HAL Учебное пособие

В этом руководстве команды для операционной системы обычно отображаются без приглашения оболочки UNIX, т. е. обычно со знаком доллара ($) или решеткой/двойным крестом (#). При прямом общении с HAL через halcmd or halrun подсказки показаны в примерах. Окно терминала находится в разделе Applications/Accessories в главной строке меню Ubuntu.

Ваша версия halcmd может включать в себя завершение табуляции. Вместо завершения имен файлов, как это делает оболочка, она дополняет команды идентификаторами HAL. Вам нужно будет ввести достаточно букв, чтобы получить уникальное совпадение. Попробуйте нажать Tab после запуска команды HAL:

RTAPI означает Real Time Application Programming Interface. Многие компоненты HAL работают в реальном времени, и все компоненты HAL хранят данные в общей памяти, поэтому компоненты реального времени могут получить к ним доступ. Обычный Linux не поддерживает программирование в реальном времени или тип общей памяти, необходимый HAL. К счастью, существуют операционные системы реального времени (RTOS), которые предоставляют необходимые расширения Linux. К сожалению, каждая RTOS действует по-своему.

Чтобы устранить эти различия, команда LinuxCNC разработала RTAPI, который обеспечивает согласованный способ взаимодействия программ с RTOS. Если вы программист, который хочет работать над внутренними компонентами LinuxCNC, возможно, вам захочется изучить linuxcnc/src/rtapi/rtapi.h, чтобы понять API. Но если вы обычный человек, все, что вам нужно знать о RTAPI, это то, что его (и RTOS) необходимо загрузить в память вашего компьютера, прежде чем вы что-либо сделаете с HAL.

В этом руководстве мы будем предполагать, что вы успешно установили Live CD и, если используете RIP footnote: [Run In Place, когда исходные файлы загружены в пользовательский каталог, компилируются и выполняются непосредственно оттуда.], вызовите сценарий rip-environment, чтобы подготовить shell. В этом случае все, что вам нужно сделать, это загрузить в память необходимые модули RTOS и RTAPI. Просто запустите следующую команду из окна терминала:

Загрузив ОС реального времени и RTAPI, мы можем перейти к первому примеру. Обратите внимание, что приглашение теперь отображается как halcmd:. Это связано с тем, что последующие команды будут интерпретироваться как команды HAL, а не команды оболочки.

В первом примере мы будем использовать компонент HAL под названием siggen, который представляет собой простой генератор сигналов. Полное описание компонента siggen можно найти в разделе SigGen данного руководства. Это компонент реального времени. Чтобы загрузить компонент "siggen", используйте команду HAL loadrt.

Теперь, когда модуль загружен, пришло время представить halcmd — инструмент командной строки, используемый для настройки HAL. В этом руководстве будут представлены только некоторые функции halcmd. Для более полного описания попробуйте man halcmd или посмотрите ссылку в разделе HAL Commands этого документа. Первая функция halcmd — это команда show. Эта команда отображает информацию о текущем состоянии HAL. Чтобы отобразить все установленные компоненты:

Поскольку halcmd сам по себе также является компонентом HAL, он всегда будет отображаться в списке. Число после "halcmd" в списке компонентов — это ID UNIX процесса. Можно запустить более одной копии halcmd одновременно (например, в разных окнах терминала), поэтому PID добавляется в конец имени, чтобы сделать его уникальным. В списке также показан компонент siggen, который мы установили на предыдущем шаге. RT в разделе Type указывает, что siggen — это компонент реального времени. User в разделе Type указывает, что это компонент, не работающий в реальном времени.

Далее, давайте посмотрим, какие контакты делает доступными siggen:

Эта команда отображает все контакты текущего HAL. Сложная система может иметь десятки или сотни контактов. Но сейчас контактов всего девять. Из этих контактов восемь являются плавающей запятой, а один — битовым (логическим). Шесть переносят данные из компонента siggen, а три используются для передачи настроек в компонент. Поскольку мы еще не выполнили код, содержащийся в компоненте, некоторые контакты имеют нулевое значение.

