Schnittstellenvielfalt einfach gelöst Mikroprozessor mit integrierten Schnittstellen

Durch die zunehmende Vernetzung in der Automatisierungstechnik müssen sich Hersteller und Zulieferer dieses Industriezweigs verstärkt mit der industriellen Kommunikationstechnik beschäftigen. Produkte müssen über entsprechende Schnittstellen verfügen, damit sie einfach und schnell in existierende oder neu zu projektierende Systeme eingesetzt werden können. Die generellen Anforderungen an sichere, schnelle und verzögerungsfreie Übertragung in der Automatisierung haben aber zu einer Vielzahl von Feldbuslösungen geführt. Serielle Schnittstellen als auch die bei modernen Systemen immer häufiger eingesetzten Ethernet-basierten Schnittstellen sind in verschiedenen Varianten quasi-standardisiert. Selbst wenn man sich auf die am meisten verwendeten Feldbusstandards bei den Geräteanforderungen konzentriert, steht der Entwickler oft vor der Aufgabe vier bis fünf verschiedene Standards implementieren zu müssen. Dabei kommt erschwerend hinzu, dass die meisten dieser Standards aufgrund der hohen Echtzeitanforderungen bisher oft nur mit zusätzlicher Hardware in Form von ASICs oder FPGAs implementiert werden können. Das erfordert dann entweder Lösungen mit vielen Varianten der Systemhardware oder ein modulares Konzept bestehend aus der System-Hardware und aufzusteckenden Interfacemodulen. Beides steigert die Kosten in nicht unerheblichem Maß und ist bei vielen einfachen und kostensensitiven Anwendungen kommerziell nur schwierig umzusetzen. Entwicklungsplattform vereint High-End-Prozessor mit Real-Time Ethernet Mit der Integrated Communication Engine (ICE) stellt Texas Instruments eine kostengünstige Entwicklungsplattform vor, die darauf abzielt, Multi-Protokoll fähige Schnittstellenmodule und Sensoren zu entwickeln (Bild 1). Das Modul verfügt über zwei RJ-45 Ethernet Schnittstellen, SPI, RS485 (PROFIBUS), CAN und UART. Optional kann eine parallele Schnittstelle über ein DPRAM implementiert werden. Neben einer 24V 8-Bit Eingangs- und 8-Bit Ausgangslogik steht noch ein Temperatursensor auf dem Modul bereit (Bild 2). Eine Verwendung als Sensorbaustein oder Interface-Gateway wird dann nur durch die jeweilige Applikations-Software festgelegt. Das gilt auch für das zum Einsatz kommende Real-Time Ethernet Protokoll. Durch Einspielen einer Firmware für das Kommunikationssubsystem wird der Feldbusstandard definiert. Dabei werden gängige Standards wie EtherCAT, PowerLink oder SERCOS III unterstützt. Anwender oder Partnerfirmen sind aber jederzeit in der Lage, eigene Protokolle auf sogenannten \’Programmable Real-time Units\‘ (PRU) zu implementieren. Ein PRU-Subsystem (PRUSS) besteht aus zwei PRUs und lokalen Peripherieeinheiten. Die Dokumentation zur PRU-Programmierung ist auf den entsprechenden Wiki-Informationsseiten im Internet zu finden [1]. Skalierbare Rechenleistung kombiniert mit industriellen Protokollen Das Herz des ICE bildet der Embedded-Prozessor AM3357 [2]. Dieser neue Baustein in 45nm Silizium-Technologie verfügt über einen 32-bit Cortex-A8 ARM-Prozessor. Auf diesem werden die Stacks der Protokolle sowie die eigentliche Applikation implementiert (Bild 3). Der Prozessor kommuniziert intern über Shared-RAM (200MHz Bus) und Interrupts mit dem PRUSS, auf dem die unteren Schichten der Real-Time Standards implementiert sind. Das PRUSS eignet sich mit seiner Architektur ganz besonders für die Abarbeitung von Real-time Daten im Mikrosekundenbereich. Es wird dabei jeweils das komplette PRUSS für ein bestimmtes Protokoll benötigt. Der ARM-Applikationsprozessor kann dagegen mit seinen maximalen Taktraten von 275-720MHz – je nach Bausteinvariante – für einen weiten Bereich von Applikationen eingesetzt werden. Dabei können verschiedene Betriebssysteme, wie Linux, Android oder WinCE zum Einsatz kommen, um Zugriff auf eine große Anzahl von fertiger Software zu erhalten. Wenn jedoch ausschließlich die schnelle Verarbeitung der Real-Time-Daten gefragt ist, kann man den ARM-Prozessor auch mit einem geeigneten Echtzeit-Betriebssystem nutzen. Dadurch ist die effektive Verarbeitung von Zykluszeiten der Kommunikationsschnittstelle bis in den 30µs Bereich möglich. Ein Betrieb des Bausteins in einem Quasi-Mikrocontroller Modus (ohne externes DRAM) reduziert in diesem Fall auch die externen Komponenten. Die intern verfügbaren 128kB RAM sind für einfache Sensoren oder Gateway-Funktionen oft ausreichend. Das PRUSS verfügt nochmals über einen eigenen internen Speicher für Programm und Daten. Komplette Programmierumgebung Die Softwareentwicklung für das ICE-Modul wird durch ein Industrial Automation Software-Development-Kit (IA-SDK) unterstützt. Im Gegensatz zum normalen SDK der AM335x Prozessorfamilie, das mit Linux Unterstützung aufwartet, wird bei der Industrial SDK Variante ein Sys/Bios 6 Real-Time Kernel gemeinsam mit Starterware verwendet. Sys/Bios ist ohne Lizenzkosten auf TI-Prozessoren einsetzbar. Starterware beinhaltet die Registerschnittstellen der AM335x Peripherieeinheiten als Softwarekomponenten. Viele Programmbeispiele zur Verwendung der Schnittstellen geben dem Programmierer einen schnellen Start bei der Entwicklung. Der PRUSS-Treiber für die industriellen Protokolle als auch die enthaltenen Protokoll­applikationen basieren auf den Software Schnittstellen (API) von Starterware und Sys/Bios und können auch einfach an andere Betriebssysteme angepasst werden (Bild 3). Die eigentliche Programmentwicklung für das System wird mithilfe der Code-Composer Studio 5 Entwicklungsumgebung durchgeführt. Diese auf Eclipse basierende IDE enthält einen Compiler für den ARM-Prozessor und Emulationsfunktionen für den auf ICE integrierten USB-Debugger. Damit ist lediglich ein USB Kabel zur Emulation notwendig. Optional kann eine Standard-JTAG-Schnittstelle mit 20 Pins verwendet werden. EtherCAT Slave als Beispielanwendung Eine der IA-SDK Applikationen ist der EtherCAT Slave. Dieser enthält alle Komponenten, die für den einfachen Aufbau eines Digital-I/O-Slaves nötig sind. Angefangen mit der PRU-Firmware für EtherCat und einem Stack, basierend auf dem Beckhoff Slave Sample Code, wird eine Ansteuerung der Digital-I/Os des ICE mithilfe der Prozessdaten implementiert. Nach dem Einspielen der mitgelieferten XML Device Description des Slave in ein EtherCAT Master System (z.B. TwinCAT) und dem Verbinden des Moduls mit dem Master über ein Ethernet Kabel, können die Ausgänge direkt von der PLC gesteuert werden. Weitere Funktionen wie z.B. eine Zustandskontrolle des Slaves vom Master aus oder eine Verwendung von EtherCAT-Daten-Mailboxen werden von der Applikation gezeigt oder können einfach hinzu programmiert werden. Ausblick Das PRU-Subsystem (PRUSS) wurde in einer einfachen Form bereits in einem ARM9 basierten Baustein mit Erfolg verwendet [3]. Langfristig ist das PRUSS in seiner jetzigen oder erweiterten Form in weiteren Derivaten der verschiedenen Texas Instruments Prozessor-Familien geplant. Dabei reicht das Spektrum von Cortex-M basierten Mikroprozessoren über Cortex-A9 bis hin zu Multi-Core Versionen zukünftiger ARM-Architekturen. Damit erhält der Anwender eine langfristig verfügbare und flexible industrielle, in Standardprozessoren integrierte Kommunikationsschnittstelle zu bisher unerreichten Konditionen. Links: [1] processors.wiki.ti.com [2] www.ti.com [3] www.ti.com