引言

　　巡航控制系統（CCS）是20世紀60年代發展起來的，又稱為恒速行駛系統。巡航控制系統工作時，ECU根據各種傳感器輸送來的信號判斷汽車的運行狀況，通過執行元件自動調節節氣門的開度使汽車的行駛速度與設定的車速保持一致。汽車在良好路面上長時間行駛時，駕駛員啟動巡航控制系統并設定行駛速度，不需駕駛員操縱加速踏板，通過巡航控制系統即可自動保持既定的行駛速度，不僅減輕了駕駛員的勞動強度，同時利用先進的電子控制技術控制節氣門的開度，比駕駛員操縱節氣門更精確，汽車燃料經濟性、排放污染性也可得到改善。

　　1　系統原理

　　1.1　電控油門原理

　　工作時，由駕駛員發出轉速的控制指令，由節氣門開度傳感器采集發動機的轉速參數，并把信號輸入電控單元；電控單元將控制信號和反饋的節氣門位置信號進行比較，根據比較的結果來驅動執行器改變節氣門的開度，使實際的開度與控制開度達到一致，從而實現車速的自動控制。

　　1.2　舵機控制原理

　　舵機是一種位置（角度）伺服驅動器，適用于那些角度需要不斷變化并可以保持的系統。S3003型舵機有3個引腳，分別為電源Vcc、地GND和控制線 Signal。控制信號由Signal通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓［2］。它的內部有一個基準電路，產生周期為20 ms、寬度為1?5 ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片以決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。

　　控制線的輸入是一個寬度可調的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20 ms（即頻率為50 Hz）。當方波的脈沖寬度改變時，舵機的角度發生改變，角度變化與脈沖寬度成正比。其輸出軸轉角與輸入脈沖寬度關系如圖1所示。

　　圖1　舵機輸出轉角與輸入脈沖寬度關系

　　2　系統設計

　　本系統采用三星公司的S3C2410和Futaba公司的S3003型舵機分別作為控制器和執行器，使用Linux操作系統，實驗平臺為濟南恒信有限公司的發動機實驗平臺。

　　圖2　系統流程

　　2.1　系統設計流程

　　系統流程如圖2所示。控制器S3C2410完成各項初始化工作，接收來自操作人員的cmd指令，根據cmd的值來進行一系列的處理，包括停止執行器、旋轉多少角度等。然后通過節氣門開度傳感器和轉速傳感器計算出等效的cmd值，并與cmd進行比較以決定是進行下一次cmd的判斷，還是調整執行器的角度。

　　2.2　設置Linux系統時鐘頻率

　　為了降低電磁干擾和降低板間布線要求，芯片外接的晶振頻率通常很低，通過時鐘控制邏輯的PLL提高系統時鐘［3］。在三星公司的S3C2410A手冊中列出了推薦的幾種時鐘頻率，這里我們選用輸出時鐘頻率FCLK=202?80 MHz的配置，即PLL控制寄存器中的：MDIV=161（0xa1）、PDIV=3、SDIV=1。

　　在UBoot的board/smdk2410/smdk2410.c中進行設置：

　　#define M_MDIV 0xA1

　　#define M_PDIV 0x3

　　#define M_SDIV 0x1

　　int board_init （void）{

　　……

　　/* configure MPLL */

　　clk_power?﹥MPLLCON = （（M_MDIV ﹤﹤ 12） + （M_PDIV ﹤﹤ 4） + M_SDIV）;

　　……

　　}

　　在UBoot的cpu/arm920t/start.S中設置FCLK、HCLK、PCLK的比例：

　　/* FCLK:HCLK:PCLK = 4:2：1*/

　　ldrr0， =CLKDIVN

　　mov r1， #3

　　strr1， ［r0］

　　由以上程序可知FCLK=202.80 MHz，HCLK=101?40 MHz，PCLK=50.70 MHz，而S3C2410的PWM模塊使用的時鐘是PCLK，所以PWM的輸入時鐘為50.7 MHz。

　　2.3　舵機驅動程序編寫

　　2.3.1　使用udev來動態建立設備節點

　　Linux 2.6系列的內核使用udev來管理/dev目錄下的設備節點。同時它也用來接替devfs及hotplug的功能，這意味著它要在添加/刪除硬件時處理 /dev目錄以及所有用戶空間的行為，包括加載firmware時。udev依賴于sysfs輸出到用戶空間的所有設備信息，以及當設備添加或者刪除時 /sbin/hotplug對它的通知［4］。

　　為了udev能夠正常工作，一個設備驅動程序要做的事情是通過sysfs將驅動程序所控制設備的主設備號和次設備號導出到用戶空間。udev在sysfs 中的/class/目錄樹中搜索名為dev的文件，這樣內核通過/sbin/hotplug接口調用它的時候，就能獲得分配給特定設備的主設備號和次設備號［5］。一個設備驅動程序只需要使用class_create接口為它所控制的每個設備創建該文件。

