Введение в HAL

Уровень аппаратной абстракции (или со ссылкой на фильм Космическая одиссея 2001 просто "HAL") — это программное обеспечение, позволяющее

Сама по себе это link: Связующее программное обеспечение не содержит информации о ее применении на ЧПУ. Поиск в Интернете, например, нашел астрономическое приложение для управления телескопами с помощью LinuxCNC. Двигатели перемещают телескоп в правильное положение, и он должен знать, как сопоставить двигательную активность с эффектом этого позиционирования в реальном мире. Такая синхронизация положений двигателя с реальными положениями напоминает то, что должны делать станки с ЧПУ или космические корабли.

Любой контролер станка должен знать:

Уровень HAL состоит из частей (называемых «компонентами»), которые

В совокупности HAL позволяет

HAL не имеет прямого взаимодействия с пользователем. Но было предоставлено несколько интерфейсов, позволяющих манипулировать HAL

но ни один из этих интерфейсов не является "самим HAL".

HAL сам по себе не является программой, он состоит из одного или нескольких списков загруженных программ (компонентов), которые периодически выполняются (в строгой последовательности), и области общей памяти, которую эти компоненты используют для обмена данными. Основной скрипт HAL запускается только один раз при запуске станка, настраивая потоки реального времени и места в общей памяти, загружая компоненты и настраивая каналы передачи данных между ними («сигналы» и «контакты»).

В принципе, несколько станков могут использовать общий HAL, чтобы обеспечить их взаимодействие, однако текущая реализация LinuxCNC ограничена одним интерпретатором и одним модулем задач. В настоящее время это почти всегда интерпретатор G-кода и "задача фрезерования" (которая также хорошо работает для токарных станков и адекватно для роботов), но эти модули можно выбрать во время загрузки. Учитывая растущий интерес к управлению несколькими взаимодействующими станками, преодоление этого ограничения, вероятно, станет одним из основных шагов для решения проблемы будущего развития LinuxCNC. Однако это немного сложно, и сообщество все еще формирует свои мысли по этому поводу.

HAL лежит в основе LinuxCNC и используется и/или расширяется всеми частями LinuxCNC, включая ГИП. Интерпретатор G-кода (или альтернативного языка) знает, как интерпретировать G-код, и переводит его в операции станка, запуская сигналы в HAL. Пользователь может запрашивать HAL различными способами, чтобы получить информацию о его состоянии, которая затем также представляет состояние станка. Во время разработки версии 2.9, ГИПы по-прежнему являются исключением из этого правила и могут знать что-то, чего HAL не знает (но должен).

HAL уникален тем, что может коммуницировать очень быстро

И при общении та часть LinuxCNC, с которой происходит обмен данными, не нуждается в подготовке к обмену: все эти действия выполняются асинхронно, т. е. ни один компонент не прерывает свое обычное выполнение для получения сигнала, и сигналы могут быть отправлены сразу, т. е. приложение может ждать, пока не поступит конкретное сообщение (например, сигнал разрешения), но ему не нужно готовиться к получению этого сообщения.

Система обмена данными

Связь с аппаратным обеспечением самого станка осуществляется соответствующими выделенными компонентами HAL.

Уровень HAL — это общее пространство, в котором все части, составляющие LinuxCNC, обмениваются информацией. В этом пространстве есть контакты, которые идентифицируются по имени, хотя инженер LinuxCNC может предпочесть ассоциацию с контактом электронной схемы. Эти контакты могут нести числовые и логические значения, булевы значения, числа с плавающей запятой, а также целые числа со знаком и без знака. Существует также (относительно новый) тип вывода с именем hal_port, предназначенный для потоков байтов, и платформа для обмена более сложными данными, называемая hal_stream (которая использует частную общую область памяти, а не контакт HAL). Последние два типа используются сравнительно редко.

