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Prozessormodul spricht Feldbus

Wenn ein geringer Energieverbrauch gewünscht wird
Prozessormodul spricht Feldbus

Das Embedded-Prozessormodul nanoRisc-AM335x basiert auf dem ARM-Prozessor AM335x von Texas Instruments, der als Cortex-A8-CPU zwischen 300 und 800 MHz getaktet ist und mit vielfältigen Echtzeitmerkmalen aufwartet. Neben DRAM und Flash verfügt das Modul über eine Realtime-Unit, die das Modul befähigt, einige der populärsten Feldbusse zu unterstützen und das resultierende Embedded-System um einen Feldbus-Knoten zu erweitern.

Peter Eckelmann ist Produkt Marketing Manager bei der MSC Vertriebs GmbH in München

Das Modul MSC-nanoRisc-AM335X entstammt der vor einigen Jahren eingeführten nanoRisc-Familie von Embedded-Modulen, die sich durch kompakten Aufbau, Kosteneffizienz und die Verfügbarkeit wichtiger Schnittstellen wie Ethernet, USB, CAN, UART, SPI, I2C sowie Audio und parallele Schnittstellen wie GPIO (General Purpose Input/Output) und Local Bus auszeichnen. Dazu kommen etliche Timer-, Counter- und PWM-Ausgänge. Als Option gibt es bei dem Modul nun die Möglichkeit, das Netzwerk-Interface mit Gigabit-Geschwindigkeit zu betreiben oder eine zweite 10/100-LAN-Schnittstelle auszunutzen.
Mit diesem Prozessormodul vervollständigt MSC seine nanoRisc-Produktfamilie, die bereits Module mit Cortex-A8-Prozessoren bis zu 1 GHz umfasst und nach unten durch ein Modul mit ARM9-Prozessor bei 400 MHz abgerundet wird. Alle Module bieten auf der Platine verlöteten Arbeitsspeicher und sogar NAND-Flash als Programm- und Datenspeicher, sodass resultierende Systeme kompakt ausgeführt werden können. Auf Kühlung kann wegen der geringen Verlustleistung von 1,5 bis 2,5 W im Regelfall verzichtet werden. Das neue Modul kommt als Einstiegsvariante mit 300 MHz und reicht bis zu 800 MHz Takt, der demnächst sogar auf 1 GHz erhöht wird.
Dem Prozessormodul liegt die Prozessorfamilie Sitara AM335x von Texas Instruments zugrunde, die aus sechs verschiedenen ARM-Cortex-A8 Prozessoren besteht und spezielle Peripherie auf dem Chip hat, mit der sich die CPU fast nahtlos in das Umfeld der nanoRisc-Schnittstellen des Moduls einfügt und darüber hinaus auch noch befähigt wird, Grafikdarstellung zu beschleunigen und industrielle Schnittstellen wie Profibus, Profinet, Ethernet Powerlink, Sercos III, Ethercat und Ethernet/IP zu realisieren. Als Feldbus-Controller fungieren bis zu zwei programmierbare Echtzeit-Subsysteme (PRU = Programmable Realtime Unit) der zweiten Generation, die es erlauben, vielfältige Schnittstellenprotokolle und Echtzeit-Anwendungen zu realisieren. Texas Instruments bietet hierfür bereits fertige Software-Stacks für typische Industrieschnittstellen an.
Profibus
Bis heute gibt es mehr als 35 Mio. installierte Profibus-Knoten, die als Sensoren, Aktuatoren oder Netzwerkkomponenten mit einem Controller verbunden sind. Mehrere Knoten können über eine einzige Verbindung miteinander verbunden sein. Als elektrische Basis der Schnittstelle wird meist RS485 verwendet. Der Data Link Layer basiert auf Master-Slave-Kommunikation, während der Application Layer Botschaften zwischen den Profibus-Knoten austauscht. Nur der Master darf eine Übertragung starten, während die Slave-Knoten ausschließlich auf Botschaften mit ihrer jeweiligen Knotenadresse reagieren.
Der Profibus-Echtzeitcontroller (FDL = Fieldbus Data Link) wird komplett in der PRU des AM335x realisiert, während für die Profibus-Datenübertragung und Frame Validation der ARM-Prozessor herangezogen wird, auf dem ein Profibus-Stack ausgeführt wird. Die PRU kommuniziert mit der ARM-CPU über Interrupts. Eine der zwei PRUs steuert den UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), der für Profibus-Datenübertragung bei bis zu 12 Mbaud betrieben werden kann. Ein passender RS485-Transmitter auf dem Basisboard, das das nanoRisc-Modul trägt, rundet die Profibus-Anwendung ab.
