Analogtipp Industrial Ethernet: Fabrikautomation einfacher designen

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Dank mehrprotokollfähiger Industrial-Ethernet-Systeme lassen sich Fabrikautomationslösungen heute einfacher designen. Auch die Material- und Herstellungskosten sinken. In diesem Analogtipp stellen wir eine Lösung auf Basis der Sitara-Prozessoren vor.

Mehrprotokollfähige Industrial-Ethernet-Systeme senken die Herstellungs- und Materialkosten, da für Feldgeräte, die auf verschiedenen Protokollen basieren, nur noch eine einzige Leiterplatte produziert werden muss. Mit Architekturen wie dem Programmable Real-Time Unit Industrial Communications Subsystem (PRU-ICSS) ist es außerdem möglich, bei Feldgeräten hohe Ethernet-Übertragungsraten von 1.000 MBit/s zu unterstützen – insbesondere in Verbindung mit dem neuen TSN-Protokoll (Time-Sensitive Networking).

Die Architektur von Industrial-Ethernet-Systemen

Wenn ein Industrial-Ethernet-Feldgerät (Bild 1) zwei Ethernet-Ports besitzt, werden linien- und ringförmige Ethernet-Topologien unterstützt, sodass auch ohne einen Switch die Verbindung mit einer ganzen Kette weiterer Feldgeräte möglich ist.

Über eine Isolationsbarriere gelangen die Ethernet-Frames an den Ethernet-PHY (Physical Layer Transceiver), der die Umwandlung vom analogen in das digitale Format (oder umgekehrt) vornimmt. In Industrial-Ethernet-Systemen spielt der PHY eine ebenso wichtige Rolle wie der Media Access Controller (MAC). Abhängig vom jeweiligen MDI muss er Kupfer-Leitungen mit unterschiedlich vielen Leiterpaaren unterstützen. Einige Netzwerke nutzen sogar Lichtwellenleiter, die beständiger gegen elektromagnetische Störungen sind.

Als nächstes gelangt der aus Ethernet-Bytes bestehende MII-Stream an den MAC. Da jedes Industrial-Ethernet-Protokoll das Einfügen und Extrahieren von Prozessdaten auf besondere Weise handhabt, muss die Verarbeitungsmethode des MAC auf das jeweilige Protokoll abgestimmt werden, was mit einer ASIC-basierten Lösung in der Regel nicht geht. Ist der MAC als eigener Baustein implementiert, erfolgt die Übergabe der Prozessdaten an die CPU über eine zwangsläufig langsame Schnittstelle (z.B. SPI oder I²C). Sind MAC und CPU dagegen integriert, kann schnelles Shared Memory als Interface sowie zum Synchronisieren der Prozessdaten zwischen MAC und CPU dienen.

Enthält ein System mehrere CPUs, auf denen möglicherweise verschiedene Betriebssysteme laufen, wird das Arbeitsaufkommen aufgeteilt, indem beispielsweise der Industrial-Ethernet-Stack von einer CPU verarbeitet wird, während für die industrielle Applikation eine andere CPU zuständig ist.

Mehrprotokollfähiges Industrial-Ethernet

Mit ihrer integrierten Peripheriefunktion PRU-ICSS unterstützt die Sitara-Prozessorfamilie einen programmierbaren MAC. In die PRU wird zur Laufzeit die Firmware für das jeweils gewünschte Industrial-Ethernet-Protokoll geladen. Die Sitara-Bausteine AM6442 (Bild 2), AM2434 und AM2434 unterstützen 1.000-MBit/s-Protokolle wie TSN, und die PRU-ICSS-Einheit fungiert zusätzlich als Standard-Ethernet-MAC und Zwei-Port-Ethernet-Switch.

Weil die Sitara-Prozessoren mehrere PRU-ICSS-Instanzen unterstützen, lässt sich Industrie-Peripherie wie Positions-Encoder, PWM-Einheit sowie ein Sigma-Delta-Dezimationsfilter für externe isolierte A/D-Wandler realisieren.

In die Sitara-Prozessoren sind jedoch noch mehr Funktionen integriert, die von industriellen Anwendungen benötigt werden, so zum Beispiel A/D-Wandler, SPI- und I²C-Schnittstellen und universelle Speicher-Controller. Zusätzlich verfügt das SoC über Shared Memory zum Austausch von Prozessdaten zwischen MAC und CPU.

Die Sitara-Familie bietet die Auswahl unter mehreren Arm Cortex-A53-Cores für High-Level-Betriebssysteme, Arm Cortex-R5F-Cores für RTOS- oder Bare-Metal-Applikationen sowie PRU-ICSS-Einheiten für den Industrial-Ethernet-MAC. (kr)

* Thomas Mauer arbeitet als System Engineer Factory Automation and Control bei Texas Instruments in Freising.

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