HAL-Einführung

Der Hardware Abstraction Layer (oder mit einem Verweis auf den 2001 Space Odyssey Film einfach "HAL") ist eine Software zur

An sich ist diese Middleware bezüglich seiner Anwendung auf CNC nicht speziell ausgelegt. Eine Internetsuche fand beispielsweise eine astronomische Anwendung zur Steuerung von Teleskopen mit LinuxCNC. Motoren bewegen das Teleskop in die richtige Position, und man muss wissen, wie man die Motoraktivität mit den Auswirkungen dieser Positionierung auf die reale Welt abbildet. Eine solche Synchronisierung der Motorpositionen mit den Positionen in der realen Welt erinnert an das, was CNC-Maschinen tun müssen, oder gar ein Raumschiff.

Jede Maschinensteuerung muss kennen:

Die HAL-Schicht besteht aus Teilen (als „Komponenten“ bezeichnet), die

Zusammengenommen ermöglicht HAL

HAL hat keine direkte Interaktion mit dem Benutzer. Es wurden jedoch mehrere Schnittstellen bereitgestellt, mit denen HAL manipuliert werden kann

aber keine dieser Schnittstellen ist "HAL selbst".

HAL selbst ist kein Programm, es besteht aus einer oder mehreren Listen geladener Programme (die Komponenten), die periodisch ausgeführt werden (in strenger Reihenfolge), und einem Bereich des gemeinsamen Speichers für den Datenaustausch verwenden. Das Haupt-HAL-Skript läuft nur einmal beim Maschinenstart, die Einrichtung der Echtzeit-Gewinde und der gemeinsamen Speicherplätze, das Laden der Komponenten und die Einrichtung der Datenverbindungen zwischen ihnen (die "Signale" und "Pins").

Im Prinzip könnten sich mehrere Maschinen eine gemeinsame HAL teilen, um ihnen die Zusammenarbeit zu ermöglichen, jedoch ist die aktuelle Implementierung von LinuxCNC auf einen einzigen Interpreter und ein einzelnes Task-Modul beschränkt. Derzeit handelt es sich dabei fast immer um einen G-Code-Interpreter und den "milltask" (der sich auch für Drehmaschinen und für Roboter bewährt hat), aber diese Module sind zur Ladezeit auswählbar. Mit einem zunehmenden Interesse an der Steuerung mehrerer kooperierender Maschinen ist die Überwindung dieser Einschränkung wahrscheinlich einer der wichtigsten Schritte für die zukünftige Entwicklung von LinuxCNC. Es ist jedoch ein bisschen knifflig und die Community ist immer noch dabei, ihre Gedanken dazu zu organisieren.

HAL ist das Herzstück von LinuxCNC und wird von allen Teilen von LinuxCNC, einschließlich der GUIs, verwendet und/oder erweitert. Der G-Code-Interpreter (oder alternative Sprache) weiß, wie der G-Code zu interpretieren ist, und übersetzt ihn in Maschinenoperationen, indem er Signale in HAL auslöst. Der Benutzer kann HAL auf verschiedene Weise abfragen, um Informationen über seinen Zustand zu erhalten, der dann auch den Zustand des Computers darstellt. Während des Schreibens während der Entwicklung von Version 2.9 machen die GUIs immer noch eine kleine Ausnahme von dieser Regel und wissen möglicherweise etwas, das HAL nicht weiß (und auch nicht wissen muss).

HAL ist besonders, da er richtig schnell kommunizieren kann

Und während der Kommunikation muss sich der Teil von LinuxCNC, mit dem gesprochen wird, nicht auf die Kommunikation vorbereiten: Alle diese Aktionen werden asynchron ausgeführt, d.h. keine Komponente unterbricht ihre reguläre Ausführung, um ein Signal zu empfangen, und Signale können sofort gesendet werden, d.h. eine Anwendung kann warten, bis eine bestimmte Nachricht angekommen ist - wie ein Enable-Signal, sie muss sich jedoch nicht auf den Empfang dieser Nachricht vorbereiten.