Der Profibus-Slave-Software-Stack ist als Evaluationspaket kostenlos bei TI verfügbar. Er ist bereits vom Profibus-Konsortium geprüft und freigegeben worden. Für die Serienanwendung wird eine einmalige Lizenzgebühr an den Eigentümer fällig. Es gibt aber auch die Möglichkeit, mit dem AM3359-Prozessor eine Master-Anwendung aufzusetzen.
Ethercat
Ethercat ist ein Standard für Echtzeit-Ethernet in der industriellen Automation. Weltweit sind mehr als 1900 Firmen Mitglied in der Ethercat Technology Group (ETG) und bieten kompatible Produkte an. Mit Ethercat bekommt Ethernet deterministisches Echtzeit-Verhalten und Effizienz auch für kleinere Datenpakete, wahrt aber doch die Kompatibilität zur Ethernet-Spezifikation.
In Ethercat-Netzwerken verfügen die Knoten immer über zwei Netzwerk-Schnittstellen, da sie Datentelegramme vom Master erhalten und evtl. Antwortdaten in den Frame einfügen, bevor sie ihn über die zweite Schnittstelle weiterreichen. Netzwerke haben also immer eine Ringstruktur, deren nutzbare Bandbreite bei fast 90 % des theoretischen Limits liegt. Datentelegramme bestehen aus einem Kopf, Daten und einem Zähler, der vom Knoten inkrementiert wird, um dem Master die Verarbeitung anzuzeigen. Mittels Zeitstempel synchronisieren sich die Knoten des Netzwerks, was zu einer Zeitgenauigkeit im Netzwerk von mindestens 1 µs führt.
Zur Implementierung von Ethercat-Funktionalität verlegt der AM335X-Prozessor den gesamten MAC-Layer in die Firmware des PRU-Subsystems. Hier werden die Adressen der Telegramme decodiert und die Kommandos bei Übereinstimmung ausgeführt. Mittels Interrupt wird eine evtl. notwendige Kommunikation mit dem ARM-Prozessor angestoßen, der den Ethercat-Stack (Layer 7) und die industrielle Applikation ausführt. Auch die Weitergabe des Frames an die nachfolgende Stelle über die zweite Netzwerkschnittstelle wird von der PRU übernommen. Daher bleibt der ARM-CPU der größte Teil ihrer Rechenleistung für die Anwendungsprogramme zur Verfügung. Das nanoRisc-AM335x-Modul ist optional in einer Version mit zwei 10/100-GBit-Schnittstellen verfügbar, sodass diese Hardware-Anforderungen damit abgedeckt werden können.
Profinet, Ethernet Powerlink, Sercos III und Ethernet/IP
Profinet ist ähnlich wie Ethercat aufgebaut, benötigt allerdings nur eine Ethernet-Schnittstelle. Auch hier trägt die PRU zur autonomen Bearbeitung des Netzwerk-Stacks bei und entlastet damit die RISC-CPU. In ähnlicher Weise lassen sich die weiteren genannten Feldbusse mit den vorhandenen Mitteln des Moduls realisieren. Die Hardware ist in den meisten Fällen bereits vorhanden und muss lediglich auf dem Basisboard über geeignete Transceiver oder ähnliche Anpassungen ergänzt werden. Im Einzelfall sind Modifikationen des Prozessormoduls durch MSC notwendig, die die allgemeine Funktionenvielfalt teilweise einschränken können. Doch wiegt der Gewinn durch die geringere Komplexität und schnellere Realisierung diesen Aufwand bei weitem auf. In jedem Fall ist die Firmware für die PRU des AM335x-Prozessors komplett und getestet von Texas Instruments zu beziehen.
Modularer Ansatz
Beim Einsatz der nanoRisc-Prozessormodule nutzt der Anwender den Vorteil, ein lauffähiges Modul mit dem gewünschten 32-Bit-Mikrocontroller zu erhalten, das zusammen mit Boot-Loader und Board-Support-Package geliefert wird und unmittelbar einsatzbereit ist.

INFO-TIPP
Dem Prozessormodul liegt die Prozessorfamilie Sitara AM335x von Texas Instruments zugrunde. Informationen dazu bietet die Seite:

PRAXIS PLUS
Die nanoRISC-Modulfamilie stellt eine sinnvolle Vielfalt an typischen Embedded-Schnittstellen zur Verfügung und bietet eine vernünftige Balance zwischen Pin-Anzahl und mechanischen Abmessungen, Robustheit und Kosten. Der 230-polige MXM-Konnektor wird bereits seit langer Zeit als Erweiterungssockel für Grafikkarten in Notebooks verwendet und liegt inzwischen auch in einer Automotive-Spezifikation vor. Auch Qseven-Module verwenden diesen Stecker, jedoch mit einer grundverschiedenen Steckerbelegung. Die Abmessungen der Module betragen 70 x 50 mm, während Qseven bei 70 x 70 mm liegt.
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