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LinuxCNC用のMesaの外部I/Oボード(Ehernet編)

一つ前の記事では、パラレルポートのEPP通信接続でのLinuxCNC用外部I/OポートであるMesa7I90HD Parallel/SPI Anything I/O cardの接続?(書いてないような気がする)とHALピンが見えるまでのLinuxCNCへの設定を書きましたが、今回はEthernet接続での外部拡張I/O を取り上げます。

前回のボードだけ購入するのは送料的にもったいなかったため^^;
Ethernet自体、PCとの電気的絶縁(コネクタ内にトランスがある)が取れるのと、配線距離が稼げ信頼性が高いことから購入してみました。

購入したボードは7I92M Anything I/O Ethernet cardで、34本のI/Oが使用できます。

7i92m.jpg


ただ、今回はLinuxCNC公式のインストールイメージではHM2_ETHとゆうHostmot2ドライバがインストールされてません。素のDebian Wheezyからインストールし、Uspaceとゆう新しいRTAPIの実装のものを使います。

まず、Index of /cdimage/archive/7.11.0-live/i386/iso-hybridから、debian-live-7.11.0-i386-gnome-desktop.isoをダウンロード。私はウインドウズ上での作業でしたので、Windows用のUSBメモリにブータブルなISOファイルを書き込むソフト、Rufusを使い、ダウンロードしたISOファイルをUSBメモリに書き込み、インストールするPCへ。

LinuxCNCのライブディスクイメージ同様に使える(ハズ)で、USBメモリから、PCへインストール。

参考としたページはLinuxCNC公式のライブディスクイメージの有るGetting LinuxCNC内の7. Alternate Install Methods以下です。7.1. Installing on Debian Wheezy (with Preempt-RT kernel)以下の部分を参照しながらインストールを進めます。

注意として、OSインストール時にRootのパスワードを入力しないこと、と有ります。
また、Preempt-RT kernel とmoduleをsudo-apt getでインストールした後、再起動が必要です。

OSインストール、linuxCNC-uspaceインストールが終了し、LinuxCNCを立ち上げると、現時点での最新のLinuxCNC2.78が起動できます。

OSインストールの細かい所は端折ましたが、LinuxDebianのインストールに関してはWeb上に情報が豊富にあるので、ソレを参考にしていただきたいです。


この状態で単純にLanケーブルを接続し、、、、では、残念ながらボードとの通信はできません。
HM2_ETHの記述に依ると、PCとボード間の接続はケーブルのみを使用し、と、有るので、直接PCのEtherポートと7I92基板のEtherポートを繋ぎます。Lanポートを直接繋ぐ場合、昔であればクロスケーブルとゆう、入力と出力がクロスしたケーブルを使用したのですが、買いに行った所今時そのような商品はなく、通常のストレートケーブルに刺すアダプタとして、クロスケーブルとして使えるアダプタを購入、使用しました。

HM2_ETH内の記述に有るように、Ethernetのインターフェースに固定IPアドレスを設定します。
具体的には /etc/network/interfaces sudoしてテキストエディタを使用して追加編集します。

今回はPCのEthernetポートが一つしかなかったのと、 Private IPv4 address spaceを使用したので、記述自体は

auto eth0
iface eth0 inet static
address 10.10.10.1
  hardware-irq-coalesce-rx-usecs 0

としました。
変更を上書き保存し、再起動。

最後の行は
EthernetDriverでのIRQコアレーションのOnだそうで、

sudo ethtool -C your-ethernet-device-name rx-usecs 0
でもOnにできるようです。
殆どのシステムでパケット受信の待ち時間を短縮するようですが、NICとの相性?もあるようで、Marvel-chipset NICでは良くないらしくパフォーマンスの改善が無い場合は削除したほうが良いようです。

参考 Mesa Card: "No 7I92 board found" using mesaflash
  HM2_ETH

ここで、他Web上に有るように、PCを再起動せずにEthernetのみの再起動を行ってみましたが、エラーが出るばかり。
PC自体を再起動しましょう。

7I92上のジャンパスイッチのW5番を下にW6番を上に(ボードシルクの文字が読める状態で上下に)設定し、7I92自体の固定IPアドレスを10.10.10.10に設定しLanケーブルのクロスケーブルをPCと繋ぎ5V電源を供給します。


