13.05.2016

Vorteile der Feldgeräteimplementierung mit FPGAs

FPGAs ermöglichen die Implementierung eines vollfunktionsfähigen Industrial-Ethernet-Feldgeräts. Im Gegensatz zu Alternativen wie ASICs oder einem Standardprozessor bieten sie außerdem einige Vorteile. Der dritte Teil der Artikelserie geht unter anderem auf die einheitliche Anwendungsprogrammierschnittstelle, die schlanke Implementierung der API sowie Evaluation Kits mit umfassender Entwicklungsumgebung ein.

Autor: Georg Süss, Product Marketing, Softing Industrial Automation GmbH


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Bild: Softing Industrial Automation GmbH

Für die Implementierung von Industrial-Ethernet-Feldgeräten auf FPGA-Basis stehen dem Gerätehersteller verschiedene Hardware-Optionen zur Auswahl. Zum einen hat er die Möglichkeit, ein Embedded-Communication-Modul einzusetzen, das die benötigte Hardware und Software für das Industrial-Ethernet-Subsystem bereitstellt und als 'Huckepack'-Karte in die Ziel-Hardware integriert wird. Zum anderen kann er eine kundenspezifisch entwickelte FPGA-Hardware nutzen, die die Funktionalität des Industrial-Ethernet-Feldgeräts sowie alle herstellerspezifischen Funktionen auf kostengünstige Weise miteinander vereint.

Einheitliche Anwendungsprogrammierschnittstelle

Der nächste Schritt nach dem Definieren der FPGA-Plattform als generelle Hardware-Plattform besteht darin, eine einheitliche Schnittstelle zur Programmierung der Anwendungen für die verschiedenen unterstützten Industrial-Ethernet-Protokolle zur Verfügung zu stellen. Dann folgt die Analyse der einzelnen Protokolle. Trotz der Unterschiede zwischen den einzelnen Protokollen werden hierbei auch Ähnlichkeiten hinsichtlich des Zugriffs auf die Protokolle ermittelt. Die Ähnlichkeiten bilden schließlich die Grundlage für die Implementierung einer einheitlichen Anwendungsprogrammierschnittstelle, die sich für die gesamte Palette der unterstützten Industrial-Ethernet-Protokolle verwenden lässt. Aus diesem Grund sind innerhalb der Anwendung nur geringe Änderungen der Implementierung bei der Initialisierung notwendig, wenn die Migration von einem Industrial-Ethernet-Protokoll zu einem anderen erfolgt. Die Anwendungsprogrammierschnittstelle wird so implementiert, dass sie unabhängig von der verwendeten Hardware und vom Betriebssystem bleibt und eine Portierung möglich ist. Das Ergebnis ist eine flexible Schnittstellenbibliothek, die sich bei allen Arten von Feldgeräteplattformen einsetzen lässt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass eine schlanke Implementierung der API möglich ist. Daher sind nur wenige, protokollunabhängige Aufrufe notwendig, um die Industrial-Ethernet-Kommunikation zu starten, durchzuführen und zu beenden.

Erforderliche FPGA-Ressourcen

Die für die Implementierung eines Industrial-Ethernet-Feldgeräts erforderliche Größe des FPGAs orientiert sich an der jeweils zu unterstützenden Funktionalität. Dabei definieren und benötigen die verschiedenen Industrial-Ethernet-Protokolle nicht denselben Funktionsumfang. So unterstützen z.B. einige Protokolle erweiterte Diagnosefunktionen, die folglich bei ihrer Implementierung auch zusätzliche Ressourcen erfordern. Anhand der implementierten Funktionen und Fähigkeiten lassen sich die benötigten Ressourcen ermitteln und die passende FPGA-Größe bestimmen. Der FPGA verbindet hierbei das Industrial-Ethernet-Subsystem mit dem Anwendungs-Subsystem. Im Allgemeinen besteht die Industrial-Ethernet-Implementierung nicht nur aus dem jeweiligen Industrial-Ethernet-Protokoll-Stack, sondern umfasst auch weitere IP-Cores. Der Ressourcenverbrauch dieser zusätzlichen IP-Cores ist Tabelle 1 zu entnehmen. Einer der zusätzlichen IP-Cores ist ein DDR-RAM-Soft-IP-Core. Die dem Soft-IP-Core zugeordneten Ressourcen werden nicht benötigt, wenn ein Hard-IP-Core oder ein anderer Speichertyp als DDR RAM verwendet wird. Außerdem hängt der Ressourcenverbrauch des Anwendungs-Subsystems vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Tabelle 2 zeigt den Ressourcenverbrauch des gesamten Industrial-Ethernet-FPGA-Designs einschließlich der in Tabelle 1 genannten Ressourcen, den Ressourcenverbrauch des Industrial-Ethernet-Subsystems sowie den Ressourcenverbrauch des jeweiligen Industrial-Ethernet-IP-Cores. Je nach implementiertem Industrial-Ethernet-Protokoll besteht der Industrial-Ethernet-IP-Core aus folgenden Komponenten:

  • • Ethercat-Slave-Controller (für Ethercat)
  • • Hub (für Ethernet Powerlink)
  • • Switch ohne IRT-Unterstützung (für Profinet RT, Ethernet/IP und Modbus TCP)
  • • Switch mit IRT-Unterstützung (für Profinet IRT)

Implementierung und Evaluation

Durch das Implementieren von spezifischer Ethernet-Hardware auf der Basis von FPGAs erhalten Gerätehersteller zusätzliche, individuelle Funktionen. Gemäß dem Konzept One Ethernet kann ein separater interner Ethernet-Port bereitgestellt werden, der die Ausführung von zusätzlichen Ethernet-Services ermöglicht, die über den Funktionsumfang des spezifischen Industrial-Ethernet-Protokolls hinausgehen. Darunter fallen z.B. IT-Services innerhalb des Feldgeräts, die sich parallel zur reinen Industrial-Ethernet-Kommunikation ausführen lassen. Dieser Kanal dient z.B. dazu, die Firmware des Feldgeräts zu aktualisieren oder auf einen Web-Server zuzugreifen, der der Geräteparametrierung dient. Evaluation Kits sind sowohl bei der Integration des Industrial-Ethernet-Subsystems in das Feldgerät als auch bei der Entwicklung der im FPGA ausgeführten Geräteanwendung hilfreich. Typischerweise sind geeignete Evaluation Kits beim Hersteller des FPGAs erhältlich. Sie umfassen eine Entwicklungsumgebung mit vollem Funktionsumfang, wobei der Schwerpunkt auf den spezifischen Funktionen des verwendeten FPGAs liegt.

Fazit

FPGA ermöglicht die Implementierung eines voll funktionsfähigen Industrial-Ethernet-Feldgeräts und bietet gleichzeitig eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer herkömmlichen geschlossenen Implementierung. Diese Vorteile stellt Tabelle 3 zusammenfassend dar, indem sie die verschiedenen Implementierungsansätze für ein Industrial-Ethernet-Feldgerät in Bezug auf verschiedene Aspekte gegenübergestellt. Die Übersicht bezieht sich auf den Einsatz eines FPGAs im Vergleich zu einem ASIC oder einem Standardprozessor. Die FPGA-basierte Hardware-Plattform, die im Rahmen der Implementierung eines Industrial-Ethernet-Feldgeräts entwickelt wurde, zeichnet sich durch eine weitere Fähigkeit aus. Durch das Nutzen einer universell anpassbaren Hardware-Architektur bietet dieser Lösungsansatz eine Plattform, die mehrere Kommunikationsprotokolle unterstützt.

Tipp: Whitepaper 'Industrial Ethernet flexibel implementieren mit FPGA'

In einem White Paper zum Thema 'Industrial Ethernet flexibel implementieren mit FPGA' bietet Softing einen detaillierten Überblick über die Aspekte, die bei der Implementierung eines Industrial-Ethernet-Feldgeräts auf der Basis von FPGA zu beachten sind, und analysiert die Vorteile dieser Lösung im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen. Außerdem werden die Aspekte angesprochen, die hinsichtlich der Verwendung von FPGAs bei der Implementierung individueller Industrial-Ethernet-Protokolle relevant sind. Das detaillierte Whitepaper steht kostenlos zum Download auf der Hompage von Softing zur Verfügung.

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