Следующий шаг — просмотр параметров:

Команда show param показывает все параметры в HAL. Сейчас каждый параметр имеет значение по умолчанию, которое ему было присвоено при загрузке компонента. Обратите внимание на столбец с надписью Dir. Параметры с пометкой -W доступны для записи и никогда не изменяются самим компонентом, вместо этого они предназначены для изменения пользователем, чтобы управлять компонентом. Мы увидим, как это сделать позже. Параметры, помеченные как R-, доступны только для чтения. Их можно изменить только компонентом. Наконец, параметр с надписью RW предназначен для чтения и записи. Это означает, что они изменяются компонентом, но также могут быть изменены пользователем. Примечание: параметры siggen.0.update.time и siggen.0.update.tmax предназначены для целей отладки и не будут рассматриваться в этом разделе.

Большинство компонентов реального времени экспортируют одну или несколько функций для фактического запуска содержащегося в них кода реального времени. Давайте посмотрим, какие функции экспортирует siggen:

Компонент siggen экспортировал одну функцию. Ей требуется плавающая запятая. В настоящее время она не связана ни с какими потоками, поэтому users равны нулю, footnote: [Поля CodeAddr и Arg использовались во время разработки и, вероятно, должны исчезнуть.].

Чтобы фактически запустить код, содержащийся в функции siggen.0.update, нам нужен поток реального времени. Компонент под названием threads, который используется для создания нового потока. Давайте создадим поток под названием "test-thread" с периодом 1 мс (1,000 мкс или 1,000,000 нс):

Посмотрим, сработало ли это:

Получилось. Этот период не равен точно 1,000,000 нс из-за аппаратных ограничений, но у нас есть поток, который работает примерно с правильной скоростью и может обрабатывать функции с плавающей запятой. Следующий шаг — подключить функцию к потоку:

До сих пор мы использовали halcmd только для просмотра HAL. Однако на этот раз мы использовали команду addf (добавить функцию), чтобы фактически изменить что-то в HAL. Мы сказали halcmd добавить функцию siggen.0.update в поток test-thread, и если мы еще раз посмотрим на список потоков, то увидим, что это удалось:

Прежде чем компонент siggen начнет генерировать сигналы, необходим еще один шаг. При первом запуске HAL поток(и) фактически не выполняются. Это позволит вам полностью настроить систему до запуска кода реального времени. Как только вы будете довольны конфигурацией, вы можете запустить код реального времени следующим образом:

Теперь генератор сигналов работает. Давайте посмотрим на его выходные контакты:

И давайте посмотрим еще раз:

Мы быстро выполнили две команды show pin, и вы можете видеть, что выходные данные больше не равны нулю. Выходные сигналы синуса, косинуса, пилы и треугольника постоянно изменяются. Прямоугольный выход также работает, однако он просто переключается с +1,0 на -1,0 каждый цикл.

Настоящая сила HAL в том, что вы можете изменить ситуацию. Например, мы можем использовать команду setp для установки значения параметра. Давайте изменим амплитуду генератора сигналов с 1,0 на 5,0:

Обратите внимание, что значение параметра siggen.0.amplitude изменилось на 5, и что выводы теперь имеют большие значения.

Большую часть того, что мы до сих пор делали с halcmd, было просто просмотром чего-либо с помощью команды show. Однако две команды фактически изменили ситуацию. По мере того, как мы проектируем более сложные системы с помощью HAL, мы будем использовать множество команд для настройки так, как мы хотим. HAL имеет память слона и сохранит эту конфигурацию, пока мы его не выключим. Но что насчет следующего раза? Мы не хотим вручную вводить кучу команд каждый раз, когда хотим использовать систему.

Вывод команды save представляет собой последовательность команд HAL. Если вы начнете с empty HAL и запустите все эти команды, вы получите конфигурацию, которая существовала на момент выполнения команды save . Чтобы сохранить эти команды для дальнейшего использования, мы просто перенаправляем вывод в файл:

Когда вы закончите сеанс HAL, введите exit в командной строке halcmd:. Это вернет вас к системному приглашению и закроет сеанс HAL. Не закрывайте просто окно терминала, не завершив сеанс HAL.