再起動したらコンソールを開き

sudo apt-get install mesaflash

し、最新のmesaflashに。

ここで、

sudo mesaflash --device 7I92 --addr 10.10.10.10 --readhmid

とコンソールに入力すると、現在7I92上のFPGAにコンフィグされたボードネームからピン番号、ピン機能その他詳細な情報が出てきます。

この記述、公式フォーラム内のどのスレッドに書いてあったか忘れてしまいましたが、7I92のマニュアルにも載ってません。

もちろんマニュアル通りの192.168.1.121とゆうアドレスを使ってもきちんと作動します。この場合Ethernetポートの固定アドレスはHM2_ETHのページ通り、192.168.1.1を設定します。

私の7I92Mは出荷状態にて、Stepgen,SSerialQCoutI/Obitが割り当てられてました。
どうも7i92_7i76x1D.bitとゆうFPGAのConfigファイルと同等な物。Hostmot2のソースファイル内のPIN_7I76_34.vhdとゆうファイルに定義されているピン配置と同じでした。

この割当自体は、Mesaの商品ページ内にMesaflashを使用してのFPGAのConfigの書き換え用ファイルが置いてあります。
また、この書き換え用のConfigファイル自体、事細かに設定変更ができるようにオープンソースとして公開されており、XilinxのISEにて、生成できるようです。

チェックとしてコンソール内にて

ping 10.10.10.10

とすると、PCと7I92が通信を始め、ボード上のグリーンのLEDがバイナリで接続回数を数えます。

pingの終了はコントロールキー+cです。


LinuxCNC公式 Editing MESA Bitfiles

7i92を使用したLinuxCNC自体のConfigファイルであるHALファイルとINIファイルは Questions: Mesa 7I92 Leadshine MX4660 4-Axis Stepこのページ内中頃の freeby.mesanet.com/7i92step.zip と書いたリンクをダウンロードすると入っています。

このHAL,INIファイルにて作動確認しました。
かなり前から有る、StepperのConfigと違い、PIDStepperとなってます。
Ether自体不良パケットが有った場合に、、、の保証?となるようです。

各所に記述が飛んでおり、なかなかにアレでしたが、全てLinuxCNCの公式内に記述があり、なんとか作動させることが出来ました。

国内のWebサイト上にはMesaのAnythingI/Oを使った記述は見かけないので、この際と思い、EPP、Ether接続な基板を試してみました。PCI PCIeを使用するボードは、既にPnconfWizardにあるので、なんとかなると思います。

今回のこの記事で、パラレルポートに依らないLinuxCNCの入出力が可能な事で、使用出来るPCも、パラレルポートの無いモノでも。
もちろん、今回のボードでは有りませんが、BeagleboneをUSB接続でx11forardを使い、Windows上からの操作もできるので誰も調べなかった?だけで、大概の通信方式の接続にての入出力が可能なことが判りました。

後の追加HALファイルやIniファイル等々は、公式の記述が纏まって書いてあるのでWeb翻訳なりを使い、また、日本のWebページ上にも、少々解説してある物もあるので、ソレを頼りにしてください。


外部パルスジェネレータとしてこのFPGAのボードを使うのは、通常25μS単位で動いているBase threadを使ったソフトウエアでのパルスジェネレートが、1000μS(1ms)単位のServo threadを使用するだけで(パルスジェネレーターを外部ハードウエアとするため)よくなり、Base thread自体の25μS単位で刻む処理、クロックの遅延、揺れ等を考慮しなくて良くなります。

参考 公式フォーラム内 7i92 setup help 中頃

コレはMachinekitを使うBeagleboneも、RPUとゆうCPUと独立した内蔵されているにも関わらす、別個で動いている外部パルスジェネレータ(として使っている)も、同じことです。
なので、PCと比べてどう考えても非力なARMプロセッサでも、LinuxCNCを動かすことが出来ています。
もちろん、Jitter自体少ないことに越したことはありませんが。



