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EtherCAT-Slave-Geräte entnehmen die für sie bestimmten Daten, während das Telegramm das Gerät durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in das Telegramm eingefügt. Die Telegramme werden dabei um nur wenige Nanosekunden verzögert. Da ein Ethernet-Frame sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung die Daten vieler Teilnehmer erreicht, steigt die Nutzdatenrate auf über 90% an. Dabei werden die Vollduplex-Eigenschaften von 100BASE-TX voll genutzt, so dass sich effektive Datenraten von fast 200 MBit/s erreichen lassen.

Zur Konfiguration und Diagnose der Teilnehmer kann mit Hilfe von azyklischer Kommunikation auf die für das Netzwerk zur Verfügung gestellten Variablen zugegriffen werden. Ein zuverlässiges Mailbox-Protokoll ist hierfür die Grundlage. Basierend auf diesem Mailbox-Kanal sind verschiedene Kommunikationsprofile für EtherCAT festgelegt:

Bildergalerie

• CAN application protocol over EtherCAT (CoE),

• Servo drive profile according to IEC 61800-7-204 (SoE),

• Ethernet over EtherCAT (EoE),

• Safety over EtherCAT (FSoE) und

• File Access over EtherCAT (FoE) für Firmware-Updates.

Bei XMC4300/4800-Mikrocontrollern basiert der EtherCAT IP-Core auf dem leistungsfähigen Beckhoff ET1100 mit acht FMMUs, acht SyncManagern und 8 KByte Prozessdaten-RAM. Damit können alle genannten Kommunikationsprotokolle parallel auf den XMC4300/XMC4800-MCUs laufen.

Einfache, platz- und kostensparende Implementierung

Gegenüber herkömmlichen Lösungen mit anderen Mikrocontrollern, FPGAs oder ASICs gestaltet sich die EtherCAT-Implementierung mit XMC4300/XCM4800 extrem einfach und dabei platz- beziehungsweise kostensparend. Zur Inbetriebnahme des EtherCAT Slave-Controllers werden keine zusätzlichen Bauteile wie externe Speicher und Quarztaktgeber benötigt.

Dank der hohen Integration mit umfangreichem Flashspeicher und Analog/Mixed-Signal-IP sparen Systemlösungen mit dem XMC4800/XMC4300 gegenüber anderen Mikrocontrollerbasierten Lösungen Leiterplattenfläche und Bauteilekosten. Auch ASIC- oder FPGA-Lösungen sind hinsichtlich Integration und Performance limitiert (Bild 2). Andererseits erfordern diskrete EtherCAT-Slave-Controller eine externe CPU, mit entsprechenden Einschränkungen.

Bei den Bausteinen XMC4300 und XMC4800 versorgt eine integrierte PLL die EtherCAT-IP mit dem nötigen 25-MHz-Takt. Code wird vom ARM Cortex-M4-Prozessor mit 144 MHz aus dem integrierten RAM- beziehungsweise Flash-Speicher ausgeführt. Dies reduziert die Stückliste im Endprodukt deutlich, was bereits merkliche Kostenersparnis mit sich bringt. Doch gerade beim externen Speicher fällt etwas ins Gewicht, was auf den ersten Blick nicht immer ersichtlich ist: die erschwerte Produktpflege über den gesamten Lebenszyklus hinweg.

Speicherhersteller optimieren ihre Technologie auf die PC- und Mobile-Computing-Industrie mit dem Effekt, dass ein Technologieknoten spätestens nach fünf Jahren veraltet ist und sich wirtschaftlich nicht mehr rechnet. Bausteinabkündigung ist die Folge. Das passt nicht in den Lebenszyklus von Industrieanlagen, in der Maschinenlaufzeiten von 15 Jahren und mehr die Regel sind.

Selbst bei den sogenannten „fit, form, function“-Programmen, in der Speicherbausteine in neuer Fertigungstechnologie der alten in Bauform und Funktion nachempfunden sind, ist man vor Datenblattänderungen und somit einer Requalifizierung nicht gefeit. Dem entgegnen alle Bausteine der Mikrocontroller-Familie XMC4000, einschließlich der in diesem Artikel näher beschriebenen Bausteine XMC4300 und XMC4800, mit einer garantierten Langzeitverfügbarkeit bis mindestens 2031.

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