Чтобы восстановить конфигурацию HAL, хранящуюся в файле "saved.hal", нам нужно выполнить все эти команды HAL. Для этого мы используем ключи "-f _<file name>_", который считывает команды из файла, и «`-I`» (заглавная буква i), который показывает приглашение halcmd после выполнения команд:

Обратите внимание, что в файле saved.hal нет команды "start". Необходимо ввести ее снова (или отредактировать файл saved.hal, чтобы добавить ее туда).

Если произойдет неожиданное завершение сеанса HAL, возможно, вам придется выгрузить HAL перед началом следующего сеанса. Для этого введите следующую команду в окне терминала.

Теперь мы собираемся загрузить компонент генератора шаговых импульсов. Подробное описание этого компонента см. в разделе «Stepgen» Руководства интегратора. В этом примере мы будем использовать тип управления StepGen velocity. На данный момент мы можем пропустить детали и просто выполнить следующие команды.

В этом примере мы будем использовать тип управления velocity из компонента stepgen.

Первая команда загружает два генератора шагов, оба настроены на генерацию шаговых импульсов типа 0. Вторая команда загружает нашего старого друга siggen, а третья создает два потока: быстрый с периодом 50 микросекунд (мкс) и медленный с периодом 1 миллисекунда (мс). Быстрый поток не поддерживает функции с плавающей запятой.

Как и прежде, мы можем использовать halcmd show, чтобы просмотреть HAL. На этот раз у нас гораздо больше контактов и параметров, чем раньше:

У нас есть два генератора шаговых импульсов и генератор сигналов. Теперь пришло время создать несколько сигналов HAL для соединения двух компонентов. Мы собираемся представить, что два генератора шаговых импульсов приводят в движение оси X и Y станка. Мы хотим перемещать стол по кругу. Для этого мы отправим косинусный сигнал на ось X, а синусоидальный сигнал на ось Y. Модуль siggen создает синус и косинус, но нам нужны «провода» для соединения модулей вместе. В HAL «провода» называются сигналами. Нам нужно создать два из них. Мы можем называть их как угодно, в этом примере это будут «X-vel» и «Y-vel». Сигнал «X-vel» предназначен для передачи от косинусного выхода генератора сигналов на вход скорости первого генератора шаговых импульсов. Первым шагом является подключение сигнала к выходу генератора сигналов. Чтобы подключить сигнал к выводу, мы используем команду net.

Чтобы увидеть эффект от команды net, мы снова покажем сигналы.

Когда сигнал подключен к одному или нескольким контактам, команда show выводит список контактов сразу после имени сигнала. Стрелка показывает направление потока данных — в данном случае данные передаются от контакта «siggen.0.cosine» к сигналу «X-vel». Теперь давайте подключим X-vel ко входу скорости генератора шаговых импульсов.

Мы также можем подключить сигнал оси Y Y-vel. Он предназначен для работы от синусоидального выхода генератора сигналов до входа второго генератора шаговых импульсов. Следующая команда в одной строке выполняет то, что две команды net выполнили для X-vel.

Теперь давайте еще раз взглянем на сигналы и подключенные к ним контакты.

Команда show sig поясняет, как именно данные проходят через HAL. Например, сигнал X-vel поступает с контакта siggen.0.cosine и идет на контакт stepgen.0.velocity-cmd.

Представление данных, проходящих по "проводам", позволяет достаточно легко понять контакты и сигналы . С потоками и функциями немного сложнее. Функции содержат компьютерные инструкции, которые действительно позволяют добиться цели. Поток — это метод, используемый для запуска этих инструкций, когда они необходимы. Для начала давайте посмотрим на доступные нам функции.

В общем, вам придется обратиться к документации каждого компонента, чтобы узнать, какие функции он выполняет. В этом случае функция siggen.0.update используется для обновления выходов генератора сигналов. Каждый раз, когда он выполняется, он вычисляет значения выходных сигналов синуса, косинуса, треугольника и прямоугольника. Чтобы сигналы были плавными, его необходимо запускать через определенные промежутки времени.

Остальные три функции относятся к генераторам шаговых импульсов.

Первый, stepgen.capture_position, используется для обратной связи по положению. Он фиксирует значение внутреннего счетчика, который считает шаговые импульсы по мере их генерации. При отсутствии пропущенных импульсов этот счетчик показывает положение двигателя.