LinuxCNC自体、現在RTカーネルの種類と、通常のLinuxCNC、uspaceなLinuxCNCと、、、あと、DebianとUbuntuと、Debianの各種デスクトップとゆう、沢山の組み合わせで実行環境を選ぶことができますが、これだけ多いとどの環境を使っていいのか??と困りものです。

前回、今回の作動テストに使用したPCは、PCの中古屋で購入した富士通の企業カスタマイズなFMV-ESPRIMOとゆうもの。
CPUはかなり前のCore2DuoのE6550、2.33Ghzでの作動。チップセットは多分Q35。

今回、3つの環境をインストールしたので、それぞれLatencyhistgramで測ってみました。
このLatencyhistgram、グラフでの、Latencyの頻度を表示しますが、グラフ下のMaxとMinとゆう、最大遅延値も重要です。
また、負荷を掛けるために、画像上、ギヤが回っているウインドウを100個表示させています。(重なっているので分かりづらい)
このギヤ表示(動画)のウインドウはLatencyhistgramのウインドウ下部のGlxgearsとゆうボタンを押す事で、表示出来、表示させた個数、そのボタンの右側の数字として表示されます。


スクリーンショット - 2017年02月20日 - 21時30分33秒

コレはLinuxCNC公式のLiveディスクからインストールしたもの。デスクトップマネージャが軽いせいか、Glxgearsを100個表示させても、GUI操作自体の遅延も殆どありませんでした。パラレルポートからの出力設定時には、しょっちゅうでは有りませんが極稀にリアルタイム違反の警告が出ます。
外部I/Oパルスジェネレータを使用した時には、そのような警告は出ません。

2017-02-20-204323_1680x1050_scrot.png

コレはシマリス技研さんが公開しているLiveイメージをLinuxCNC2.78にUpgradeしたもの。Ubuntu自体Debianの軽めのデスクトップマネージャよりかなり重いので、Glxgearsを100個表示させた段階でGUIでの操作は不自由なくらい。LinuxCNC公式Liveイメージとヒストグラムの傾向は同じですが、Baseスレッドのヒストグラムの出方がちょいと違いますね。


2017-02-20-191803_1680x1050_scrot.png

コレは今回のテストに使用したLinuxCNC-uspace。MachinekitみたいにLXDEなデスクトップで試してみました。ヒストグラムのグラフ表示自体の傾向も全然違いますし、下の最大遅延値も違います。HM2_ETHを使ってEthernetでのドライバが有るのがunameなLinuxCNCしかありません。コレは、、どうも、LinuxCNCがMachinekitと枝分かれする際に出来たようで、パラレルポートでの出力もできますが、基本?外部パルスジェネレーターを使用すること前提なようです。
ただ、このような状態でも、外部パルスジェネレータとの通信自体、リアルタイム違反の警告が出てこないので、リアルタイム制御の範囲内に収まっているのでしょう。この状態でも、パラレルポートでの出力設定で作動させると、ホントに稀にリアルタイム違反の警告が出たりします。

uspaceでの作動、実はPOSIXとゆうUnixやLinuxの共通APIを使っているようです。

このRT-PREMPTを使用したもの、このブログ内でのMachinekitを用いたRaspberryPiでのFPGAを外部パルスジェネレーターとして使用しました。
残念?ながら、Bealeboneのリアルタイムカーネルがxenomaiなので、同じようにFPGAを用いた作動を試してみましたが上手くいかずでした。



たまたま今回はハードウエアの作動の為に色々な環境のLinuxCNCを試してみましたが、この先、LinuxCNC自体がどうゆう方向に行くのかは??で、今のバージョンで既に単なる3軸4軸5軸程度のGコードでの制御をするにはオーバースペック位の機能が有るので(下手すると産業用NCコントローラーにも載っていない機能が有ったり)、ムリにアップグレードせずとも、、とは思います。


LinuxCNC自体オープンソースで、ホビー用途向けのソフトウエアNCコントローラー開発の参考となってるはずで、LinuxCNC自体が開発完了してしまうと、他NCコントローラ自体の機能追加等々が、、、とも思うのでこれからも開発は続けられるのでしょう。



追記。。



さて、本文で色々と書きましたが、ここでは割と最近(とは言えどもリリースは1年ほど前かな?)旧インテルATOM系のマザーボードを入手したので、そのレイテンシの具合とisolcpusについて。

