Vernetzungslösungen Single-Chip-Gateway für industrielle Anwendungen

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Internet of Things und Industrie 4.0 fordern von Herstellern, sich mit unterschiedlichen Kommunikationsstandards auseinanderzusetzen. Ein Lösungsansatz am Beispiel der Sitara-Mikroprozessoren.

Industrie- und Automatisierungsanlagen in jeglicher Form werden heutzutage nicht mehr als reine Insellösungen betrieben. Das steigende Interesse an den Bereichen „Internet of Things“ (IoT) und Industrie 4.0 fordert von jedem Hersteller industrieller Geräte eine intensive Beschäftigung mit dem Thema Vernetzung. In vielen Bereichen des Betriebs, aber auch in der Wartung, Instandhaltung und Überwachung von Maschinen sind vielfältige Kommunikationsmöglichkeiten gefragt.

Auf der Steuerungsebene werden dabei die bisherigen, meist seriellen Feldbusse, mehr und mehr durch Ethernet-basierte Kommunikationsstandards ersetzt. Speziell die gängigen Standards PROFINET, EtherCAT, POWERLINK und Ethernet/IP kommen hier häufig zum Einsatz. Die Vernetzung von Anlagen auf höheren Ebenen wird üblicherweise mit herkömmlichen Ethernet Netzwerken auf Basis der TCP/IP Protokolle implementiert. Gleichzeitig werden weitere neue universelle Protokolle zum Austausch von Daten auf allen Systemebenen definiert, wie beispielsweise OPC UA.

Damit dringt die Ethernet Kommunikation in immer tiefere Schichten der Anlagentechnik vor und vernetzt diese übergeordnet. Aber wie implementiert man nun die verschiedenen Techniken auf effiziente Weise und wie bringt man sie miteinander sinnvoll in Verbindung?

Mit der Bausteinfamilie AM335x basierend auf ARM Cortex-A8 Rechnerkernen hat Texas Instruments begonnen die Implementierung der industriellen Feldbusse in ein System-on-Chip zu integrieren. Dabei werden die verschiedenen industriellen Kommunikationsprotokolle mit Hilfe von sogenannten Industrial Communication SubSystems (ICSS) implementiert.

Ein solches ICSS verfügt über 2 eigenständige Rechenkerne, sowie die notwendige Interface Hardware wie UART und MII Schnittstellen. Damit können sowohl serielle Feldbusse (PROFIBUS, MODBUS) als auch Ethernet-basierende Real-time Protokolle (EtherCAT, PROFINET, PowerLink, SERCOS III, Ethernet/IP) verwirklicht werden.

Die darauffolgende Generation AM437x verwendet einen ARM Cortex-A9 Rechenkern und ein weiteres ICSS Subsystem, das für die Implementierung von Motor Encoder Protokollen (EnDAT 2.2, BiSS, Hyperface DSL) geeignet ist. Die kürzlich vorgestellte AM57xx-Familie bietet eine deutliche Leistungssteigerung sowie eine wesentliche Erweiterung der Kommunikationsfähigkeiten des SoC (System-on-Chip) und bietet sich damit für neue Gatewaytechnologien an.

AM571x und AM572x Embedded Prozessoren

Die neue Bausteinfamilie ist in zwei wesentlichen Ausführungen verfügbar. Beide setzen ARM Cortex-A15 Kerne mit Geschwindigkeiten bis zu 1.5GHz als Hauptrecheneinheiten ein (siehe Blockdiagramm). Dabei ist die AM572x-Reihe mit einer Dual-Core-Funktion versehen. Die Bausteine verfügen des Weiteren über 1 oder 2 DSPs der TI-C66-Reihe und 4 ARM-Cortex-M4-Kerne. Die vielfältigen Schnittstellen bestehen aus PCIe, USB 3.0/2.0, UART, SPI, I2C und CAN. Meist sind mehrere Instanzen der jeweiligen Schnittstellen möglich.

Im hier wichtigen Bereich der Ethernet Kommunikation wurde durch eine Verdopplung der ICSS Systeme (also jetzt zwei mit 4 PRU Kernen und 4 MII Schnittstellen) eine völlig neue Gerätearchitektur implementierbar. Es ist jetzt möglich 2 Slave/Device Schnittstellen oder eine Mischung aus Master/Controller und Slave auf einem SoC zu verwirklichen. Damit sind alle Arten von Gateways denkbar. Durch die Festlegung des Protokolls in der Software ist eine einzige Hardware fähig, eine Vielzahl von Geräten zu ermöglichen.

Gleichzeitig wurde ein Gbit-fähiger Switch direkt auf dem SoC realisiert. Dieser Standard-Ethernet 2-Port-Switch kann neben den industriellen Protokollen zusätzlich für die schnelle Ethernetkommunikation mit höheren Ebenen in der Systemhierarchie genutzt werden.

Die Verfügbarkeit all dieser Kommunikationsfunktionen auf einem einzigen SoC vereinfacht die Verbindung der einzelnen Datenströme und deren Synchronisation im Einsatz wesentlich. Gleichzeitig werden Latenzen, die oft durch externe Schnittstellenverbindungen entstehen eliminiert. Die Integration der Protokollstacks kann aufgrund der hohen Rechenleistung der Cortex-A15-Prozessoren auf einem einzigen Kern geschehen. Es ist aber auch eine Verteilung der Stacks auf die vorhandenen DSPs oder M4-Kerne denkbar, um eine Entkopplung von Softwareprozessen zu erreichen.

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