Vom Konzept zur zertifizierten Lösung So gelingt die Feldbus-Integration in komplexen Embedded-Architekturen

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Die Integration von Feldbussen ist hochkomplex und bedeutet für Entwickler Expertise in Hardware, Software und Zertifizierung. Hilfreich sind ein strukturiertes Vorgehen, aber auch Designpartnerschaften.

Wer eine Feldbus-Schnittstelle in ein Embedded-System integriert, sieht sich einer Vielzahl technischer und organisatorischer Hürden gegenüber. So müssen beispielsweise auf Hardwareebene EMV-Robustheit, galvanische Trennung, stabile Spannungsversorgung und Temperaturfestigkeit gewährleistet sein. Bereits die Auswahl der passenden Kommunikationsprozessoren erfordert eine Abwägung zwischen Rechenleistung, Peripherie, Energiebedarf und Gehäusegröße.

Auch die Softwareseite ist anspruchsvoll. Echtzeitfähige Feldbusprotokolle wie Profinet verlangen deterministische Kommunikation mit strikten Zykluszeiten. Die Implementierung des Protokollstacks muss eng mit dem Betriebssystem und der Anwendungslogik verzahnt werden, während parallel dazu Diagnose, Alarmmanagement und Firmware-Updates zuverlässig funktionieren müssen. Hinzu kommen Interoperabilitätstests- und Zertifizierungsprozesse, die konsequentes Prüfen vom ersten Prototyp bis zur Serienreife erfordern. Dazu ist ein strukturiertes Vorgehen entscheidend.

Schritt für Schritt zur Profinet-fähigen Embedded-Elektronik

• 1. Anforderungsanalyse: Am Anfang steht eine präzise Definition der Zielparameter: Welche Prozessdaten sollen zyklisch übertragen werden, welche Update-Raten sind erforderlich und wie hoch darf die Kommunikationslatenz sein? Aus diesen Fragen leitet sich ab, welche Embedded-Hardwareplattform, welche Profinet-Variante und welche I/O-Konfiguration optimal sind. Ebenso wichtig ist die frühzeitige Berücksichtigung von Safety- und Zertifizierungsanforderungen, um spätere Designänderungen zu vermeiden.

• 2. Hardwareentwicklung: Im nächsten Schritt folgt das Hardware-Schaltungskonzept. Neben dem eigentlichen Kommunikationsprozessor müssen Feldbus-Transceiver, Spannungswandler und ESD-Schutzschaltungen integriert werden. Bei galvanischer Trennung sind zusätzliche Isolationstreiber und ein abgestimmtes Massekonzept Pflicht. Das Leiterplattendesign erfordert differenzielles Signal-Routing der Datenleitungen, konsequentes Impedanz-Matching und ein EMV-gerechtes PCB-Layout, um eine störungsfreie Datenübertragung zu gewährleisten.

• 3. Firmware-Architektur: Parallel beginnt die Firmware-Planung. Der gewählte Kommunikationsprozessor bringt in der Regel bewährte Feldbus -Protokollstacks mit, die über eine definierte API-Schnittstellein die Applikationssoftware eingebunden werden. Hier wird entschieden, ob ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) zum Einsatz kommt, um die strengen Profinet-Zykluszeiten komfortabel einzuhalten, oder ob ein schlankerer Ansatz genügt.

• 4. Integration des Profinet-Stacks: In dieser Phase werden Prozessdatenobjekte den zyklischen und azyklischen Kommunikationskanälen zugeordnet. Die gerätespezifischen Konfigurationsdateien – beispielsweise GSDML-Files oder EDS-Dateien – werden erstellt und getestet. Diagnose- und Alarmfunktionen werden implementiert, ebenso Mechanismen für sichere Firmware-Updates im Feld.

• 5. Validierung und Zertifizierung: Nach dem ersten Hardware-Bring-up auf dem Labortisch beginnt nun die Validierung. Mit standardisierten Testtools wird die Protokoll-Konformität überprüft, während Last- und EMV-Tests die Systemrobustheit sichern. Erst wenn das Gerät sowohl die offiziellen Profinet-Zertifizierungstests als auch die praxisnahen Feldtests besteht, ist es bereit für die Serienfertigung.

• 6. Produktionsvorbereitung: Abschließend gilt es, Testjigs für End-of-Line-Prüfungen zu entwickeln, Bootloader für sichere Firmware-Updates vorzubereiten und eine umfassende Dokumentation zu erstellen. So bleibt das Embedded-Produkt über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg wartbar.

Typische Stolperfallen in Profinet-Projekten

Viele Projekte scheitern nicht an der Theorie, sondern an Details: mal verursacht fehlendes Impedanz-Matching Reflexionen auf den Leitungen, mal ist Konfigurationsdatei nicht vollständig standardkonform oder aber die eingesetzte Firmware wurde nur unzureichend geprüft, was bei hoher Buslast Timing-Problemen nach sich zieht. Auch muss der Produktlebenszyklus von Embedded-Systemen im Auge behalten werden: Bauteilverfügbarkeit, Security-Patches und Firmwarepflege sind von Beginn an einzuplanen.

