自作CPUで遊ぶ 18

先週につづき、リミットスイッチ等の接点入力５回路とポンプ等を制御するための接点出力５回路を追加した。接点出力は手持ちのジャンク品の5Vリレーを使った。 リレー接点と端子台間の配線も他と同じエナメル線を使ったが、ポンプを駆動することを考えるともっと太くしたほうが良かったかも知れない。。。ここは修正しよう。 制御信号はZYBOのPMODコネクタに接続しているがまだ13本余っている。表示器やCNCペンダント的なものも使えるようにしたいのだがそれには足りない。 ・・・シリアルI/Fにするか。

自作CPUで遊ぶ 17

以前、デバッグ用コントローラを組み立てたが未完成だったので今日はその続きをした。 パルスモータドライバはDM556Dという中華製ドライバを使っているが、分解して基板を確認したところ制御信号はEL6N137というフォトカプラで受けている。 ネットでこのフォトカプラの仕様を調べると、LEDはVF=1.4V (typ)@IF=10mAだった。Zynqで直接10mA引くのはできないのでNPNトランジスタを介してドライブしている。 手持ちで2SC1815が大量にあったのでそれを使った。回路はユニバーサル基板に実装した。ZYBOのPMODコネクタは全部inchピッチになっているので写真のように横付けする感じ良い感じに接続できた。GNDを強化したかったのでウラ面に銅箔テープを貼ってGND電位にしている。トランジスタのベース抵抗やコレクタ部の電流制限抵抗はチップ抵抗を使った。パスコンは4つのPMODコネクタの3.3V-GND間に10uFと0.1uFを入れた。また各トランジスタのコレクタ部に0.1uFを入れておいた。

あと、X/Y/Z各軸のリミットスイッチと非常停止スイッチ、ゼロ調整プローブ用入力の回路も入れなければならない。

自作CPUで遊ぶ 16

あっという間に年が明けて2024年になってしまった。 

昨年は定年を迎えたり実父が亡くなったりと自分にとっては色々と節目の年だった。

2024年はどんな年になるだろうか。 

今年は何とかブログの更新頻度を上げていければと考えている。

前回はロジック部の実装を行った。

今回はZyboのpetalinux上でzumi32用のプログラムをコンパイルし、zumi32側にダウンロードして動作させるまでの実装と確認をした。zumi32側の命令メモリとデータメモリは下図のようにAXI I/F経由でARMからもアクセスできるようにしている。

petalinuxではこの空間をuioでアクセス出来るようにした。以下はプログラムローダのuioでマッピングしている部分だ。 C言語で書かれたzumi32用プログラムはコンパイルしてelfを生成後、objedumpでtextセグメントdataセグメントをそれぞれ抽出してダウンロード用のデータファイルに変換する。 Makefileで一連の処理を行う。 生成された.codeと.dataをプログラムローダでzumi32側のメモリにロードする。 以下のようなLチカプログラムを書いて、コンパイル〜ダウンロード＆実行してみた。 無事動作した。

自作CPUで遊ぶ 15

さてさて、 petalinuxの方は何とか環境ができたのでロジック部の作業に戻った。 vivadoのブロックデザインは以下のようにした。右下のmycnc_topがCNC制御用のブロックで、これはIP化せずRTLを読み込ませている。 mycnc_topは以下のような構成にした。zumi32用の命令メモリとデータメモリの他にzynqとzumi32間のデータ交換用共有メモリももたせる。これらのメモリはZynqからもzumi32からもアクセスできる。また、Zynq、zumi32相互に割り込みを発生できるようにした。データ交換用メモリはDRAMの方が良いかなとも思ったが、まずはBRAMでやってみることにした。 現状、AXI側、zumi32側のアドレスマップは以下のようになっている。 と、今日はここで時間切れになってしまった。 

鹿

私は郊外に住んでいる。

先日夕方、車で外出したら出発して １ 〜 2分のところで何と鹿に遭遇した。 

前方に暗い塊があるなと思ってライトをアップビームにしたらそこには鹿がいた。

肉眼で見たときにはかなり大きく感じたのだが、ドライブレコーダーの映像を確認したらそうでもなかった。

うちの近所では猪はよく見かけるのだが、鹿を見たのは初めてだ。 

 この子も食べ物を求めてここまで進出して来ているんだろうか？

 なんとか生き延びて欲しいものだ。

   

