Introducción a HAL

La Capa de Abstracción de Hardware (o con una referencia a la película 2001: Odisea del espacio sólo "HAL") es un software para

En sí mismo, este Middleware es agnóstico sobre su aplicación en CNC. Una búsqueda en internet, por ejemplo, arrojó una aplicación astronómica para controlar telescopios usando LinuxCNC. Motores mueven el telescopio en la posición correcta, y se necesita saber cómo mapear actividad del motor con el efecto de ese posicionamiento con el mundo real. Tal sincronización de posiciones de motor con posiciones del mundo real es una reminiscencia de lo que las máquinas CNC, o naves espaciales, necesitan hacer.

Cualquier controlador de máquina necesita saber:

La HAL consiste de partes (referidas como "componentes") que

En conjunto, HAL permite

HAL no tiene interacción directa con el usuario. Pero se han proporcionado múltiples interfaces que permiten manipular a la HAL

pero ninguna de esas interfaces es HAL en sí.

HAL en sí mismo no es un programa, consiste en una o más listas de programas cargados (los componentes) que se ejecutan periódicamente (en secuencia estricta), y en un área de memoria compartida que usan esos componentes para intercambiar datos. La secuencia de comandos HAL principal se ejecuta solo una vez al arrancar la máquina, preparando los hilos de tiempo real y las ubicaciones de memoria compartida, cargando los componentes y preparando enlaces de datos entre ellos (las "señales" y los "pines").

En principio, múltiples máquinas pueden compartir una HAL común para permitirles interoperar, sin embargo, la implementación actual de LinuxCNC esta limitada a un solo intérprete y un solo módulo de Tarea. Actualmente, casi siempre es un intérprete de código G y "milltask" (el cual se encontró que también funciona bien para tornos y adecuadamente para robots), pero esos módulos son seleccionables en tiempo de carga. Con un interés creciente en el control de múltiples máquinas cooperantes, es probable que sobrepasar esta limitación sea uno de los pasos principales a abordar en desarrollos futuros de LinuxCNC.

HAL yace en el corazón de LinuxCNC y se usa y/o extiende por todas las partes de LinuxCNC, incluyendo las GUIs. El intérprete de código G (o lenguaje alternativo) sabe cómo interpretar el código G y lo traduce en operaciones de máquina al disparar señales en HAL. El usuario puede consultar la HAL de varias maneras para obtener información sobre su estado, el cual también representa el estado de la máquina. Durante el desarrollo de la versión 2.9, las GUIs aún son, por poco, una excepción a la regla y pueden saber algo que (sin necesitarlo) la HAL no.

Lo especial de la HAL es que puede comunicarse muy rápido

Y mientras está en comunicación, la parte de LinuxCNC a la que le habla no necesita preparase para la comunicación: Todas esas acciones se realizan asíncronamente, es decir, ningún componente interrumpe su ejecución normal para recibir una señal, y las señales pueden enviarse inmediatamente, es decir, una aplicación puede esperar hasta que llegue un mensaje en particular -como una señal de activación, pero no necesita prepararse para recibir ese mensaje.

El sistema de comunicación

La comunicación con el hardware de la máquina en sí, la realiza con los respectivos componentes HAL dedicados.

La HAL es un espacio compartido en el cual todas de las muchas partes que constituyen LinuxCNC intercambian información. Ese espacio dispone pines que son identificados por un nombre, aunque un ingeniero de LinuxCNC pueda preferir la asociación con un pin de un circuito electrónico. Esos pines pueden acarrear valores numéricos y lógicos, boleanos, de punto flotante y enteros con y sin signo. También hay un (relativamente nuevo) tipo de pin llamado hal_port destinado para flujos de bytes, y un framework para intercambiar datos mas complejos llamado hal_stream (el cual usa un área de memoria compartida privada, en lugar de un pin HAL). Los últimos dos tipos se usan relativamente infrecuentemente.

Con la HAL puedes enviar una señal a ese pin nombrado. Cada parte de la HAL puede leer ese pin que contiene ese valor de la señal. Eso hasta que una nueva señal se envía al mismo pin nombrado para sustituir el valor previo. El sistema central de intercambio de mensajes de la HAL es agnóstico de CNC, pero la HAL viene con un gran número de componentes que saben mucho de CNC y presentan esa información mediante pines. Hay pines que representan

En una analogía con cables electrónicos, los pines pueden cablearse, de tal manera que el valor que cambia en un pin sirve como entrada de otro pin. Los componentes HAL preparan tales pines de entrada y salida, y por lo tanto disparados automáticamente.

