背景

現在は CNC のコントローラとして Grbl + 自作のインターフェイスを使っています。Grbl の G-code インタプリタは必要な機能はほとんどどありますが、凝ったことをしようと思うと少し困ることがでてきます。

ということで、Beagle Bone Black と Machinekit (Linux CNC) での環境構築をぼちぼちはじめています (まだある程度設定しただけで動かせてませんが)。その過程で結局コードを読むハメになってるので覚書を残しておきます。

Machinekit とは何か

Machinekit は Linux CNC (EMC2) からの fork プロジェクトです。Linux CNC は x86 しかサポートしていませんが、Machinekit は ARM もサポートしています。細かい違いがいろいろあるみたいですが、実のところよくわかってません。

OSSのG-code実行機だと Linux CNC が最も高機能なようなので、これが動く環境がうまく作れれば、機能で困ることはなくなるはずです。

Machinekit / Linux CNC はどのようにして GPIO を操作するか

名前の通りなのですが、これらは Linux 上で動きます。Linux CNC の典型的な実行環境は、普通の x86 コンピュータにパラレルポートを付けたマシンです。パラレルポートをGPIOとして使用し、ステッピングモータドライバなどに送る信号を出力します。

全てソフトウェアで制御信号を生成するため、Xenomai という Linux カーネルにリアルタイム拡張を行うものを組込み、複数のリアルタイムスレッドを協調して動かすことでスムーズに実行できるようにしてあります。

具体的には

• base-thread
  • 25μs ごとに起動
  • 最小の実行単位を扱うスレッドで、GPIO の実際の操作を行う
• servo-thread
  • 1ms ごとに起動
  • 入力などを処理して base-thread で行う操作を決めるスレッド

という2つのスレッドがあります。実行間隔を書きましたが、実際には Xenomai を組み込んだ状態でも各スレッドが起動される間隔にはばらつきがあり、正確に起動されるわけではありません。「リアルタイム」はあくまで最悪の応答時間を保証しているだけです。十分余裕を持って行動するために処理の重さに応じて実行スレッドが分けられているわけです。

Machinekit と Beagle Bone Black

Beagle Bone Black は TI の ARM SoC である AM3359AZCZ100 がメインCPUの、Raspberry Pi に似たカードサイズ Linux コンピュータです。GPIO が豊富にあり、これに Machinekit をインストールすることで、単体でCNCコントローラにできます。

パラレルポートに依存した環境構築というのは今時ちょっとやる気が起きませんし、パラレルポートが増設可能なフル装備の Linux コンピュータを組み立てようと思うと結構コストがかかります。Beagle Bone だと単体で役目を果たすことができます。

Raspberry Pi ではダメなのか？ という疑問があるかと思いますが、実は BBB にあって Raspberry Pi にはない重要な機能があります。それが PRU (Programmable Real-time Unit) です。

PRU は要するにメインのCPUと独立して動作できるマイコンです。メインCPUは1GHzですが、PRU は 200MHz の独自クロックで、メインCPUとは独立して動作します。

PRU の実装自体は独自の命令セットのアセンブリを書いて、TI 提供のツールでコンパイルして実行バイナリを得ます。なので、あまり高度なことをやるのは難しいですが、CNC の制御信号を出すというような用途にはまさにうってつけです。