今回入手したマザーボードはASRockのJ3710Mとゆう、一応Pentiumの名前の付くプロセッサですが、基本Atom系4コアSoC CPUの載ったマザーボード。
このマザーボード、型番の最後のMが大事で、M付きのボードは後ろに出るパラレルポート、シリアルポートのコネクタこそ有りませんが、ボード上にヘッダピンとして、1つのパラレルポートと、2つのシリアルポートが付いています。
PCIeもx1が2本、フルサイズPCIeが1本、メモリスロットも、ノートPC用ではなく、通常のデスクトップPC用のモノが2本。
まさしくコレでNCコントロールPCを作れと言わんばかりのスペックです。

ただ、触ってみての難点?ですが、作動周波数はLinux上では、基本作動周波数の1.6MHzしか出ず、CPUターボの2.64MHzは作動周波数をモニタしながらLatencyTestをしてみましたが、全然作動せずOrz....

かなり前に購入したD2700MUDとゆう、Atomの2.13Mhzが載ったマザーボードよりLatencyTestの結果は悪いことに、、、。
以前の記事 LinuxCNCのLatencyHistgramとLatencyPlot にLatencyHistgramの画像があります。。

最近の旧ATOMの載った基板は、ファイルサーバとか向け?のようで低消費電力で、CPUの作動周波数を落とす傾向。今回購入したマザーボードより新しいものはより低消費電力となっているようで、通常作動周波数も1.5MHzへ100kHz下がってます。

今回のテスト環境は上記のJ3710Mとゆうマザーボードと、シマリス技研さんの公開されているLinuxCNC2.6.8のLiveイメージを2.7.8にUpgradeしたもの。

例のごとく画像をクリックすると大きな画面で開くことが出来ます。


akirahitoshi-21Feb2017-367.png
コレは、isolcpusしてない素の状態。
ヒストグラムの三角は綺麗に出てますがBaseスレッドの遅延がパラパラ横に広がってます。最大で-13.7μs(13700ns)のレイテンシ。Servoスレッドは-12.6μs(12600ns)のレイテンシとなってます。
LinuxCNC公式wikiのLatency-Testのページでは、、、

Web翻訳  「最大ジッタ」の数が15-20マイクロ秒(15000-20000ナノ秒)未満である場合、コンピュータはソフトウェアのステッピングで非常に良い結果を得なければなりません。

とあるので、十分範囲内に収まってますね。ただ、パラレルポートを使って速めのステップパルスを刻もうとすると、ちょいとムリがある数値かもしれません(StepConfigWizardにて、入力するJitterの数値によって、出力出来るパルス周波数の上限が決まってしまうため。)

akirahitoshi-21Feb2017-233.png

コレは4つ有るCPUの3つ目だけをisolcpusしたもの、何もしないモノよりは改善してますが、Baseスレッドのジッタ具合は何もしてないものより良くはなってますが大して変わらないようにもみえます。

akirahitoshi-21Feb2017-403.png

コレは3番目4番目のCPUをisolcpusしたもの、かなりの改善が見られます。

akirahitoshi-21Feb2017-447.png

コレは2,3,4番目のCPUをisolcpusしたもの。コレの方が3,4番目のを触ったときよりLatency具合は低いのですが、デスクトップ上の操作に少々支障をきたすレベル。Pythonのユーザーコンポーネントを使うと、ユーザーコンポーネントが遅くなりそうで、、、。


この下のものはLinuxCNC公式上に有るLinuxCNC2.7のLiveDiskImageでのもの。
デスクトップ環境が違うと、LatencyHistgramの出方も、、、。
画像を大きくして見ると判りますがisolcpusは3,4番目のCPU。

Linuxcnc_Live_isolcpu23.png

ディストリビューションの違いかどうなのか??ですが、私のテストした環境ではUbuntuでの、、の方がレイテンシの出方が穏やかでした。

また、GNOMEデスクトップなdebianで、uspaceなLinuxCNCでは、、、

akirahitoshi-21Feb2017-173.png

isolcpu無しだと、結構なLatencyっぷり?