Las muchas partes "expertas" de LinuxCNC son típicamente implementadas como componentes de HAL, conceptualmente también referidos como módulos. Esos expertos implementados en computadora leen perpetuamente desde la HAL sobre un estado que la máquina debería esmerarse en alcanzar, y comparan ese estado deseado con el estado en el que esta actualmente la máquina. Cuando hay una diferencia entre lo que debería ser y el estado actual, es cuando se realizan algunas acciones para reducir tal diferencia, mientras se escriben actualizaciones perpetuamente de los estados actuales de vuelta al espacio de datos de la HAL.

Hay componentes especializados en cómo hablarle a motores a pasos, y otros componentes saben cómo controlar servos. En un nivel más alto, algunos componentes saben cómo están dispuestos los ejes de la máquina en 3D y otros saben cómo realizar un movimiento suave desde un punto en el espacio a otro. Tornos, fresadoras y robots diferirán en el componente de LinuxCNC que este activo, es decir, el que es cargado por un archivo de configuración HAL para esa máquina. Después de todo, dos máquinas pueden verse muy diferentes por haber sido construidas para propósitos distintos, pero cuando ambas usan servo motores, pueden usar el mismo componente servo de HAL.

En el nivel mas bajo (cercano al hardware), p. ej. para motores de pasos, la descripción de un estado de ese motor es muy intuitiva: es el número de pasos en una dirección particular. Una diferencia entre la posición deseada y la real se traduce en un movimiento. Velocidades, aceleración y otros parámetros pueden estar internamente limitados dentro del componente mismo, o pueden estar opcionalmente limitados por componentes río arriba. (Por ejemplo, en la mayoría de los casos los valores de posición del eje momento a momento enviados a los componentes generadores de pasos ya han sido limitados y conformados para adecuarse a los límites de máquina configurados o a la velocidad de alimentación actual.)

Cualquier línea de código G es interpretada y dispara un conjunto de rutinas que en turno saben cómo comunicarse con componentes de la capa intermedia, p. ej. para crear un círculo.

HAL tiene un lugar especial en el corazón de sus programadores por la forma en que se representa el flujo de datos entre módulos. Cuando programadores tradiciones piensan en variables, direcciones o puertos de E/S, HAL refiere "pines". Y esos pines se conectan o se les asignan valores mediante señales. Muy similar a como un ingeniero eléctrico conectaría cables entre pines de componentes de una fresadora, un ingeniero HAL establece el flujo de datos entre pines de instancias de módulo.

Las GUIs de LinuxCNC (AXIS, GMOCCAPY, Touchy, etc.) representarán los estados de algunos pines (como los interruptores de límite) pero también existen otras herramientas gráficas para solucionar problemas y configuración: Halshow, Halmeter, Halscope y Halreport.

El resto de esta introducción presenta

.HAL se basa en técnicas de diseño de sistemas tradicionales.

HAL se basa en los mismos principios que se usan para diseñar sistemas y circuitos de hardware, por lo que es útil examinar primero esos principios. Cualquier sistema, incluida una máquina CNC, consiste en componentes interconectados. Para una máquina CNC, esos componentes podrían ser el controlador principal, servoamplificadores o controladores de pasos, motores, codificadores, interruptores de límite, volantes con pulsadores (los populares MPG), quizás un VFD para el husillo, un PLC para manejar un cambiador de herramientas, etc. El constructor de la máquina debe seleccionar, montar y conectar estas piezas para formar un sistema completo.

La figura se transcribe a código HAL de esta manera:

Esta sección es un glosario que define los términos clave HAL, aunque es un poco diferente de un glosario tradicional porque estos términos no estan ordenados alfabéticamente sino por su relación o flujo dentro de la manera de hacer las cosas con HAL.