Das Kommunikationssystem

Die Kommunikation mit der Hardware der Maschine selbst erfolgt durch jeweilige individuell darauf ausgelegte HAL-Komponenten.

Die HAL-Schicht ist ein geteilter Raum, in dem alle vielen Teile, die LinuxCNC bilden, Informations austauschen. Dieser Raum verfügt über Pins, die mit einem Namen identifiziert werden, auch wenn ein LinuxCNC-Ingenieur vielleicht eher die Assoziation mit einem Pin einer elektronischen Schaltung bevorzugt. Diese Pins können numerische und logische Werte tragen, boolean, Gleitkommezahlen sowie ganze Zahlen, jeweils mit oder ohne Vorzeichen. Es gibt auch einen (relativ neuen) Pin-Typ namens hal_port für Byte-Streams, und ein Framework zum Austausch komplexer Daten genannt hal_stream (die einen privaten gemeinsamen Speicherbereich verwendet, anstatt eines HAL-Pin). Diese beiden letztgenannten Typen werden relativ selten eingesetzt.

Mit HAL können Sie ein Signal an diesen benannten Pin senden. Jeder Teil von HAL kann den Pin lesen, der dann diesen zuvor gesendeten Signalwert hält. Dies gilt so lange, bis ein neues Signal an diesen Pin gesendet wird, um den vorherigen Wert zu ersetzen. Das zentrale Nachrichtenaustauschsystem von HAL ist CNC-unabhängig, HAL wird jedoch mit einer großen Anzahl von Komponenten ausgeliefert, die viel über CNC wissen und diese Informationen über Pins präsentieren. Es gibt Pins, die darstellen

In Analogie zu elektronischen Kabeln können Pins verdrahtet werden, sodass die Wertänderung an einem Pin als Eingabe für einen anderen Pin dient. HAL-Komponenten bereiten solche Ein- und Ausgangspins vor und werden so automatisch zur Ausführung veranlasst.

Die vielen "Experten"-Softwareteile von LinuxCNC werden typischerweise als Komponenten von HAL implementiert, konzeptionell auch als Module bezeichnet. Diese computerimplementierten Experten lesen ständig von HAL über einen Zustand, den die Maschine anstreben sollte, und vergleichen diesen gewünschten Zustand mit dem Zustand, in dem sich die Maschine gerade befindet. Wenn es einen Unterschied zwischen dem, was sein sollte, und dem, was der aktuelle Zustand ist, gibt, werden Maßnahmen ergriffen, um diesen Unterschied zu verringern, während ständig Aktualisierungen der aktuellen Zustände zurück in den HAL-Datenraum geschrieben werden.

Es gibt Komponenten, die darauf spezialisiert sind, mit Schrittmotoren zu kommunizieren, und andere Komponenten, die wissen, wie man Servos steuert. Auf einer höheren Ebene wissen einige Komponenten, wie die Achsen der Maschine in 3D angeordnet sind, und wieder andere, wie sie eine gleichmäßige Bewegung von einem Punkt im Raum zum anderen ausführen können. Drehmaschinen, Fräsen und Roboter unterscheiden sich in den LinuxCNC-Komponenten, die gerade aktiv sind, d.h. die von einer HAL-Konfigurationsdatei für diese Maschine geladen wird. Dennoch mögen zwei Maschinen sehr unterschiedlich aussehen, da sie für sehr unterschiedliche Zwecke gebaut wurden, aber wenn beide Servomotoren verwenden, können sie immer noch beide die gleiche HAL-Servokomponente verwenden.