自作CPUで遊ぶ 14

前回の続き、 

ウィンドウマネージャだが、ネットで軽量ウィンドウマネージャについて調べたところ幾つもあることが判った。 この中で、icewm、fluxbox、fvwmをインストールしてみた。 3種のソフトをビルドしてインストールするのにメチャクチャ時間がかかったが何とかインストール出来た。

以下は各ウィンドウマネージャの画面表示だ。 上からicewm、fluxbux、fvwmだ。画面の画素数は1024x768にした。

 

icewm

fluxbox

fvwm

どれも似たようなもんだがicewmが若干好みなので、icewmを採用しようと思う。 また、画面の画素数は1280x1024に増やすことにした。 petalinux-image-fullには**gears**という3Dで歯車が回転するプログラムが含まれている。その中のX11用のgears_x11を動かしてみた。 これを動かすことに特に意味は無いが、simple frame bufferでも3Dのアニメーションプログラムが動作するので何か嬉しい。

 

… ということで、ユーザーランドもpetalinuxのまま行くこととし、ウィンドウマネージャはicewmを使うことにした。

自作CPUで遊ぶ 13

最近 exhausted 気味で全ッ然作業が捗らない。 ... orz

FPGAボードにZYBOを使うことにしたので、今回はPetalinuxとzumi32用クロスGCCのインストール等を行った。 また、ZYBOはVGAとHDMIのコネクタを持っており将来的にはGUIのアプリも作りたいので、simple-framebufferも入れてX11が立ち上がるようにもした。デバイスツリーのsystem-user.dtsiは以下のようにした。 simple-framebufferを使うためには、Kernel ConfigurationのDevice Drivers -> Graphics support でSimple framebuffer driverとFrame buffer Devices の Support for frame buffer devices を有効にする必要がある。 vivadoのblock designは以下のようにした。今日は時間が無かったのでZYNQ-PS部とzumi32部間はUART接続にしたが、後に共有メモリ方式に変更するつもりだ。

petalinuxはpetalinux-image-fullを16GBのSDカードにインストールして動かしていて、FAT32部を2GB、ext4部を14GBにしているのだが、今回使用したバージョン2022.2はサイズが巨大でこれだけで使用量が97%位になっている。そのため、追加のアプリやクロスコンパイラ等が入らないので別のUSBストレージを繋いで /usr/local にマウントし使用することにした。これも後にインストールするアプリを選別してサイズの縮小を図ろうと考えている。 また、petalinux-image-fullにはmatchboxっていうwindow managerが入っているのだが何かショボくて実用性は無い。軽量のウィンドウマネージャーを自分でインストールするか若しくはユーザーランドはubuntuにしたほうが良いのかも知れない。以下はmatchbox-window-managerの表示画面だ。

GTKWaveのアイコンが写っているがこれは後からインストールしたもので最初から入っている訳ではない。

 zumi32用クロスコンパイラもインストールした。ビルドに数時間かかったが何とかビルドに成功しインストールできた。 今回画面の解像度を1900x1200にした。一応、X Windowも動くが解像度が高すぎるためかウィンドウをマウスでドラッグして動かす場合のレスポンスが非常に悪い。下げたほうが良さそうだ。

自作CPUで遊ぶ 12

そろそろ実機を動かしたいところだが、CNC4030付属のコントローラはなるべく改造したくない。パルスモータドライバは今まで実験に使ったやつがあるしスイッチング電源等もジャンク品を何個か持っているのでこれらを使ってデバッグ用コントローラを組み立てることにした。ベースになる板はダイソーの穴開きボードを使っている。一見すると木製の板に見えるのだが材質は"MDF、紙"って書いてあった。厚さが5mmあるのでそこそこ強度はありそうだ。スピンドルコントローラは無いのでそれだけは付属コントローラの物を使うことになる。