Componente:: Cuando hablamos de diseño de hardware, nos referimos a las piezas individuales como partes, bloques de construcción, cajas negras, etc. El equivalente en HAL es un componente o componente HAL. Este documento usa componente HAL cuando pueda haber confusión con otros tipos de componentes, pero normalmente usa solamente componente. Un componente HAL es una pieza de software con entradas, salidas y comportamiento bien definidos, que puede ser instalado e interconectado como se necesite. ++ Muchos componentes HAL modelan el comportamiento de una parte tangible de una máquina, y un pin puede, de hecho, estar destinado a conectarse a un pin físico del dispositivo con el que se comunicará, de ahí los nombres. Pero más a menudo, este no es el caso. Imagina la modernización de un torno/fresadora manual. Lo que implementa LinuxCNC es cómo la máquina se presenta por sí misma al mundo exterior, y es secundario si la implementación de cómo trazar un círculo ya esta implementada en la máquina o es proporcionada por LinuxCNC. Y es común agregar botones a la actualización imaginaria que señaliza una acción, como una parada de emergencia. LinuxCNC y la máquina se convierten en uno. Y todo eso mediante la HAL.

Parámetro:: Muchos componentes de hardware tienen mandos de ajustes que no están conectados a ningún otro componente, pero que deben tener alguna forma de acceso. Por ejemplo, los servoamplificadores a menudo tienen potenciómetros, para permitir ajustes de afinación, y puntos de prueba donde puede ser conectado un medidor u osciloscopio para ver los resultados del ajuste. Los componentes HAL también pueden tener tales cosas, que se conocen como parámetros. Hay dos tipos de parámetros: los parámetros de entrada son equivalentes a potenciómetros; son valores que pueden ser ajustados por el usuario, y permanecen fijos si no son ajustados de nuevo. Los parámetros de salida no pueden ser ajustados por el usuario; son equivalente a los puntos de prueba que permiten monitorizar las señales internas.

Pin:: Los componentes hardware tienen terminales que se utilizan para interconectarlos. El equivalente HAL es un pin o pin HAL. Se usa pin HAL cuando sea necesario para evitar confusiones. Todos los pines HAL tienen nombre y esos nombres de pines se usan para interconectarlos. Los pines HAL son entidades de software que existen solo dentro de la computadora.

Pin físico:: Muchos dispositivos de E/S tienen pines físicos reales o terminales que se conectan a hardware externo, por ejemplo, los pines del conector de puerto paralelo. Para evitar confusiones, estos se conocen como pines físicos. Son esas cosas que se enchufan en el mundo real.

Señal:: En una máquina física, las terminales reales de los componentes en hardware están interconectados por cables. El equivalente HAL de un cable es una señal o señal HAL. Las señales HAL conectan los pines HAL según lo requiera el constructor de la máquina. Las señales HAL pueden ser desconectadas y reconectadas a voluntad (incluso cuando la máquina está en funcionamiento).

Tipo:: Cuando se usa hardware real, no se conectaría una salida de relé de 24 voltios a una entrada analógica +/-10 V de un servoamplificador. Los pines HAL tienen las mismas restricciones, las cuales se basan en su tipo. Tanto los pines como las señales tienen tipos, y las señales solo se pueden conectar a pines del mismo tipo. Actualmente hay 4 tipos, que son los siguientes:

+ - bit - un único valor, VERDADERO/FALSO o ENCENDIDO/APAGADO o 1/0 - float - un valor de punto flotante de 64 bits, con aproximadamente 53 bits de resolución y más de 1000 bits de rango dinámico. - u32 - un entero sin signo de 32 bits, los valores legales son de 0 a 4,294,967,295 - s32 - un entero de 32 bits con signo, los valores legales son de -2,147,483,647 a +2,147,483,647 - u64 - un entero sin signo de 64 bits, los valores legales son de 0 a 18,466,744,073,709,551,615 - s64 - un entero de 64 bits con signo, los valores legales son de -9,223,372,036,854,775,808 a +9,223,372,036,854,775,807

Función:: Los componentes de hardware reales tienden a actuar de inmediato ante una entrada. Por ejemplo, si el voltaje de entrada a un servoamplificador cambia, la salida también cambia automáticamente. Sin embargo, los componentes de software no pueden actuar automáticamente. Cada componente tiene un código específico que se debe ejecutar para hacer lo que ese componente se supone debe hacer. En algunos casos, ese código simplemente se ejecuta como parte del componente. Por otra parte, en la mayoría de los casos, especialmente en componentes en tiempo real, el código debe ejecutarse en una secuencia específica y en intervalos específicos. Por ejemplo, las entradas deben leerse antes de realizar cálculos con los datos de entrada, y las salidas no deben escribirse hasta que los cálculos estén hechos. En estos casos, el código está disponible para el sistema en la forma de una o más funciones. Cada función es un bloque de código que realiza una acción específica. El integrador de sistema puede usar hilos para programar una serie de funciones que serán ejecutadas en un orden particular y en intervalos de tiempo específicos.