Auf der niedrigsten (nahe an Hardware) Ebene, z.B. für Schrittmotoren, ist die Beschreibung eines Zustands dieses Motors sehr intuitiv: Es ist die Anzahl der Schritte in einer bestimmten Richtung. Ein Unterschied zwischen der Sollposition und der Istposition führt zu einer Bewegung. Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und andere Parameter können im Bauteil selbst intern begrenzt sein oder gegebenenfalls durch vorgeschaltete Komponenten begrenzt sein. (In den meisten Fällen wurden z.B. die an die Schrittgeneratorkomponenten gesendeten Moment-zu-Moment-Achsen-Positionswerte bereits begrenzt und entsprechend den konfigurierten Maschinengrenzen bzw. der aktuellen Vorschubrate angepasst.)

Jede G-Code-Linie wird interpretiert und löst eine Reihe von Routinen aus, die wiederum wissen, wie mit Komponenten einer mittleren Schicht kommunizieren, z.B. um auf einem Kreis zu fahren.

HAL hat einen besonderen Platz im Herzen seiner Programmierer für die Darstellung des Datenflusses zwischen Modulen. Wenn traditionelle Programmierer an Variablen, Adressen oder I/O-Ports denken, bezieht sich HAL auf "Pins". Und diese Pins (deutsch auch "Stifte") sind über Signale mit oder mit Werten verbunden. Ähnlich wie ein Elektroingenieur Drähte zwischen Pins von Bauteilen einer Mühle verbinden würde, stellt ein HAL-Ingenieur den Datenfluss zwischen Pins von Modulinstanzen her.

Die LinuxCNC GUIS (AXIS, GMOCCAPY, Touchy, etc.) werden die Zustände einiger Pins (wie Limit Switches) darstellen, aber auch andere grafische Tools zur Fehlerbehebung und Konfiguration existieren: Halshow, Halmeter, Halscope und Halreport.

Der Rest dieser Einleitung präsentiert

HAL basiert auf denselben Prinzipien, die auch bei der Entwicklung von Hardware-Schaltungen und -Systemen zum Einsatz kommen, weshalb es sinnvoll ist, zunächst diese Prinzipien zu untersuchen. Jedes System, einschließlich einer CNC-Maschine, besteht aus miteinander verbundenen Komponenten. Bei einer CNC-Maschine könnten diese Komponenten die Hauptsteuerung, Servoverstärker oder Schrittmotoren, Motoren, Encoder, Endschalter, Drucktastenschalter, vielleicht ein VFD für den Spindelantrieb, eine SPS zur Steuerung eines Werkzeugwechslers usw. sein. Der Maschinenbauer muss diese Teile auswählen, montieren und miteinander verdrahten, um ein komplettes System zu erhalten.

Abbildung 1 würde wie folgt in HAL-Code geschrieben:

Dieser Abschnitt ist ein Glossar, in dem die wichtigsten HAL-Begriffe definiert werden. Er unterscheidet sich jedoch etwas von einem herkömmlichen Glossar, da die Begriffe nicht in alphabetischer Reihenfolge angeordnet sind. Sie sind nach ihrer Beziehung oder ihrem Fluss in der HAL-Welt geordnet.

Angenommen, wir haben eine Parport-Komponente mit dem Namen hal_parport. Diese Komponente definiert einen oder mehrere HAL-Pins für jeden physischen Pin. Die Pins werden im Dokumentabschnitt dieser Komponente beschrieben: Ihre Namen, wie sich jeder Pin auf den physischen Pin bezieht, ob sie invertiert sind, ob Sie die Polarität ändern können usw. Aber das allein bringt die Daten nicht von den HAL-Pins zu den physischen Pins. Es braucht Code, um das zu tun, und hier kommen Funktionen ins Spiel. Die Parport-Komponente benötigt mindestens zwei Funktionen: Eine, um die physischen Eingangspins zu lesen und die HAL-Pins zu aktualisieren, die andere, um Daten von den HAL-Pins zu nehmen und sie auf die physischen Ausgangspins zu schreiben. Beide Funktionen sind Teil des parport-Treibers.