С помощью HAL вы можете отправить сигнал на этот названный контакт. Каждая часть HAL может прочитать этот контакт, который содержит значение сигнала. То есть до тех пор, пока новый сигнал не отправляется для замены предыдущего значения на контакт с тем же именем. Базовая система обмена сообщениями HAL не зависит от ЧПУ, но HAL поставляется с большим количеством компонентов, которые многое знают о ЧПУ и представляют эту информацию через контакты. Есть контакты, обозначающие

По аналогии с электронными кабелями контакты могут быть соединены "проводами", поэтому значение, изменяющееся на одном контакте, служит входом для другого контакта. Компоненты HAL подготавливают такие входные и выходные контакты и, таким образом, автоматически запускаются для работы.

Многие «экспертные» программные части LinuxCNC обычно реализуются как компоненты HAL, концептуально также называемые модулями. Эти компьютеризированные эксперты постоянно читают из HAL о состоянии, к которому должен стремиться станок, и сравнивают это желаемое состояние с состоянием, в котором станок находится в текущий момент. Когда существует разница между тем, что должно быть, и тем, каким является текущее состояние, выполняются некоторые действия, чтобы уменьшить эту разницу, при этом постоянно записывая обновления текущих состояний обратно в пространство данных HAL.

Есть компоненты, специализирующиеся на взаимодействии с шаговыми двигателями, а другие компоненты умеют управлять сервоприводами. На более высоком уровне некоторые компоненты знают, как расположены оси станка в 3D, а другие знают, как плавно перемещаться из одной точки пространства в другую. Токарные станки, фрезерные станки и роботы будут различаться активным компонентом LinuxCNC, т.е. который загружается файлом конфигурации HAL для этого станка. Тем не менее, два станка могут выглядеть очень по-разному, поскольку они созданы для совершенно разных целей, но когда они оба используют серводвигатели, они все равно могут использовать один и тот же серво-компонент HAL.

На самом нижнем (ближайшем к аппаратному) уровне, например, для шаговых двигателей, описание состояния этого двигателя весьма понятно интуитивно: это количество шагов в определенном направлении. Разница между желаемым положением и фактическим положением преобразуется в движение. Скорость, ускорение и другие параметры могут быть ограничены внутри самого компонента или могут быть ограничены вышестоящими компонентами. (Например, в большинстве случаев значения положения оси по каждому моменту, отправляемые компонентам генератора шаговых импульсов , уже ограничены и сформированы в соответствии с настроенными ограничениями станка или текущей скоростью подачи.)

Любая строка G-кода интерпретируется и запускает набор процедур, которые, в свою очередь, знают, как взаимодействовать с компонентами, расположенными на среднем уровне, например, для создания круга.

HAL занимает особое место в сердцах своих программистов из-за способа представления потока данных между модулями. Когда традиционные программисты думают о переменных, адресах или портах ввода-вывода, HAL относится к "контактам". И эти контакты подключены или им присвоены значения через сигналы. Подобно тому, как инженер-электрик соединяет провода между контактами компонентов фрезера, инженер HAL устанавливает поток данных между контактами экземпляров модуля.

ГИПы LinuxCNC (AXIS, GMOCCAPY, Touchy и т. д.) будут отображать состояния некоторых контактов (например, концевых выключателей), но существуют и другие графические инструменты для устранения неполадок и настройки: Halshow, Halmeter, Halscope и Halreport.

Оставшаяся часть этого введения представляет

HAL основан на тех же принципах, которые используются для проектирования аппаратных схем и систем, поэтому полезно сначала изучить эти принципы. Любая система, в том числе и станок с ЧПУ состоит из взаимосвязанных компонентов. Для станка с ЧПУ такими компонентами могут быть главный контроллер, сервоусилители или шаговые приводы, двигатели, энкодеры, концевые выключатели, выносные пульты, возможно, ЧРП для привода шпинделя, ПЛК для управления устройством смены инструмента и т. д. Производитель станка должен выбрать, смонтировать и соединить эти части вместе, чтобы создать целостную систему.

