HAL Введение

The Hardware Abstraction Layer (or with a reference to the 2001 Space Odyssey movie just "HAL") is a software to

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 is based on traditional system design techniques.

HAL is based on the same principles that are used to design hardware circuits and systems, so it is useful to examine those principles first. Any system, including a CNC machine, consists of interconnected components. For the CNC machine, those components might be the main controller, servo amps or stepper drives, motors, encoders, limit switches, pushbutton pendants, perhaps a VFD for the spindle drive, a PLC to run a toolchanger, etc. The machine builder must aselect, mount and wire these pieces together to make a complete system.

Рисунок 1 будет записан в коде HAL следующим образом:

This section is a glossary that defines key HAL terms but it is a bit different than a traditional glossary because these terms are not arranged in alphabetical order. They are arranged by their relationship or flow in the HAL way of things.

Component (Компонент ):: Когда мы говорили о проектировании аппаратного обеспечения, мы называли отдельные кусочки частями, строительными блоками, черными ящиками и т. д. Эквивалентом HAL является компонент или компонент HAL. В этом документе используется компонент HAL, когда существует вероятность путаницы с другими типами компонентов, но обычно используется просто компонент. Компонент HAL — это часть программного обеспечения с четко определенными входами, выходами и поведением, которую можно установить и подключить по мере необходимости. + + Многие компоненты HAL моделируют поведение осязаемой части станка, и контакт действительно может предназначаться для подключения к физическому контакту на устройстве для связи с ним, отсюда и названия. Но чаще всего это не так. Представьте себе модернизацию ручного токарно-фрезерного станка. LinuxCNC реализует то, как станок представляет себя внешнему миру, и это вторично, если реализация рисования круга уже реализована на машине или предоставлена LinuxCNC. И к воображаемой модернизации часто добавляют кнопки, которые сигнализируют о действии, например, об аварийной остановке. LinuxCNC и станок становятся одним целым. И это происходит через HAL.

Parameter (Параметр):: Многие аппаратные компоненты имеют настройки, которые не связаны ни с какими другими компонентами, но к которым все же требуется доступ. Например, сервоусилители часто имеют подстроечные потенциометры, позволяющие выполнять настройку, и контрольные точки, к которым можно подключить измеритель или осциллограф для просмотра результатов настройки. Компоненты HAL также могут иметь такие элементы, которые называются параметрами. Существует два типа параметров: Входные параметры эквивалентны регуляторам потенциометра — это значения, которые может регулировать пользователь и они остаются фиксированными после установки. Выходные параметры не могут быть настроены пользователем — они эквивалентны контрольным точкам, позволяющим контролировать внутренние сигналы.

Контакт:: Аппаратные компоненты имеют клеммы, которые используются для их соединения. Эквивалентом HAL является контакт или контакт HAL. Контакт HAL используется, когда необходимо, чтобы избежать путаницы. Все контакты HAL имеют имена, и имена контактов используются при их соединении. Контакты HAL — это программные объекты, существующие только внутри компьютера.

Physical_Pin (Физический контакт):: Многие устройства ввода-вывода имеют реальные физические контакты или клеммы, которые подключаются к внешнему оборудованию, например контакты разъема параллельного порта. Во избежание путаницы их называют физическими контактами. Это вещи, которые смотрят в реальный мир.

Signal (Сигнал):: В физическом станке выводы реальных аппаратных компонентов соединены между собой проводами. Эквивалентом провода HAL является сигнал или сигнал HAL. Сигналы HAL соединяют контакты HAL вместе, как того требует производитель оборудования. Сигналы HAL можно отключать и повторно подключать по желанию (даже во время работы станка).

Type:: При использовании реального оборудования вы не будете подключать релейный выход 24 В к аналоговому входу +/-10 В сервоусилителя. Контакты HAL имеют те же ограничения, которые зависят от их типа. И контакты, и сигналы имеют типы, и сигналы могут быть подключены только к контактам одного и того же типа. На данный момент существует 4 типа:

+ - bit - единичное значение TRUE/FALSE или ON/OFF - float — 64-битное значение с плавающей запятой, разрешением примерно 53 бита и динамическим диапазоном более 1000 бит. - u32 — 32-битное целое число без знака, допустимые значения от 0 до 4,294,967,295 - s32 — 32-битное целое число со знаком, допустимые значения: от -2,147,483,648 до +2,147,483,647 - u64 — 64-битное целое число без знака, допустимые значения от 0 до 18,446,744,073,709,551,615 - s64— 64-битное целое число со знаком, допустимые значения: от -9,223,372,036,854,775,808 до +9,223,372,036,854,775,807

Function:: Реальные аппаратные компоненты имеют тенденцию немедленно реагировать на свои входы. Например, если входное напряжение сервоусилителя изменится, выходное напряжение также изменится автоматически. Однако программные компоненты не могут действовать автоматически. Каждый компонент имеет определенный код, который должен быть выполнен, чтобы сделать все, что этот компонент должен делать. В некоторых случаях этот код просто выполняется как часть компонента. Однако в большинстве случаев, особенно в компонентах реального времени, код должен выполняться в определенной последовательности и через определенные промежутки времени. Например, входные данные следует считывать до выполнения вычислений над входными данными, а выходные данные не следует записывать до тех пор, пока вычисления не будут выполнены. В этих случаях код предоставляется системе в виде одной или нескольких функций. Каждая функция представляет собой блок кода, выполняющий определенное действие. Системный интегратор может использовать потоки для планирования ряда функций, которые будут выполняться в определенном порядке и через определенные промежутки времени.

Thread (Поток):: поток — это список функций, которые выполняются через определенные промежутки времени как часть задачи реального времени. Когда поток создается впервые, он имеет определенный временной интервал (период), но не имеет функций. Функции можно добавлять в поток, и они будут выполняться по порядку при каждом запуске потока.

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.

Each HAL component is a piece of software with well-defined inputs, outputs, and behavior, that can be installed and interconnected as needed. The section HAL Components List lists all available components and a brief description of what each does.

Unlike the physical wiring models between black boxes that we have said that HAL is based upon, simply connecting two pins with a HAL-signal falls far short of the action of the physical case.

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.