Erschienen am: 03.03.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 3 2017

netX meets STM32

Entwicklungsumgebung für industrielle IoT-Geräte

Das Netshield von Hilscher, in Kombination mit den Nucleo Evaluation Boards von STMicroelectronics, ist eine skalierbare und flexible Entwicklungsplattform für industriellen Automatisierungsanwendungen. Dabei übernimmt es die Kommunikationsaufgaben für alle gängigen Real-Time-Ethernet-Netzwerke, wie Profinet IRT, Ethernet/IP, Ethercat und andere. Neben Real-Time-Protokollen lassen sich auch Daten über IoT-Protokolle wie MQTT und OPC UA in die Cloud übertragen. Die Nucleo Evaluation Boards für ARM Cortex-M basierte Microcontroller der Firma ST stellen in dem Verbund die Plattform für verschiedenste Industrie-Applikationen dar.


Das Duo STM32 + netX ermöglicht nicht nur einen preiswerten Einstieg in die Entwicklung von IIoT-Geräten, es sorgt auch für eine echtzeitfähige Anbindung an die Automatisierungswelt mit all seinen Protokollen ohne dass ein Entwickler auf diesem Gebiet Spezial-Know-how haben muss.
Bild: Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH

Das Netshield-Modul von Hilscher ist mit einem netX 52 Asic Speicher, zwei RJ45 Buchsen und diverser Peripherie, die zum Betrieb benötigt wird, ausgestattet. Die Spannungsversorgung erfolgt über eine USB-Buchse, die auch als Services-Schnittstelle dient. Das Modul verfügt über einen Arduino Uno kompatiblen Steckverbinder, der die Verbindung zu diversen Nucleo-144- oder Nucleo-64-Boards der Firma ST ermöglicht. Deren ST-Zio-Konnektor beinhaltet als Untermenge nämlich auch die Arduino Uno Pin Definition. Passend zu den Derivaten der skalierbaren Microcontroller-Plattform STM32, welche ARM Cortex-M0+, M4, M7 CPUs, eine breite Palette an Speicherausbaustufen und Peripheriekombinationen bietet, wird eine Vielzahl an entsprechenden Nucleo Evaluation Boards angeboten. Dadurch kann Das Duo STM32 + netX beliebig in Performance, Ausstattung und Preis skaliert werden. Die Verbindung zwischen dem netX auf dem Netshield und dem STM32 des Nucleo Board ist durch eine SPI-Verbindung realisiert. Über ein einfaches Protokoll lassen sich Speicherbereiche im netX-Controller lesen und schreiben. Dabei ist der Datendurchsatz performant genug für die zyklischen IO-Daten, azyklischen Diagnosen und Parameterdaten. Über die azyklische Schnittstelle können neben den protokollspezifischen Daten auch weitere Funktionalitäten realisiert werden. So kann der Real-Time-Ethernet-Stack im netX, um TCP/IP basierte IoT-Stacks wie beispielweise einen OPC-UA-Server erweitert werden. Dadurch können quasi zeitgleich Real-Time-Daten über Profinet mit einer Siemens-Steuerung ausgetauscht und die Diagnosedaten über OPC UA an die Cloud gesendet werden. Mit diesem Ansatz lassen sich auf einfache Weise Industrie-4.0-fähige Feldgeräte entwickeln.

Kommunikation und Geschwindigkeit

Die Firmware für den Kommunikationsteil ist bereits fertig kompiliert und muss nur geladen werden. Diese beinhaltet den Real-Time-Kernel rcX, den Protokoll-Stack, als auch den Micro-Code durch den sich die verschiedensten Real-Time-Bussysteme abbilden lassen. Die Kommunikationslösungen von Hilscher zeichnen sich durch kurze Zykluszeiten bis 31,25µs und ein großes Funktionsspektrum aus. Zusätzlich werden die Protokoll-Stacks jährlich mindestens einmal zertifiziert, um zu gewährleisten immer auf dem neuesten Stand zu sein. Damit lassen sich alle im Markt spezifizierten Kommunikationsaufgaben realisieren.

Integration in die Tool Chain

Das Laden der Kommunikations-Firmware geschieht in der Regel über die USB-Schnittstelle, auf dem Netshield-Modul. Alternativ kann die Firmware auch über den STM32-Controller in den netX geladen werden. Die Netshield-Module sind bereits mit einem 2ndStageLoader vorgeladen, um so die verschiedenen Downloadquellen und ein Filesystem für die Firmware bereit zu stellen. Für das Laden über USB wird das kostenlose Download Tool Nethost, von Hilscher verwendet. Ist diese geladen kann der Protokoll-Stack mit kundenspezifischen Inhalten über die SPI-Schnittstelle konfiguriert werden. Der Treiber für die Host-Seite wurde bereits an die STM32-Familie angepasst und wird als eine STM32Cube Extension angeboten. Damit ist die Integration in Mikrocontroller-Projekte und die Nutzung in verschiedenen Tool Chains, wie der freien 'System Workbench' oder kommerzielle Alternativen von IAR oder Keil einfach zu bewerkstelligen. Die in der STM32Cube enthaltene, standardisierte cifX API ermöglicht über einfache Funktionsaufrufe den Austausch von IO-Daten, das Senden und Empfangen von azyklischen Messages, das Abfragen von Protokoll-Staties sowie das Updaten der Firmware. Auf dem STM32 Microcontroller wird dann die industrie Applikation entwickelt und über das Treiberpaket an die Kommunikation angebunden. Durch das große Produktportfolio von ST lassen sich damit Automatisierungsgeräte von einfachen IOs über Sensoren bis hin zu komplexen HMIs realisieren. Durch die offen gelegten Schaltpläne für das Netshield-Modul und die Nucleo-Boards lässt sich die eigene Hardware ohne großen Aufwand realisieren. Sowohl der netX als auch die STM32 lassen sich als einzelne Bausteine beziehen.

Preisbewusster Entwicklungseinstieg in IIoT

Die Kombination aus Nucleo-Board und Netshield stellt eine Entwicklungsplattform für Industrie-4.0-fähige Feldgeräte für unter 70E€bereit, im ersten Schritt lässt sich das Netshield für weniger als 50E bei Amazon bestellen. Später wird es auch über die Distributoren von ST bezugsfähig sein. Zu der Netshield-Hardware werden die Protokoll-Stacks Profinet, Ethernet/IP und Ethercat in einer limitierten Evaluierungs-Version kostenlos dazu geliefert. Diese können später durch unlimitierte Versionen getauscht werden.

Fazit

NetX und STM32 bilden die Lösung für ein großes Produktspektrum an industriellen Feldgeräten mit der Option für IoT oder Industrie-4.0-Erweiterungen. Das Entwicklungspaket bietet alle notwendigen Komponenten für einen schnellen und kostengünstigen Start in die Real-Time-Ethernet- und IoT-Welt. Die Embedded World Messe 2017 bietet die Möglichkeit, sich sowohl auf dem Stand von ST Microelectronics als auch auf dem Hilscher-Stand bei einer Live-Demo von der Leistungsfähigkeit des Paketes zu überzeugen und vom anwesenden Fachpersonal weitere Fragen beantworten zu lassen.