Основная функция генератора шаговых импульсов — stepgen.make_pulses. Каждый раз, когда запускается make_pulses, он решает, пора ли сделать шаг, и если да, то соответствующим образом устанавливает выходные данные. Для плавных импульсов шага он должен работать как можно чаще. Поскольку программа make_pulses должна работать очень быстро, она высоко оптимизирована и выполняет лишь несколько вычислений. В отличие от других, он не требует математических вычислений с плавающей запятой.

Последняя функция, stepgen.update-freq, отвечает за масштабирование и некоторые другие вычисления, которые необходимо выполнять только при изменении команды частоты.

В нашем примере это означает, что мы хотим запускать siggen.0.update с умеренной скоростью для вычисления значений синуса и косинуса. Сразу после запуска siggen.0.update мы хотим запустить stepgen.update_freq, чтобы загрузить новые значения в генератор шаговых импульсов. Наконец, нам нужно запускать stepgen.make_pulses как можно быстрее для получения плавных импульсов. Поскольку мы не используем обратную связь по положению, нам вообще не нужно запускать stepgen.capture_position.

Мы запускаем функции, добавляя их в потоки. Каждый поток работает с определенной скоростью. Давайте посмотрим, какие потоки у нас есть.

Два потока были созданы, когда мы загрузили потоки. Первый, медленный, выполняется каждую миллисекунду и способен выполнять функции с плавающей запятой. Мы будем использовать его для siggen.0.update и stepgen.update_freq. Второй поток является быстрым, он выполняется каждые 50 микросекунд (мкс) и не поддерживает операции с плавающей запятой. Мы будем использовать его для stepgen.make_pulses. Чтобы подключить функции к нужному потоку, мы используем команду addf. Сначала мы указываем функцию, а затем поток.

После того, как мы дадим эти команды, мы можем снова запустить команду show thread, чтобы увидеть, что произошло.

Теперь за каждым потоком следуют имена функций в том порядке, в котором они будут выполняться.

Мы почти готовы запустить нашу систему HAL. Однако нам все еще нужно настроить несколько параметров. По умолчанию компонент siggen генерирует сигналы, которые колеблются от +1 до -1. Для нашего примера это нормально: мы хотим, чтобы скорость стола менялась от +1 до -1 дюйма в секунду. Однако масштабирование генератора шаговых импульсов не совсем правильное. По умолчанию он генерирует выходную частоту 1 импульс в секунду при входном значении 1,0. Вряд ли один импульс в секунду даст нам движение стола на один дюйм в секунду. Вместо этого предположим, что у нас есть ШВП со скоростью 5 оборотов на дюйм, соединенная с шаговым двигателем со скоростью 200 шагов на оборот и 10-кратным микрошагом. Таким образом, для одного оборота винта требуется 2000 шагов, а для перемещения на один дюйм — 5 оборотов. Это означает, что общее масштабирование составляет 10 000 шагов на дюйм. Нам нужно умножить входную скорость, подаваемую на генератор шаговых импульсов, на 10000, чтобы получить правильный выходной сигнал. Именно для этого нужен параметр stepgen.n.position-scale. В этом случае оси X и Y имеют одинаковое масштабирование, поэтому мы устанавливаем параметры масштабирования для обеих на 10000.

Это масштабирование скорости означает, что когда контакт stepgen.0.velocity-cmd равен 1,0, генератор шагов будет генерировать 10000 импульсов в секунду (10 кГц). При использовании двигателя и ШВП, описанных выше, ось будет перемещаться со скоростью ровно 1,0 дюйм в секунду. Это иллюстрирует ключевую концепцию HAL — такие операции, как масштабирование, выполняются на минимально возможном уровне, в данном случае в генераторе шаговых импульсов. Внутренний сигнал X-vel — это скорость стола в дюймах в секунду, а другие компоненты, такие как siggen, вообще не знают (или заботятся) о масштабировании. Если бы мы поменяли ШВП или двигатель, мы бы изменили только параметр масштабирования генератора шаговых импульсов.

Теперь у нас все настроено и мы готовы к запуску. Как и в первом примере, мы используем команду start.

