。 
圖2．1變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和工作原理圖 LPC2292處理器是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心處理單元。數(shù)據(jù)采集模塊采集的模擬信號(hào)經(jīng)A/D模塊量化后數(shù)據(jù)參數(shù)傳人ROM中的嵌入式μClinIIX操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序中，應(yīng)用程序根據(jù)數(shù)據(jù)在通過(guò)PWM脈寬調(diào)制模塊控制輸出頻率，從而再通過(guò)IPM智能功率模塊對(duì)交流異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。 3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)主要使用c語(yǔ)言和ARM匯編語(yǔ)言。系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)方面：?jiǎn)?dòng)引導(dǎo)程序Bootload；建立μCLin呱操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境；PWM脈沖寬度調(diào)制模塊驅(qū)動(dòng)森序的實(shí)現(xiàn)。 3．1啟動(dòng)引導(dǎo)程序Bootloader 引導(dǎo)程序Bootloader是在操作系統(tǒng)運(yùn)行之前執(zhí)行的一段程序。它主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：初始化CPU運(yùn)行的時(shí)鐘頻率；初始化flash和內(nèi)存的數(shù)據(jù)寬度，讀寫訪問(wèn)周期和刷新周期；初始化中斷系統(tǒng)；初始化系統(tǒng)中各種片內(nèi)、片外設(shè)備和FO端口；初始化系統(tǒng)各種運(yùn)行模式下的寄存器和堆棧；加載和引導(dǎo)μCLinux操作系統(tǒng)。 3．2建立μCLinux操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境 μCLinux操作系統(tǒng)沿襲了傳統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)的主要特性，包括穩(wěn)定、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng)支持；建立μCLinux，操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境主要包括3個(gè)步驟：建立μCLinux操作系統(tǒng)的交叉編譯環(huán)境、μCLinux操作系統(tǒng)的編譯和μCLinux操作系統(tǒng)的加載。 3．3 PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口，它作為應(yīng)用設(shè)備之間的軟件層．為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。在μCLinux操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，主要有如下幾個(gè)步驟：(1)設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備號(hào)。(2)實(shí)現(xiàn)保存設(shè)備信息的結(jié)構(gòu)體中的部分函數(shù)。(3)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)和清除函數(shù)。 PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆谧址O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，因此PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)程序遵循上述的開(kāi)發(fā)步驟。 3．3．1設(shè)置PWM驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備號(hào) PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)程序要先建立文件設(shè)備的主設(shè)備號(hào)和從設(shè)備號(hào)。PWM驅(qū)動(dòng)程序默認(rèn)的主設(shè)備號(hào)為125，沒(méi)有使用從設(shè)備號(hào)。因此，需要建立1個(gè)設(shè)備文件，起主設(shè)備號(hào)為125．從設(shè)備號(hào)可任意選擇，文件名可定為PWM。建立設(shè)備文件的程序清單如下： 程序清單3．2建立設(shè)備文件程序 mknod /dev/PWM c 125 0 3．3．2實(shí)現(xiàn)保存設(shè)備信息的結(jié)構(gòu)體中的部分函數(shù) PWM驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆谧址O(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。PWM驅(qū)動(dòng)程序要建立保存設(shè)備信息的結(jié)構(gòu)體。PWM驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)體如下： 程序清單3．1 PWM驅(qū)動(dòng)程序操作的結(jié)構(gòu)體 struct file_operations pwm_fops={ owner：THIS_MODULE， open：pwm_open， release：pwm_release， ioctl：pwm_ioctl， } 因?yàn)镻WM驅(qū)動(dòng)程序僅需要實(shí)現(xiàn)open()、release()和ioctl()函數(shù)，所以PWM驅(qū)動(dòng)不能使用標(biāo)準(zhǔn)C的庫(kù)函數(shù)來(lái)訪問(wèn)，只能使用內(nèi)核提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)來(lái)訪問(wèn)。 從此函數(shù)接口看．我們實(shí)現(xiàn)PWM設(shè)備的打開(kāi)、釋放和控制。函數(shù)open(const cIla—pathname，int nags)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM設(shè)備的打開(kāi)；函數(shù)close(int fd)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM設(shè)備的關(guān)閉；函數(shù)ioed(int fd，tinsigned IonE int cmd，⋯)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM脈寬調(diào)制設(shè)備輸出頻率和占空比的控制。 PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)程序最重要的功能是控制PWM輸出的頻率和占空比。PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)程序輸出的頻率可以通過(guò)命令PWM_SET_CYC設(shè)置PWM脈寬調(diào)制頻率。實(shí)際上是以VPB總線周期為單位設(shè)置PWM脈寬調(diào)制的頻率。頻率是周期的倒數(shù)，所以也就設(shè)置了頻率。PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)程序知道PWM脈寬調(diào)制的輸出頻率和高電平時(shí)間，就可以計(jì)算占空比。因此，設(shè)置再設(shè)置高電平時(shí)間就可以計(jì)算占空比。PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)程序可以用PWM_1_SET_DUYY、PWM_1_SET_DUYY等命令設(shè)置高電平時(shí)間。 3.3.3 實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)和清除函數(shù) μCLinux操作系統(tǒng)在加載內(nèi)核模塊時(shí)會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)，在卸載內(nèi)核模塊時(shí)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的清除函數(shù)。PWM驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)和清除函數(shù)程序代碼如下： 程序清單3.3 PWM驅(qū)動(dòng)程序初始化函數(shù)代碼 int pwm_init(void){ int result; result=register_chrdev(MAJOR DEVICE，＆pwm_fops); if(result<0){ printk(KERN_ERR DEVICE NAME“：Unable to get major％d\h”，MAJOR_NR)； return(result)； } if(MAJOR_NR==0) MAJOR_NR=result； printk(KERN_INF0 DEVICE_NAME”：init 0K\n”)； return(0)； } 程序清單3．4 PWM驅(qū)動(dòng)程序清除函數(shù)代碼 void pwm_cleanup(void){ unregister_chrdev(MAJOR_NR，DEVICE_NAME)； } 3．3．4為PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)程序添加中斷服務(wù)程序 μLinux操作系統(tǒng)內(nèi)核具有中斷管理功能，因此中斷服務(wù)程序必須按照其規(guī)范使用。μCLinux操作系統(tǒng)在使用中斷服務(wù)程序之前，需要向內(nèi)核注冊(cè)中斷服務(wù)程序；不再使用中斷服務(wù)程序時(shí)，需要注銷中斷服務(wù)程序。注冊(cè)中斷服務(wù)程序通過(guò)調(diào)用函數(shù)request_irq()實(shí)現(xiàn)。通常申請(qǐng)中斷返回值為0表示成功，或者返回—個(gè)負(fù)的錯(cuò)誤碼。函數(shù)返回一EBUSY，表示另一個(gè)設(shè)備程序已使用了要申請(qǐng)信號(hào)線。注銷中斷服務(wù)程序通過(guò)調(diào)用free-irq()實(shí)現(xiàn)。 3．3．5編譯和測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序 PWM驅(qū)動(dòng)程序源代碼編寫成功后，需要把它編譯進(jìn)內(nèi)核。當(dāng)用戶需要打開(kāi)設(shè)備時(shí)。還需要一個(gè)在/dev目錄的設(shè)備文件名稱．這樣驅(qū)動(dòng)程序才能工作。 最后經(jīng)過(guò)編譯得到zImage內(nèi)核壓縮文件。用引導(dǎo)程序Bootloader通過(guò)串口或者以太網(wǎng)接口將zImage文件引導(dǎo)到LPC2292處理器上片外SDRAM上進(jìn)行調(diào)試。 4 結(jié)束語(yǔ) 嵌入式系統(tǒng)具有低功耗、可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)。采用嵌入式系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，使得變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可靠性高、性能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好，將以太網(wǎng)接口集成與變頻調(diào)速系統(tǒng)中，使得對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視變得簡(jiǎn)單易行。因此，研制一個(gè)帶以太網(wǎng)接口的嵌入式變頻調(diào)速控制系統(tǒng)具有重要的科學(xué)意義和價(jià)值。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：具體實(shí)現(xiàn)了在PLC2292+μCLinux操作系統(tǒng)平臺(tái)下的6路PWM脈寬調(diào)制變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)；詳細(xì)分析可PWM脈寬調(diào)制模塊設(shè)備在嵌入式μCLinux操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)過(guò)程，編寫出驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)了6路PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)備的控制，結(jié)合已經(jīng)完成的以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)模塊，已成功地應(yīng)用到變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)簡(jiǎn)明，擴(kuò)展方便，信息處理實(shí)時(shí)性高。 作者：徐功偉 來(lái)源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與soc)2009年第25卷第6-2期 |