　　使用class_create函數創建class結構，這段代碼在sysfs中的/sys/class下創建一個目錄，目錄中創建一個新的“pwm”的 class類以容納通過sysfs輸出的驅動程序的所有屬性。其中的一個屬性是dev文件條目，它由class_device_create（）創建—— 它觸發了用戶空間udev守護進程創建/dev/pwm設備節點。代碼如下所示：

　　static struct class * pwm_class;

　　pwm_class = class_create（THIS_MODULE， “pwm”）;

　　if（IS_ERR（pwm_class））{

　　printk（KERN_ERR “Error creating pwm class.\\n”）;

　　goto error;

　　}

　　當驅動程序發現一個設備并且已經分配了一個次設備號時，驅動程序將調用class_device_create函數：

　　class_device_create（pwm_class， NULL， MKDEV（device_major， 0）， NULL， “pwm”）;

　　這段代碼在/sys/class/pwm下創建一個子目錄pwmN，這里N是設備的次設備號。在這個目錄中創建一個文件dev，有了這個udev就可以在/dev目錄下為該設備創建一個設備節點。

　　當設備與驅動程序脫離時，它也與分配的次設備號脫離，此時需要調用class_device_destroy（struct class *cls， dev_t devt）函數刪除該設備在sysfs中的入口項：

　　class_device_destroy（pwm_class， MKDEV（device_major， 0））。

　　2.3.2　配置PWM的輸出頻率

　　先使用Linux系統提供的系統函數來獲取時鐘pclk：

　　clk_p = clk_get（NULL， “pclk”）;

　　pclk = clk_get_rate（clk_p）;

　　由S3C2410數據手冊可知，經過預分頻器和時鐘分頻器之后，計算定時器0的輸入時鐘頻率為clkin=（pclk/{prescaler0+1} /divider value）；再通過16位的定時器0計數寄存器TCNTB0、和定時器0比較計數器TCMPB0（它們的值分別用tcnt和tcmp表示）分頻，這樣就可以從引腳Tout0處得到合適的PWM波形信號了，其周期為T=tcnt/clkin，高電平周期為Th= tcmp/clkin。

　　已知pclk=50.7 MHz，令

　　MAX=（prescale0+1）×（divider value）（1）

　　則有clkin=pclk/MAX；可以取tcnt=pclk/date；又因為tcnt為16位，所以tcnt≤65 535，這樣可以直接消去pclk中的507；而系統需要T=20 ms的周期，先提取出系數50，即：

　　tcnt=pclk/（date×50）=1 014 000/date（2）

　　得出MAX=date≥16，prescaler0的取值范圍為0～255，divider value的可取值為1、2、4、16。

　　要求的PWM波形周期為20 ms，正電平寬度為0.5～2.5 ms，20 ms/0.5 ms=40，所以：

　　tcmp=tcnt/40+（cmd-1）×tcnt/（40×N）（3）

　　其中tcmp和tcnt均為整數；N即為細分系數，它表示cmd加1時舵機將旋轉（45/N）°；cmd是要輸入的控制參數，用它來控制舵機的角度。

　　由式（1）~（3），以及tcmp和tcnt盡量取整數以減小誤差的原則，MAX=date=可取16、20、25。

　　3　實驗結果分析

　　理論上，細分系數N取值越大、執行器的動作越精確越好，但過大的細分系數會導致執行器的命令對cmd的響應變慢。因此，N的取值應該根據執行器到節氣門閥的距離來綜合考慮，取細分系數N=5即使用公式：tcmp=tcnt（cmd+4）/200，最小角度為（45/5）=9，足以滿足實驗的需要。

　　采用實驗的方法，對MAX=date=16、20、25分別進行實驗，并使用示波器進行觀察根據寄存器的取整特性來對MAX=date的值進行綜合的考量。結果如表1~表3所列。其中cmd為輸入指令，err為誤差，Wh為高電平寬度，~Wh為實際的高電平寬度。

　　表1　MAX=date=16，tcnt=63375， clkin=3168750時的結果

　　表2　MAX=date=20，tcnt=50700， clkin=2535000時的結果

　　表3　MAX=date=25，tcnt=40560， clkin=2028000時的結果

　　由以上數據可以看出取MAX=date=20時，誤差最小。由式（4）可知，prescale0+1=20、10、5對應的divider value=1、2、4。

　　結語

　　利用ARM鎖相環所產生的高頻率可以獲得更精細的PWM波，從而對舵機實現更精確的控制來達到油門精確控制的目的。本文從理論和實踐兩方面實現了舵機角度為9的控制，要想獲得更細分的角度，只需將N的值取大。如N=15，可獲得的最小控制角度為（45/15）=3；N=45，可獲得的最小控制角度為（45 /45）=1。