Хотя кажется, что ничего не происходит, внутри компьютера генератор шаговых импульсов каждую секунду выдает шаговые импульсы с частотой от 10 кГц вперед до 10 кГц назад и обратно. Позже в этом уроке мы увидим, как использовать эти внутренние сигналы для запуска двигателей в реальном мире, но сначала мы хотим взглянуть на них и посмотреть, что происходит.

На этом этапе Halscope готов к использованию. Мы уже выбрали частоту дискретизации и длину записи, поэтому следующий шаг — решить, на что обратить внимание. Это эквивалентно подключению виртуальных щупов осциллографа к HAL. Halscope имеет 16 каналов, но количество, которое вы можете использовать одновременно, зависит от длины записи: больше каналов означает более короткие записи, поскольку доступная для записи память фиксирована и составляет примерно 16 000 выборок.

Кнопки каналов расположены в нижней части экрана галоскопа. Нажмите кнопку 1, и вы увидите диалоговое окно Select Channel Source, как показано на следующем рисунке. Этот диалог очень похож на тот, который использует Halmeter. Нам хотелось бы просмотреть сигналы, которые мы определили ранее, поэтому мы нажимаем вкладку Signals, и в диалоговом окне отображаются все сигналы в HAL (только два для этого примера).

Чтобы выбрать сигнал, просто нажмите на него. В данном случае мы хотим, чтобы канал 1 отображал сигнал X-vel. Нажмите вкладку «Сигналы», затем нажмите X-vel, диалоговое окно закроется, и канал будет выбран.

Кнопка канала 1 нажата, и под рядом кнопок появляются номер канала 1 и название X-vel. На этом дисплее всегда отображается выбранный канал — на экране может быть много каналов, но выбранный будет выделен, а различные элементы управления, такие как вертикальное положение и масштаб, всегда будут работать с выбранным каналом.

Чтобы добавить сигнал на канал 2, нажмите кнопку 2. Когда появится диалоговое окно, перейдите на вкладку Signals, затем нажмите Y-vel. Мы также хотим посмотреть на выходные сигналы прямоугольных и треугольных волн. К этим контактам не подключены никакие сигналы, поэтому вместо этого мы используем вкладку Pins. Для канала 3 выберите siggen.0.triangle, а для канала 4 — siggen.0.square.

Теперь, когда к HAL подключено несколько щупов, пришло время посмотреть несколько сигналов. Чтобы запустить halscope, нажмите кнопку Normal в разделе экрана Run Mode (вверху справа). Поскольку у нас есть длина записи 4000 выборок и мы получаем 1000 выборок в секунду, halscope потребуется около 2 секунд, чтобы заполнить половину буфера. В это время индикатор выполнения над главным экраном будет показывать заполнение буфера. Как только буфер заполнится наполовину, halscope ожидает триггера. Поскольку мы его еще не настроили, он будет ждать вечно. Чтобы запустить его вручную, нажмите кнопку Force в разделе Trigger в правом верхнем углу. Вы должны увидеть заполнение оставшейся части буфера, после чего на экране отобразятся захваченные сигналы. Результат будет выглядеть примерно так, как показано на следующем рисунке.

В поле Selected Channel внизу указано, что фиолетовая кривая — это выбранный в данный момент канал 4, который отображает значение вывода siggen.0.square. Попробуйте нажать кнопки каналов с 1 по 3, чтобы выделить три другие кривые.

Сигналы довольно сложно различить, поскольку все четыре находятся друг на друге. Чтобы это исправить, мы используем элементы управления Vertical в поле справа от экрана. Эти элементы управления действуют на текущий выбранный канал. При настройке усиления обратите внимание, что он охватывает огромный диапазон — в отличие от настоящего осциллографа, он может отображать сигналы в диапазоне от очень маленьких (пико-единицы) до очень больших (тера-единицы). Элемент управления положением перемещает отображаемый сигнал вверх и вниз только по высоте экрана. Для более крупных регулировок следует использовать кнопку смещения.

Большая кнопка Selected Channel внизу указывает, что канал 1 в данный момент выбран и соответствует сигналу X-vel. Попробуйте нажать на другие каналы, чтобы увидеть их сигналы и иметь возможность перемещать их с помощью курсора Pos.