Hilo:: Un hilo es una lista de funciones que se ejecuta en intervalos específicos como parte de una tarea en tiempo real. Cuando un hilo es creado por primera vez, tiene un intervalo de tiempo específico (período), pero no tiene funciones. Las funciones se pueden agregar al hilo, y se ejecutarán en orden cada vez que se ejecuta el hilo.

Como ejemplo, supongamos que tenemos un componente de puerto paralelo llamado hal_parport. Ese componente define uno o más pines HAL para cada pin físico. Los pines se describen en la sección de documentación de ese componente: sus nombres, cómo se relaciona cada pin HAL con pines físicos, si están invertidos, si puedes cambiar su polaridad, etc. Pero eso por sí solo no hace que los datos de los pines HAL lleguen a los pines físicos. Se necesita código para hacer eso, y ahí es donde entran en escena las funciones. El componente hal_parport necesita al menos dos funciones: una para leer los pines de entrada física y actualizar los pines HAL, y otra para tomar datos de los pines HAL y escribirlos en pines de salida física. Ambas funciones son parte del controlador parport.

Cada componente HAL es una pieza de software con entradas, salidas y comportamiento bien definidos, que puede ser instalado e interconectado como sea necesario. La sección Lista de componentes HAL enlista todos los componentes disponibles y una descripción breve de lo que hace cada uno.

A diferencia de los modelos de cableado físico entre cajas negras en el que se dijo que está basado HAL, la simple conexión de dos pines con una señal HAL queda aún lejos de la acción del caso físico.

La lógica de relés consiste en relés conectados entre sí, y cuando el contacto se abre o se cierra, la corriente fluye (o se detiene) inmediatamente. Otras bobinas pueden cambiar de estado, etc., y todo simplemente ocurre. Pero un PLC de lógica de escalera no funciona de esa manera. Usualmente, en un solo pase a través de la escalera, cada escalón se evalúa en el orden en que aparece, y solo una vez por pase. Un ejemplo perfecto es una escalera de un solo escalón, con un contacto NC en serie con una bobina. El contacto y la bobina pertenecen al mismo relé.

Si se tratara de un relé convencional, tan pronto como se energiza la bobina, los contactos comienzan a abrirse y la des-energiza. Eso significa que los contactos cerrarán de nuevo, etc, etc. El relé se convierte en un zumbador.

Con un PLC, si la bobina está DESACTIVADA y el contacto está cerrado cuando el PLC comienza a evaluar el peldaño, cuando termina ese pase, la bobina estará ENCENDIDA. El hecho de que al encender la bobina se abre el contacto alimentado es ignorado hasta el próximo pase. En la siguiente pasada, el PLC ve que el contacto está abierto y des-energiza la bobina. Entonces el relé sigue cambiando rápidamente entre encendido y apagado, pero a un ritmo determinado por la frecuencia con la que el PLC evalúa el escalón.

En HAL, la función es el código que evalúa el(los) escalón(es). De hecho, la versión HAL en tiempo real de ClassicLadder exporta una función que hace exactamente eso. Entre tanto, un hilo es lo que permite la ejecución de la función en intervalos de tiempo específicos. Al igual que puedes elegir que un PLC evalúe todos sus escalones cada 10 ms, o cada segundo, puedes definir hilos HAL con períodos diferentes.

Lo que distingue a un hilo de otro no es lo que el hilo hace - eso está determinado por las funciones que son conectadas a él. La distinción real es simplemente qué tan seguido se ejecuta un hilo.

En LinuxCNC, puedes tener un hilo de 50 µs y un hilo de 1 ms. Estos se crearían con base en BASE_PERIOD y SERVO_PERIOD; los tiempos reales dependen de los valores en tu archivo INI.

El siguiente paso es decidir qué debe hacer cada hilo. Algunas de estas decisiones son las mismas en (casi) cualquier sistema LinuxCNC. Por ejemplo, la función motion-command-handler siempre se agrega al hilo servo.

Otras conexiones serán hechas por el integrador. Estas pueden incluir conectar las funciones de lectura de codificador de un controlador STG y las de escritura de un DAC al hilo servo, o enganchar la función de StepGen al hilo base, junto con la(s) función(es) parport para escribir pasos en el puerto.