Kommunikation in harter Echtzeit

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Mikrocontroller mit integriertem EtherCAT

Einige Halbleiterhersteller gehen sogar noch einen Schritt weiter – sie integrieren die von Beckhoff entwickelte EtherCAT IP in ihre Produkte. Die weltweit ersten Mikrocontroller mit integrierter EtherCAT IP hat Infineon auf den Markt gebracht: Der XMC4300 und der XMC4800 nehmen sogar noch die zusätzliche Latenz in der Kommunikation zwischen MCU und ASCI aus der Berechnung. Sie laufen mit einem ARM Cortex M4 auf 144 MHz.

Der XMC4300 ist als Gateway Controller konzipiert und kann in weniger anspruchsvollen Applikationen den ASIC und Controller ersetzen. Neben der Reduzierung der Kosten und der Bauteileanzahl ermöglicht er zudem eine vereinfachte Entwicklung. Dabei leistet Infineons Entwicklungsumgebung DAVE mit integrierter anwendungsbezogener App für die Programmierung der EtherCAT Slaves gute Dienste.

Der XMC4800 läuft mit demselben Core wie der XMC4300 auf 144 MHz, hat aber in Sachen Peripherie, Flash und RAM deutlich mehr zu bieten. So lassen sich mit ihm beispielsweise zwei industrielle Motoren gleichzeitig ansteuern, während der Controller die Kommunikation mit dem EtherCAT-Netzwerk übernimmt.

Die meisten der aktuell eingesetzten EtherCAT Slaves sind auf der Grundlage eines 8-Bit-Controllers und eines ASICS für die Kommunikation aufgebaut. Der ASIC, bzw. das verwendete Modul, macht den Löwenanteil der Bauelementekosten aus. Ersetzt man die beiden Elemente durch einen vollintegrierten Controller-EtherCAT-Baustein, ergibt sich eine reduzierte Anzahl externer Bauelemente und somit niedrigere Materialkosten und Bestückungsfläche. Damit lässt sich kostengünstig mehr Intelligenz in die EtherCAT Slaves verlagern. Das bedeutet auch weniger Datenverkehr auf dem Bus, weil viele Daten bereits vor Ort bearbeitet werden. Ein CortexM4 mit integrierter Floating Point Unit zur Berechnung von Gleitkommazahlen bietet deutlich mehr Möglichkeiten als ein einfacher 8-Bit-Controller.

EtherCAT für bestehende Applikationen

Microchip ist einen etwas anderen Weg gegangen: Der LAN9252 ist ein 3-Port EtherCAT Slave Controller mit bereits zwei integrierten PHYs. Der LAN9252 ist im 9x9-QFN-Gehäuse verfügbar, somit kann z.B. in einer bestehenden Applikation sehr platzsparend EtherCAT-Funktionalität ergänzt werden. Der LAN9252 lässt sich an fast alle Mikrocontroller einfach über SPI/SQI oder Parallelbus anschließen. Die SQI-Schnittstelle erlaubt einen hohen Datendurchsatz bei einfachem Platinenlayout.

Der LAN9252 ist besonders interessant, wenn für eine neue Applikation bekannte Mikrocontroller zum Einsatz kommen sollen, um das Know-how in Form von fertig geschriebener und auf bestimmte Controller angepasste Software weiter nutzen zu können. Mitglieder der EtherCAT-Organisation haben freien Zugriff auf den EtherCAT Stack. Der LAN9252 kann für einfache Applikationen, beispielsweise das Schalten oder Lesen von digitalen Ein- und Ausgängen, auch ohne zusätzlichen Mikrocontroller verwendet werden.

Was ist aber, wenn eine zu entwickelnde Applikation nicht nur über EtherCAT kommunizieren soll? Dann wäre die Geräteentwicklung in verschiedenen Versionen mit Kommunikation über EtherNet/IP, PROFINET oder ähnlichen Protokollen auf eine jeweils eigene Hardware angewiesen – mit allen damit verbundenen Folgekosten. Alternativ dazu ließe sich die komplette Hardware in einer Geräteversion darstellen. Dies würde jedoch dazu führen, dass je nach Version einige Elemente der Hardware ungenutzt bleiben.

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