Um diese Herausforderungen in der Praxis zu bewältigen, greifen viele Unternehmen auf Entwicklungsdienstleister wie Burger Engineering zurück, die auf industrielle Kommunikation spezialisiert sind. Sie verfügen über langjährige Erfahrung in der Feldbus-Integration, insbesondere mit Profinet, und haben erprobte Vorgehensweisen entwickelt, um typische Stolperfallen im Projekt systematisch zu vermeiden. Sie begleiten im Idealfall die Entwicklung von Embedded-Produkten entlang der gesamten Kette – von der ersten Idee bis zum Serienprodukt.

Bereits in der Konzeptphase können Workshops helfen, Echtzeit- und Sicherheitsanforderungen zu klären und gemeinsam mit dem Entwicklungsteam die optimale Feldbus-Plattform zu bestimmen. Im Hardwarebereich übernimmt das externe Entwicklerteam dann Aufgaben wie die:

• Schaltplanentwicklung,

• Leiterplattenlayout mit besonderem Fokus auf EMV-Festigkeit,

• Fertigungstauglichkeit,

• Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, dass Bauteile langfristig verfügbar sind,

• Integration des ausgewählten (Profinet-) Stacks in das neue Embedded-Produkt und

• Implementierung von Diagnosefunktionen für Service und Wartung.

Für die anschließende Validierung des neuen Embedded-Produkts stellen viele Entwicklungsdienstleister automatisierte Testumgebungen bereit, um Interoperabilität, Dauerlast und Störfestigkeit zu prüfen. Und auch bei der offiziellen Zertifizierung unterstützt der Entwicklungsdienstleister das Projektteam, sodass der Übergang vom Prototyp zur Serienfertigung reibungslos verläuft.

Strategische Designpartnerschaften als Erfolgsfaktor

Einen besonderen Mehrwert für Entwicklungsprojekte bieten enge Designpartnerschaften zwischen Entwicklungsdienstleistern und einem oder mehreren Chipherstellern. Sie können Projekte deutlich beschleunigen, da Partner häufig einen besseren Zugang zu Support und technischem Know-how haben. So Burger Engineering bereits seit Jahren anerkannter Designpartner von Hilscher, einem Anbieter von Kommunikationsprozessoren.

Für das Entwicklerteam im Anwenderunternehmen bedeutet das:

• Schnellere Time-to-Market: Entwicklungsdienstleister können frühzeitig auf neue Bausteine und Referenzdesigns zugreifen.

• Optimale Stack-Integration: Projektteams nutzen interne Tools und Dokumentationen der Chip-Partner.

• Abgestimmte Zertifizierungsstrategien: Beschleunigte Konformität mit den jeweiligen Feldbus-Standards.

• Langfristige Produktpflege: Firmware-Updates und Security-Patches werden in enger Abstimmung bereitgestellt.

Insbesondere komplexe Projekte in hochverfügbaren oder sicherheitskritischen Embedded-Systemen lassen sich durch solche Partnerschaften zuverlässig realisieren. Unternehmen profitieren dabei von der Kombination aus tiefem Feldbus-Know-how, modernster Kommunikationsprozessor-Technologie und erprobter Umsetzungskompetenz. Ein klare Wettbewerbsvorteil gegenüber Einzelkämpfern in der Entwicklung.

Ein Fazit: Vom Konzept zur Serie

Die Implementierung einer Feldbus-Schnittstelle ist weit mehr als eine reine Hardwareaufgabe. Sie erfordert ein durchdachtes Zusammenspiel aus präziser Anforderungsanalyse, robustem Hardwaredesign, sauberer Firmware-Architektur, konsequenter Stack-Integration und umfassenden Test- und Zertifizierungsmaßnahmen.

Ein strukturiertes Vorgehen minimiert Risiken und beschleunigt die Markteinführung. Besonders Designpartnerschaften zwischen Entwicklungsdienstleistern und Chipherstellern schaffen zusätzlichen Mehrwert: Sie eröffnen den direkten Zugang zu aktueller Kommunikationsprozessor-Technologie, bringen tiefes Protokoll-Know-how ein und sichern eine praxisbewährte Entwicklungsumgebung.

So können auch komplexe Embedded-Systeme zuverlässig und zukunftssicher feldbusfähig gemacht werden – von der ersten Idee bis zur Serienreife und darüber hinaus. (heh)

* Wilhelm Adacker ist Software-Architekt und Jörg Klenke ist Mitglied der Geschäftsführung sowie Leiter des Projektmanagement-Office (PMO). Beide sind bei Burger Engineering tätig.

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