スイッチング電源は出力50Wの同じ型番の物が２個あったので、これの出力をダイオードを介して並列接続して使うことにした。

FPGAボードは当初 CMOD-S7を使おうと考えていたのだが、方針を変えてZYBOを使うことにした。GコードのインタプリタやMACH3やLinuxCNCの様なGUIも可能であれば作りたいと考えているのでアプリケーション層の部分はZYBO+Petalinuxにする。Zumi32はPL部に実装してARMとZumi32間は共有メモリ（RAM）を介して通信する。 電源の一部の配線が出来た。右側の7セグ基板とその下のスイッチ基板はこのコントローラに実装するか、独立してCNCペンダント的な物にするか思案中だ。

RTLの方はパルス生成部を書いている。 最下層は pls_gen というモジュール名にして主にパルスモータードライバへのパルスを生成する。一応 en信号とdir信号も出力するがこれは入力信号を１段F/F通しただけのものになる。前回の検討ではbeat信号もこの階層に入れるつもりだったが、これは加速度 accel を更新するタイミング信号なのでもう一つ上の階層の方が良さそうだ。ということで現状入出力は以下のような感じだ。

自作CPUで遊ぶ 11

CNCはG-codeで制御することになるが、主軸の移動を指示するコードにG00（位置決め）とG01(直線補間)がある。G00は主軸の原点復帰等のような位置決めに使われる。この時各軸は同期せず個別の設定値で移動する。起動／停止時の加速度もそれぞれの設定値を使うので、例えばX/Y各軸の設定値が同じ場合主軸は最初に45度の方向に移動し、何れかの軸が目標位置に到達すると今度はX方向またはY方向のみ移動して目標点に到達することになる。これに対してG01の直線補間（切削送り）は現在位置から目標位置までの直線上を移動する。前々回に検討したのはこの場合になる。

で、これらの処理のFPGAのロジックとソフトウェアの分担について検討した。 パルスモータードライバーへのパルス生成方式は基本的にはHDD用スピンドルモーター駆動時の方式をベースにするのだが、とりあえず以下のような入出力で考えている。

*_pm_***はパルスモータードライバへの制御信号だ。em_stopは非常停止信号でこれが１の期間は動作を停止し*_pm_enも0にする。s_beatはビートパルス信号で、起動／停止時の加減速はこのパルスに同期して行う。*_pcntは*_pm_pulseに出力されるパルスの計数値だ。*_pm_dirの値によって増減する。*_pcntは*_clrで0にリセットされる。*_clrは原点設定時に1になる。X/Y/Z各軸のパルスモーターの回転が各軸の移動に変換されるので、*_pcnt値に１パルス当たりの移動量を乗じれば原点からの座標になる。*_accelは起動／停止時の加速度、*_speedは目標速度だ。主軸が停止状態から移動が始まるとすると、速度0から *_accelのレートで増速していき *_speedに達する部分で *_speedに固定する。また、停止時は *_speedの速度から *_accelのレートで減速して行きやがて0になる。 *_enは起動/停止を制御する。 0から1に変化すると移動を開始し1から0になると停止する。停止時は直ちに停止する訳ではなく減速しながら停止する。起動から完全停止迄の期間のパルス数が移動量になるので停止のタイミングはちゃんと計算する必要がある。 

で、FPGAのLOGIC側をこうするとすると、zumi32側の処理は少なくとも以下のことをする必要がある。

数値計算はfloatで行う必要があるが、これは問題ない。Dpを求めるのに√演算が必要になってしまった。これを何とかする必要がある。zumi32は演算用リソースとしては加減算器とバレルシフタしか持っていないのでfloatの四則演算はそれなりにステップ数を要する。√演算となると尚更だ。そこで、この部分はハード化することにした。√演算器は10年くらい前に趣味で自作した。最初のやつはパイプライン式で組んだが回路が大きくなるのでその後に非パイプライン化版も作った。これは1bit@1clockで計算する。32bit floatの仮数部の√を求めるのでトータルで26クロック掛かる。これだとちょっと掛かりすぎな気がするので、今回2bit@1clockで計算するように変更した。