Jede HAL-Komponente ist ein Stück Software mit genau definierten Eingängen, Ausgängen und Verhaltensweisen, das installiert und nach Bedarf miteinander verbunden werden kann. Der Abschnitt HAL Components List listet alle verfügbaren Komponenten und eine kurze Beschreibung ihrer Funktionen auf.

Im Gegensatz zu den physikalischen Verdrahtungsmodellen zwischen Black Boxes, auf denen HAL, wie wir gesagt haben, basiert, reicht das einfache Verbinden zweier Pins mit einem HAL-Signal bei weitem nicht aus, um die Wirkung des physikalischen Falles zu erreichen.

Echte Relaislogik besteht aus miteinander verbundenen Relais, und wenn sich ein Kontakt öffnet oder schließt, fließt (oder stoppt) sofort Strom. Andere Spulen können ihren Zustand ändern usw., und das alles "passiert". In der SPS-Kontaktplanlogik funktioniert das jedoch nicht so. In der Regel wird in einem einzigen Durchlauf durch den Kontaktplan jede Sprosse in der Reihenfolge ausgewertet, in der sie erscheint, und zwar nur einmal pro Durchlauf. Ein perfektes Beispiel ist ein Kontaktplan mit einem Öffnerkontakt in Reihe mit einer Spule. Der Kontakt und die Spule gehören zum selben Relais.

Wäre dies ein herkömmliches Relais, würden sich die Kontakte öffnen, sobald die Spule erregt ist, und die Spule wieder abschalten. Das heißt, die Kontakte schließen sich wieder, usw. Das Relais wird zu einem Summton.

Wenn bei einer SPS die Spule ausgeschaltet und der Kontakt geschlossen ist, wenn die SPS mit der Auswertung des Strompfads beginnt, dann ist die Spule eingeschaltet, wenn sie diesen Durchgang beendet hat. Die Tatsache, dass das Einschalten der Spule den Kontakt öffnet, der sie speist, wird bis zum nächsten Durchgang ignoriert. Beim nächsten Durchgang sieht die SPS, dass der Kontakt geöffnet ist, und schaltet die Spule ab. Das Relais schaltet also immer noch schnell zwischen Ein und Aus um, allerdings in einem Rhythmus, der davon abhängt, wie oft die SPS den Stromkreis auswertet.

In HAL ist die Funktion der Code, der die Sprosse(n) auswertet. In der Tat exportiert die HAL-fähige Echtzeitversion von ClassicLadder eine Funktion, die genau das tut. In der Zwischenzeit ist ein Thread derjenige, der die Funktion in bestimmten Zeitintervallen ausführt. Genauso wie Sie wählen können, ob eine SPS alle 10&8239;ms oder jede Sekunde alle Sprossen auswerten soll, können Sie HAL-Threads mit unterschiedlichen Zeitabständen definieren.

Was einen Thread von einem anderen unterscheidet, ist "nicht" das, was der Thread tut - das wird dadurch bestimmt, welche Funktionen mit ihm verbunden sind. Der eigentliche Unterschied ist einfach, wie oft ein Thread läuft.

In LinuxCNC könnten Sie einen 50 µs Thread und einen 1 ms Thread haben. Diese würden basierend auf BASE_PERIOD und SERVO_PERIOD erstellt werden, die tatsächlichen Zeiten hängen von den Werten in Ihrer INI-Datei.

Der nächste Schritt ist zu entscheiden, was jeder Thread zu tun hat. Einige dieser Entscheidungen sind die gleichen in (fast) jeder LinuxCNC-System. Zum Beispiel wird motion-command-handler immer Servo-thread hinzugefügt.

Andere Verbindungen werden vom Integrator hergestellt. Dazu könnte gehören, dass die Encoder-Lese- und DAC-Schreibfunktionen des STG-Treibers mit dem Servo-Thread verbunden werden, oder dass die Stepgen-Funktion mit dem Base-Thread verbunden wird, zusammen mit der/den Parport-Funktion(en), um die Steps in den Port zu schreiben.