Solange das Rennen der Industrial-Ethernet-Protokolle noch nicht entschieden ist, müssen Gerätehersteller mehrere Protokolle mit ihren Geräten unterstützen. Die Konzepte, wie die einzelnen Protokolle das nicht-deterministische Ethernet echtzeitfähig machen, sind sehr unterschiedlich und setzen auf unterschiedliche Hardware-Lösungen. Während einige Protokolle mit Standard-Ethernet-Hardware auskommen, setzen andere spezielle Chips für den Bus-Zugriff voraus. Multiprotokoll-Lösung für unterschiedliche Standards Um die Vielzahl von Protokollen zu unterstützen, bietet eine Multiprotokoll-Lösung mehrere Vorteile: Die Hardware muss nur einmal entwickelt werden. Außerdem können weitere Protokolle anwendungsspezifisch kurzfristig implementiert werden. Das Referenz-Design der Firma port bietet dem Gerätehersteller die Möglichkeit, die Technologie flexibel in sein Produkt zu integrieren. Neben den Ethernet-basierenden Protokollen Ethernet Powerlink, Ethercat, Ethernet/IP, Profinet, Sercos III und Modbus TCP werden traditionelle CAN-basierte Feldbusse wie CANopen, J1939 und DeviceNet unterstützt. Einheitliche Hardware auf Basis der FPGA-Technologie Das Hardware-Design basiert auf der FPGA-Technologie. Es enthält neben den typischen Busschnittstellen – wie Ethernet-MAC- oder CAN-Controller – einen leistungsfähigen Prozessor zur Abwicklung der Kommunikation. Je nach Protokoll werden entsprechende IP-Cores im FPGA implementiert. Die Verbindung zur Gerätesoftware erfolgt über einen Dual-Ported RAM oder das serielle SPI-Protokoll. Durch die einheitliche Anwenderschnittstelle muss die Applikation nur einmal, anstatt für jedes Protokoll neu entwickelt werden. IEEE1588-Implementierung für harte Echtzeit Ethernet Powerlink überlagert Standard-Ethernet mit einem Polling- und Zeitscheibenverfahren. Dadurch werden Kollisionen ausgeschlossen. Der Einsatz eines MAC-Controllers, der neben den Standard-Funktionen Powerlink-spezifische Erweiterungen enthält, ermöglicht eine höhere Performance. Um eine einfache Linien-Verkabelung im Feld zu ermöglichen, bietet es sich an, ein Powerlink-Gerät mit einem integriertem Hub auszurüsten. Diese IP-Cores werden neben dem Prozessor, der den Powerlink-Protokoll-Stack ausführt, direkt im FPGA implementiert. Die Ethercat Technology Group (ETG) verfolgt bei Ethercat einen von Standard-Ethernet abweichenden Ansatz. Anstatt jeden Knoten im Netz separat zu bedienen, wird ein einzelnes Ethernet-Paket durch alle Knoten im Netz gesendet. Für den Einsatz von Ethercat ist der Ethercat-Slave-Controller (ESC)-IP-Core für FPGAs verfügbar, der den Standard-Ethernet-MAC-Controller ersetzt. Das CANopen-over-Ethercat-Protokoll wird von einem speziell für Ethercat angepassten Protokoll-Stack implementiert. Ethernet/IP basiert wie Powerlink auf Standard-Ethernet-Hardware und setzt im oberen Teil von OSI-Schicht vier an. Als Voraussetzung für eine Ethernet/IP-Implementierung wird ein TCP/IP-Stack benötigt. Die optionale Erweiterung für harte Echtzeit CIPsync setzt eine IEEE1588-Implementierung voraus, die in den FPGA integriert werden kann. Profinet nutzt in Version 2 zwei getrennte Kommunikationskanäle. Zur Übertragung zeitunkritischer Daten wird auch hier ein TCP/IP-Stack verwendet. Zeitkritische Daten werden über den zweiten Kanal, vorbei an OSI-Schicht drei und vier, übertragen. Taktsynchroner Datenaustausch ist in Version 3 der Profinet-Spezifikation definiert und wird als Isochronous-Real-Time (IRT) bezeichnet. Durch einen modifizierten Ethernet-Controller, der im FPGA implementiert werden kann, wird ein deterministisches Verhalten erreicht. Sercos III ist die dritte Generation der Sercos-Protokoll-Familie auf der Basis von Ethernet. Ähnlich wie bei Ethercat werden die Ethernet-Frames von den Knoten On-The-Fly verarbeitet. Für Sercos III wird ein spezieller ASIC oder IP-Core für die Bus-Anschaltung benötigt. Modbus TCP stellt eine weitere Übertragungsvariante für das bekannte Modbus-Protokoll dar, die auf Standard-Ethernet aufsetzt. Die bekannten Dienste und das Objektmodell wurden bei TCP/IP als Übertragungsmedium übernommen. Neben den Industrial Ethernet-Protokollen können mit dem Kommunikationsmodul CAN-basierte Protokolle wie z.B. CANopen, Devicenet und J1939 bedient werden. Dazu muss auf der Hardware lediglich ein CAN-Transceiver vorgesehen werden. Erweiterung der Hardware um weitere Protokolle möglich Mit FPGAs lassen sich flexible und leistungsfähige Geräte für Industrial Ethernet schaffen. Eine flexible Hardware und eine einheitliche Anwenderschnittstelle vereinfachen die Implementierung mehrerer Protokolle oder die spätere Erweiterung um ein weiteres Protokoll. Neben der Bus-Anbindung bietet ein FPGA zahlreiche Möglichkeiten: Geräte können um weitere Protokolle erweitert werden. Beispiele sind RS485-basierende oder Schnittstellen aus dem Consumer-Bereich wie USB. Das Modul bietet auch eine gute Basis für eine Gateway-Lösung zwischen dem modernen Ethernet und traditionellen Feldbussen. Alternative: StandardMikrocontroller-Technik Je nach Anforderung bietet sich auch eine Lösung ohne FPGA, also Standard-Mikrocontroller-Technik, an. Eine kostengünstige und dennoch schnelle Bus-Anbindung kann beispielsweise mit dem Mikrocontroller STR9 realisiert werden. MAC-Controller, RAM und Flash sind bereits integriert und können für die Protokolle Powerlink, Ethernet/IP, Profinet I/O und Modbus TCP sowie für alle CAN-basierenden Standards eingesetzt werden. Wenn Anwender nicht auf die Vorteile eines für Powerlink optimierten MAC-Controllers verzichten wollen, kann er auch standalone als Peripherie-Baustein für andere Prozessoren benutzt werden. Hier genügt ein kleinerer FPGA, in dem zusätzlich ein Hub untergebracht werden kann. Bild 5 zeigt die Kombination eines Cortex ARM STM32 mit einem Xilinx FPGA. Damit lassen sich alle auf Standard-Ethernet aufsetzende und CAN-basierende Protokolle realisieren.
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