Multi-Protokoll-Kommunikationsmodul: Allround-Lösung für Industrial Ethernet

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.