Рисунок 1 будет записан в коде HAL следующим образом:

Этот раздел представляет собой глоссарий, в котором определены ключевые термины HAL, но он немного отличается от традиционного глоссария, поскольку эти термины расположены не в алфавитном порядке. Они упорядочены по своим отношениям или последовательности в порядке вещей HAL.

В качестве примера предположим, что у нас есть компонент parport с именем hal_parport. Этот компонент определяет один или несколько контактов HAL для каждого физического контакта. Контакты описаны в разделе документации этого компонента: их имена, как каждый контакт связан с физическим выводом, инвертированы ли они, можно ли изменить полярность и т. д. Но это само по себе не передает данные с контактов HAL на физические выводы. Для этого требуется код, и именно здесь на сцену выходят функции. Компоненту parport необходимы как минимум две функции: одна для чтения физических входных контактов и обновления контактов HAL, другая для получения данных с контактов HAL и записи их на физические выходные контакты. Обе эти функции являются частью драйвера parport.

Каждый компонент HAL представляет собой часть программного обеспечения с четко определенными входами, выходами и поведением, которую можно установить и подключить по мере необходимости. В разделе HAL Components List перечислены все доступные компоненты и краткое описание того, что каждый из них делает.

В отличие от моделей физического соединения между черными ящиками, на которых, как мы говорили, основан HAL, простое соединение двух контактов с сигналом HAL далеко не соответствует действию физического случая.

Настоящая релейная логика состоит из реле, соединенных вместе, и когда контакт размыкается или замыкается, ток течет (или прекращается) немедленно. Другие катушки могут изменить состояние и т. д., и все это просто происходит. Но в языке релейных схем ПЛК это не работает. Обычно за один проход по цепям каждая цепь оценивается в том порядке, в котором она появляется, и только один раз за проход. Прекрасным примером является цепь с одним НЗ контактом, включенным последовательно с катушкой. Контакт и катушка принадлежат одному реле.

Если бы это было обычное реле, то как только на катушку подается напряжение, контакты начинают размыкаться и обесточивать ее. Это означает, что контакты снова замыкаются и т. д. и т. п. Реле начинает издавать звуковой сигнал.

В ПЛК, если катушка выключена и контакт замкнут, когда ПЛК начинает оценивать цепь, то по завершении этого прохода катушка включается. Тот факт, что включение катушки размыкает контакт, питающий ее, игнорируется до следующего прохода. На следующем проходе ПЛК видит, что контакт разомкнут, и обесточивает катушку. Таким образом, реле по-прежнему быстро переключается между включением и выключением, но со скоростью, определяемой тем, как часто ПЛК оценивает цепь.

В HAL функция — это код, который оценивает цепь(и). Фактически, версия ClassicLadder реального времени с поддержкой HAL экспортирует функцию, которая делает именно это. Между тем, поток — это то, что запускает функцию через определенные промежутки времени. Точно так же, как вы можете выбрать, чтобы ПЛК оценивал все свои цепочки каждые 10 мс или каждую секунду, вы можете определять потоки HAL с разными периодами.

Что отличает один поток от другого, так это не то, что поток делает — это определяется тем, какие функции к нему подключены. Настоящее различие заключается лишь в том, как часто запускается поток.

В LinuxCNC у вас может быть поток 50 мкс и поток 1 мс. Они будут созданы на основе BASE_PERIOD и SERVO_PERIOD, фактическое время зависит от значений в вашем INI-файле.

Следующий шаг — решить, что должен делать каждый поток. Некоторые из этих решений одинаковы (почти) в любой системе LinuxCNC. Например, обработчик команды движения всегда добавляется в сервопоток.

Другие соединения будут выполнены интегратором. Они могут включать в себя подключение функций чтения и записи ЦАП драйвера STG к сервопотоку или подключение функции StepGen к базовому потоку вместе с функциями parport для записи импульсов шага в порт.