Industrial Ethernet - mehrere Protokolle für Maschinen durch FPGAs von Softing integrieren
Verschiedene Feldbusse für Maschinen erfordern zeitaufwändiges Engineering und zusätzliche Gateways. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) reduzieren deutlich den Aufwand für Maschinenbauer und Gerätehersteller, die verschiedenen Kommunikationsprotokolle zu unterstützen.
Das Problem: breites Know-how, Platzbedarf und Kosten
2. Oktober 2012 - Der wechselnde Einsatz von Industrial Ethernet-Feldbussen von Maschine zu Maschine erfordert in der Regel ein breites Know-how im Umgang mit den jeweiligen Controller-Chips der Protokolle und deren spezifischen Hard- und Softwareschnittstellen. Die Unterstützung individueller Kommunikationsmodule für die infrage kommenden Protokolle durch die Gerätehersteller erfordert Platz und verursacht Kosten, die eine Alternative vermeiden bzw. reduzieren kann.
Eine solche Alternative für Maschinenbauer und Komponentenanbieter besteht in einer embedded Lösung durch FPGAs. Diese embedded Lösung hat drei Hauptvorteile, nämlich
- der reduzierte Platzbedarf
- nur mehr eine einheitliche Softwareschnittstelle anstelle Protokoll-Vielfalt
- reduzierte Anzahl der Hardwarevarianten für die Protokolle.
Reduzierter Platzbedarf der FPGAs
Das FPGA bildet das Kommunikationsinterface und wird als gekapselte IP-Komponente in das Feldgerät integriert. Für verschiedene Kommunikationsprotokolle sind jetzt hardwaremäßig nur der Bustransceiver und die Verbindungstechnik individuell zu realisieren.
Nur mehr einheitliche Softwareschnittstelle statt Protokoll-Vielfalt
Im FPGA kommen ladbare IP-Cores zum Einsatz, die sowohl den Kommunikations-Controller, also die Hardware für den Buszugriff, als auch den Softwarestack für das Protokoll enthalten. Der Stack läuft auf einem Softcore-Prozessor, der ebenfalls ins FPGA geladen wird. FPGAs nutzen also eine Hardware- und eine Software-Komponente.
Für die Kapselung der jeweiligen Industrial Ethernet-Implementierung im FPGA verwendet Softing eine einheitliche, einfach zu nutzende und schlanke Software-Schnittstelle (Simple Device Application Interface).
Diese fasst alle unterstützten Protokolle für den Datenaustausch mit der Geräteanwendung zusammen, so dass darin protokollspezifische Programmteile überflüssig werden. Der Maschinenbauer bzw. der Gerätehersteller muss sich also nicht mit den Details der einzelnen Protokolle auseinandersetzen. In dieses Kommunikations-Interface lädt der Maschinenbauer bzw. der Geräteanbieter die Applikationsdaten, die jetzt vom gewählten Protokoll unabhängig geworden sind.
Damit steht für die Protokoll-Vielfalt eine einheitliche Softwareschnittstelle zur Verfügung, die eine Fokussierung auf die Applikation ermöglicht.
- Bild: Softing
Reduzierte Anzahl der Hardwarevarianten für die Protokolle
Da ein FPGA mit unterschiedlichen IP-Cores geladen werden kann, reduziert sich die Anzahl der Hardwarevarianten. Außerdem lassen sich zukünftige Erweiterungen wie die Unterstützung eines isochronen Protokolls jederzeit auch in bereits fertiggestellten Designs nachrüsten.
Der flexibelste Implementierungsansatz setzt auf zwei Prozessoren im FPGA auf (siehe Abbildung).
Der erste Prozessor übernimmt die Ausführung des Kommunikationsprotokolls, der zweite die Abarbeitung der Geräteanwendung. Alternativ kann die Geräteanwendung für weniger komplexe Feldgeräte auf demselben FPGA-Prozessor wie das Kommunikationsprotokoll angesiedelt werden.
Eine weitere Implementierungsoption schließlich verwendet das FPGA als Kommunikations-prozessor und nutzt einen separaten Mikroprozessor außerhalb des FPGA's für die Geräteanwendung.
Mehr Informationen zur flexiblen Integration von Industrial Ethernet-Protokollen in Feldgeräte.
Dipl.-Inform. Georg Süss
Product Marketing
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