Kommunikation Ein Chip - viele Protokolle

Ein Chip für vernetzte Automatisierungsgeräte, der mehrere Echtzeit-Ethernet-Protokolle abarbeitet
Ein Chip für vernetzte Automatisierungsgeräte, der mehrere Echtzeit-Ethernet-Protokolle abarbeitet

In der Industriekommunikation hat sich Ethernet als Trägermedium für die Daten durchgesetzt. Für Echtzeit-Kommunikation gibt es aber nicht nur ein Ethernet, sondern eine ganze Auswahl. Mit der R-IN32M3-Familie bringt Renesas einen Chip für vernetzte Automatisierungsgeräte auf den Markt, der mehrere Echtzeit-Ethernet-Protokolle in Hardware abarbeitet.

Die Kommunikation im Bereich der Industrie- und Fertigungsautomatisierung wächst weiterhin schnell, da die Hersteller den Funktionsumfang, die Effizienz und die Flexibilität ihrer Systeme und ihrer Infrastruktur stets weiter verbessern. Moderne industrielle Anwendungen benötigen schnelle, deterministische Reaktionen in Echtzeit, geringe Stromaufnahme und eine leistungsfähige Kommunikation. Genau dafür wurden die hochintegrierten Bausteine der R-IN32M3-Familie entwickelt. Sie enthalten die Unterstützung für zahlreiche Industrial-Ethernet-Protokolle in Hardware, was nicht nur eine leistungsfähige, sondern auch eine stromsparende Datenkommunikation in der Fertigungslinie ermöglicht.

Netzwerk-Datenkommunikation in Echtzeit ist ein integraler Bestandteil vieler Industriesysteme, seien es Gateways, I/O-Controller, speicherprogrammierbare Steuerungen oder Industrieantriebe. Dabei kommen Standards wie EtherCAT, CC-Link/CC-Link IE, EtherNet/IP, Profinet, CANopen, DeviceNet und weitere Netzwerke zum Einsatz. Idealerweise sollten diese Standards mit nur einem einzigen Baustein oder einer einzigen Bausteinfamilie zu unterstützen sein. Der Betrieb jedes dieser Netzwerke erfordert typischerweise einen Protokoll-Stack, ein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS), Ethernet-Konnektivität und eventuell andere Netzwerktreiber sowie Schnittstellen zum Anwendungssystem. Auch wenn alle diese Netzwerk-Standards in der gleichen Anwendung nicht zwingend gleichzeitig genutzt werden, so spielt die Tatsache, ob sich die gesamte erforderliche Infrastruktur auf der gewählten Technologie unterstützen lässt, bei der Produktauswahl eine wichtige Rolle. Damit kann ein einziges Systemdesign unterschiedliche Netzwerke und Anwendungen abdecken.

Software braucht Strom

Konventionelle Systeme, in denen große Teile des Echtzeit-Betriebssystems und der Netzwerk-Kommunikation in Mid­dleware implementiert sind, benötigen zur Ausführung aller Steuerungs-, Kommunikations- und Anwendungs-Tasks einen hohen Rechenaufwand. Dies erfordert nicht nur leistungsfähige CPUs und große Mengen an Speicher, sondern auch Netzwerkoptimierungen für Industrial Ethernet. Sind diese Funktionen in Software (Middleware) implementiert, so kann sich das negativ auf die Systemleistung und Reaktionszeiten auswirken. Die Folge sind längere System-Latenzzeiten, Jitter zwischen Echtzeit-Task-Operationen sowie höhere Stromaufnahme aufgrund längerer Rechenzeiten. Die Hardware-Auswirkungen sind umso beträchtlicher, wenn viele der Protokollfunktionen und physikalischen Schnittstellen nicht in den Geräten integriert sind. Höhere Systemkosten ergeben sich zum einen oft dadurch, dass zum Erreichen der beabsichtigten Systemleistung leistungsfähigere CPUs eingesetzt werden müssen, und zum anderen durch die größere Fläche auf der Leiterplatte, um die gesamte benötigte Hardware unterzubringen. Die Herausforderung besteht darin, alle diese Funktionen zu integrieren und zu optimieren sowie zugleich Gesamt-Stromaufnahme und Systemkosten zu senken.

Ein Chip, der alles an Bord hat

Die eben erläuterten Anforderungen bestimmten den Rahmen für das Konzept der R-IN32M3-ICs. Das Produktdesign musste dabei drei wichtige Ziele erfüllen: ein Höchstmaß an Integration, Implementierung von zeitkritischen und verarbeitungsintensiven Tasks in Hardware sowie die Unterstützung aller wichtigen industriellen Ethernet-Standards. Die R-IN32M3-Familie wurde für den Einsatz in vernetzten Anwendungen konzipiert. Das können etwa kleine Steuerungen oder Slave-Netzwerk-Komponenten wie Remote-IOs, Sensoren, Umrichter, Roboter und Servos sein.

Um die Design-Ziele zu erreichen, basieren die R-IN32M3-Bausteine auf einem ARM-Cortex-M3-Kern mit 100 MHz Taktfrequenz, 1,3 MB internem SRAM und einer großen Auswahl an Standard-Peripheriefunktionen: einem seriellen Flash-Interface, UART, I²C und CSI, Timer, Watchdog-Funktionen, einem externen, parallelen Mikroprozessor-Interface und zahlreichen universellen I/O-Ports. Die On-Chip-Funktionen umfassen Hardware-Beschleuniger für das Echtzeit-Betriebssystem und Ethernet, einen GbE-Switch mit drei Ports sowie spezielle Netzwerk-Controller für CC-Link/CC-Link IE (Field Controller), EtherCAT (Slave Controller) und CANopen/DeviceNet nach ISO 11898. Die Bauteil-Variante R-IN32M3-EC enthält darüber hinaus noch zwei Ethernet-PHYs. Hervorzuheben sind die beiden Hardware-Beschleuniger, die dem Baustein eine herausragende Leistungsfähigkeit bei niedriger Stromaufnahme ermöglichen (Bild 1).

Aktuell sind zwei Bausteine mit dedizierten Hardware-Modulen erhältlich: der R-IN32M3-EC für EtherCAT sowie der R-IN32M3-CL für CC-Link IE. Ein auf dem Chip integrierter 3-Port-Switch ermöglicht zusätzlich den Betrieb von Software-gestützten Protokollen wie Profinet RT, EtherNet/IP oder Modbus TCP, wobei diese Implementierungen alle Vorteile der Hardware-Beschleuniger genießen können.