akirahitoshi-21Feb2017-312.png

上記で効果の有った3,4番のCPUをisolcpusしてみると、ソレナリ?に。
uspaceを使う場合、とゆうか、今回Ethernet接続の外部パルスジェネレータを使う為に、HM2_ETHが入ったコレをなのですが、まぁ、外部パルスジェネレータを使うなら、Baseスレッドのジッタは参考までにしかならないので。


旧インテルATOM系のSoCなCPUの場合、少消費電力化が進みこの記事を書いている段階での最新のPentiumJ4205,Celeron3455とかのQuadCoreな物は、ベースとなるCPU作動周波数が1.5GHzとひと世代前のPentiumJ3710や、CeleronJ3160などより、0.1MHz(すなわち100Khz)程基本的な作動周波数が低くなってます。
周波数に対する命令効率や、処理能力は新しい世代のCPUの方が上がっているのは確かで、周波数を低く押さえるとゆうことは少消費電力に繋がるのですが、RTAIを当てた特定スレッドの遅延に対しては、基本作動周波数が高いほうが、確実にLatencyテストでの結果が良く、CPUの性能とゆうよりも、CPUの周辺機器(装置)の作動速度に依存しているようです。
GPUの中身云々もATOM系列のCPUでは新しくなると効率の良い物に変わってはいるのですがチップセットの基本構成はNM10の頃、シマリス技研さんのLiuxCNC (EMC2) 制御用PCの選定とゆう記事が書かれた頃から殆ど変わってないとゆうのがホントの所だと思います。

現在の最新の物で試してはいませんが、もしかしたら2コアのCeleronJ3355の方がCPU作動周波数が高いので、LatencyTestに関してはこちらのほうが良い結果となるような気がします。
また、いまかみさんの記事Q1900B-ITXをLinuxCNCに使ってみる内で使われているCeleronJ1900や、同時期のPentiumJ2900など、を使ったマザーボードなどなど、まだかろうじて安価に入手可能なようです。
パラレルポートを使ったLinuxCNCなNCコントローラを構築するのであれば、早めに入手しとくと良いと思われます。
ただ、SuperMicroや、ASRockの産業用のラインナップに、J1900の載ったボードがあるので、結構いいお値段な、、となりますが、多分暫くは完全に入手不能なCPUとはならないと思われます。
CPUターボ?はどうも、上手く効いてないしCPUターボが効いた所で基本的な作動周波数であるFBSの速度も上がらないと思うので。

RTAIなリアルタイムカーネルではない、Preempt-RTとゆうリアルタイムカーネルを使用したLinuxCNC-uspaceでのLatencyはRTAIなリアルタイムカーネルと違い、LinuxCNC公式Forum内のスレッドにて書き込みにてですが、CPUパワーの方に依存しているようです。ですので、RTAIでのLatencyTestの結果が良かったとしても、Preempt-RTでは余り結果が良くなかったりします。
Preempt-RTを使ったLinuxCNC-uspaceを使う利点として、HM2_ETHを使い、Ethernet接続での外部I/O、パルスジェネレータ等が使用可能になることです。外部パルスジェネレーター、I/O を使用する時点でソフトウエアステップジェネレーターの制御サイクルであるBaseスレッドを使用しなくてもよくなるので、極端にレイテンシに敏感になる必要もなく、相当高速なステップ周波数を刻めるようになります。(試してみた設定で詰めた設定ではないので、上限ではないのですが、800Khz程度)

軸駆動用モーターの最大回転速度や、1回転に対する最大分解能にも依るのですが、NC制御するコンピュータ上のマス目を極力小さくすることで、目標となる位置となる数値に限りなく近づく事が出来るので、高い周波数まで出力出来る事は、大きいのでは?と思います(LinuxCNCの場合、パラレルポートを使用した場合の最大パルス周波数はあまり高くはないので、分解能の高いモーター、フレームとした場合、その能力をスポイルしてしまう)









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テーマ : 自作・改造
ジャンル : コンピュータ

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Author:あきらひとし。
木工用CNCルーターフレームと、ステッピングモータードライバを作ってみました。
たぶん記事は一般的な人には殆ど必要のない事ばかりなの、かも。

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