Использование кнопки Force — довольно неудовлетворительный способ активировать осциллограф. Чтобы настроить реальный триггер, нажмите кнопку Source справа внизу. Появится диалоговое окно Trigger Source, которое представляет собой просто список всех щупов, которые в данный момент подключены. Выберите щуп, который будет использоваться для запуска, щелкнув по нему. В этом примере мы будем использовать канал 3, треугольную волну, как показано на следующем рисунке.

После установки источника триггера вы можете настроить уровень и положение триггера с помощью ползунков в поле Trigger вдоль правого края. Уровень можно регулировать сверху вниз по экрану, он отображается под ползунками. Позиция — это расположение триггерной точки в общей записи. Если ползунок полностью опущен, точка запуска находится в конце записи, а halscope отображает то, что произошло до точки запуска. Когда ползунок полностью поднят, точка запуска находится в начале записи, отображая то, что произошло после ее запуска. Точка запуска отображается в виде вертикальной линии в окне выполнения над экраном. Полярность триггера можно изменить, нажав кнопку чуть ниже дисплея уровня триггера. Тогда он станет descendant. Обратите внимание, что изменение положения триггера останавливает осциллограф, как только положение было отрегулировано. Вы перезапускаете осциллограф, нажав кнопку Normal в группе Run mode .

Теперь, когда мы настроили вертикальные элементы управления и триггер, отображение осциллографа выглядит примерно так, как показано на следующем рисунке.

Чтобы внимательно рассмотреть часть сигнала, вы можете использовать ползунок масштабирования в верхней части экрана, чтобы развернуть сигналы по горизонтали, а также ползунок положения, чтобы определить, какая часть увеличенного сигнала видна. Однако, иногда простого расширения формы сигнала недостаточно, и необходимо увеличить частоту дискретизации. Например, мы хотели бы взглянуть на фактические шаговые импульсы, которые генерируются в нашем примере. Поскольку длительность шаговых импульсов может составлять всего 50 мкс, выборка на частоте 1 кГц недостаточна. Для изменения частоты дискретизации, нажмите кнопку, которая отображает количество выборок и частоту дискретизации, чтобы открыть диалоговое окно Select Sample Rate. В этом примере мы выберем поток 50 мкс, быстрый, что даст нам частоту дискретизации около 20 кГц. Теперь вместо отображения данных за 4 секунды одна запись содержит 4000 выборок с частотой 20 кГц, или около 0,20 секунды.

Теперь посмотрим на шаговые импульсы. Halscope имеет 16 каналов, но в этом примере мы одновременно используем только 4. Прежде чем выбрать еще какие-либо каналы, нам нужно пару отключить . Нажмите кнопку канала 2, затем нажмите кнопку Chan Off в нижней части поля Vertical. Затем нажмите на канал 3, выключите его и сделайте то же самое для канала 4. Несмотря на то что каналы выключены, они все равно запоминают к чему они подключены, и фактически мы продолжим использовать канал 3 в качестве источника запуска. Чтобы добавить новые каналы, выберите канал 5 и выберите контакт stepgen.0.dir, затем канал 6 и выберите stepgen.0.step. Затем выберите режим запуска Normal, чтобы запустить осциллограф, и отрегулируйте горизонтальное масштабирование до 5 мс на деление. Вы должны увидеть, что шаговые импульсы замедляются когда команда скорости (канал 1) приближается к нулю, затем контакт направления меняет состояние, и шаговые импульсы снова ускоряются. Возможно, вам захочется увеличить усиление на канале 1 примерно до 20 милли на деление, чтобы лучше видеть изменение команды скорости. Результат должен выглядеть как на следующем рисунке.

Если вы хотите записать больше выборок одновременно, перезапустите режим реального времени и загрузите halscope с числовым аргументом, который указывает количество выборок, которые вы хотите захватить.

Если компонент scope_rt еще не был загружен, halscope загрузит его и запросит 80 000 общих выборок, так что при выборке 4 каналов одновременно будет 20 000 выборок на канал. (Если scope_rt уже загружен, числовой аргумент halscope не будет иметь никакого эффекта).