この演算器をzumi32に組み込み、sqrt命令を追加することも出来るが、他のfloat系演算命令は未実装なのでこれだけ入れるのはバランスが悪すぎる。今回はfp_sqrtモジュールとしてi/o busに接続して使うことにした。また、こうするとfp_sqrtにデータを書き込んだ後、結果がでるまでzumi32で他の処理をさせることも可能で処理を並列化することも出来る。といってもfp_sqrtのレイテンシーは13なのでその期間だけの話だが。。。 以下は動作確認のために現状のプロジェクトに組み込んだ様子。

zumi32のプログラムは以下のようにした。 simulationの結果 vivadoでimplementして見た。100MHzで動作させるがタイミングエラーは無くMetした。回路規模も意外と小さい。

自作CPUで遊ぶ 10.5 ? （卓上旋盤）

YouTubeでCNCや旋盤でのものづくり動画を見るのが好きで、見ると止まらなくなっちゃうので普段は見ないようにしているのだが、今日うっかり見てしまったら無性に自分でも何かを組み立てたくなってしまい、気がついたらジャンクのアルミ材を無心にネジ締めしてた。　ふと、我に返って笑ってしまった。何やってんだ俺？・・・と。

しかし、組み立ているものを見たら先週実験した卓上旋盤のベース部分に使えそうな気がしたので、そのまま組み上げることにした。

卓上旋盤化するにはベースにするアルミフレームを購入する必要があり、金掛かるしどうすっかなーと悩んでいたのだが、まさか手持ちの部材で出来るとは。。。考えもしてなかった。やっぱ、人生持つべきものはジャンクだわ。と改めて思う。 

上の写真の状態ではまだ完成ではない。制御基板（FPGAボード）や電源も必要だし刃物台も必要だ。 所有しているCmod7は１枚だけでこれはCNCの方で使うつもりなので、この卓上旋盤用には別のFPGAボードが必要だ。回転数や正転・逆転の設定や表示、非常停止制御ぐらいは出来るようにしたい。 もちろんzumi32を実装する。

ま、これもぼちぼちやってくつもりだ。

自作CPUで遊ぶ 10

所有しているCNC3040には三つ爪チャックが付属している。モーターはパルスモータでチャックとモーターとのプーリー比は１：３だ。 これを回してみた。このチャックは購入してから一度も動かしていなくて今回初めて動作させてみた。

普通に回すだけなので問題無く動いた。ベースボードに固定すれば卓上旋盤的な物が作れそうだ。

何かワクワクする。 (^_^)

CNCでX-Y２軸を制御してスピンドルの位置を移動させる場合、移動先の座標値の与え方には幾つかの方法が考えられる。普通に考えればX,Yの直交座標系で各軸の移動量を与える方法だろうが、極座標系で角度と目標位置までの直線距離を与える方法もあるだろう。 何れの方法も座標値は絶対座標の場合と相対座標の場合が考えられる。　何れの方式にしても、実際に制御するのはX/Y各軸のパルスモーターになるので、最終的にはこれらのモーターに印加するパルス数とパルスレート（周波数）に変換することになる。パルスモーターには最大自起動周波数という特性があって、いきなり起動・停止できる最大パルスレートに制限がある。なので、パルスモーターを起動・停止するときは徐々に加減速する必要がある。つまり、加速度に上下限値が存在する。CNCを制御するソフトウェアにはMach3やLinuxCNCがあるが、これらのソフトウェアでもこれらを設定するパラメータがある。

 Mach3の設定画面

即ち、X/Y各軸のモーターに対してこの加減速制御をする必要がある訳だが、如何なる場合にも同じ値とは行かずこれらの値は点P0からP1への直線移動の加速度とし、これをX/Y軸の加速度に変換する必要がある。 スピンドルの移動速度もG-code等で設定されるので、X/Y軸の移動速度は以下のようになる筈だ。

つまり、G-code等で与えられた各値からXpulse、Xspeed、Ypulse、Yspeedを求めてパルス発生部に入力する必要がある。どこからどの部分までをFPGAロジックに実装し、他の部分をzumi32に実装するかを検討する必要がある。