FPGAs Ein Baustein für alle Protokolle

Die FPGA-Technologie ermöglicht die flexible Realisierung von Industrial-Ethernet-Lösungen auf Basis verschiedener Realisierungsansätze.
Die FPGA-Technologie ermöglicht die flexible Realisierung von Industrial-Ethernet-Lösungen auf Basis verschiedener Realisierungsansätze.

Als Träger-Plattform für die Protokoll-Software in Automatisierungsgeräten haben FPGAs einen großen Vorteil gegenüber Mikroprozessoren, Mikrocontrollern und ASICs: Weil sie »field-programmable« sind, lassen sie sich flexibel mit entsprechenden Funktionen für jeden beliebigen Kommunikationsstandard versehen.

Frank Iwanitz, Senior Product Manager Industrial Ethernet bei Softing Industrial Automation, erläutert die technischen Einzelheiten und Hintergründe.

Markt&Technik: Softing nutzt FPGAs als Träger-Plattform für die Protokoll-Software in Automatisierungsgeräten. Wie muss man sich die Funktionsweise des FPGA-Bausteins als »Kommunikations-Schaltstelle« eines Automatisierungsgeräts technisch vorstellen?

Frank Iwanitz: Der FPGA bietet die Möglichkeiten eines programmierbaren Bausteins, der sich individuell an die jeweiligen Anforderungen anpassen lässt. Die Implementierung einer Industrial-Ethernet-Funktionalität erfolgt durch das Laden der zugehörigen IP-Core-Kombination. Diese setzt sich zusammen aus einem IP-Core, der die echtzeitkritischen Teile der Kommunikation übernimmt, und dem nicht echtzeitrelevanten Teil des Kommunikationsprotokolls, der auf demselben FPGA in einem Prozessor-IP-Core unter einem passenden Betriebssystem ausgeführt wird.


Für die Anbindung an die Anwendung ist die FPGA-Lösung flexibler als Ansätze auf Basis von Standard-Mikrocontrollern oder ASIC-Bausteinen. So kann die Anwendung im Prozessor-IP-Core des Protokoll-Stacks, in einem weiteren Prozessor-IP-Core des FPGA oder auf einem externen Prozessor ausgeführt werden. Hierfür stehen passende Hardware- und Software-Schnittstellen zur Verfügung.

Liefert Softing ein entsprechendes Board, auf dem der FPGA-Baustein installiert ist und das dann auf das Board des Automatisierungsgeräts aufgesteckt wird, oder wird der FPGA-Baustein direkt auf dem Board des Automatisierungsgeräts befestigt?

Die Kommunikationslösung von Softing unterstützt beide Realisierungsansätze. Einerseits bietet Softing mit dem Real-Time Ethernet Module (RTEM), einem universellen Modul zur Integration von Industrial Ethernet in Feldgeräte, eine sofort einsetzbare Komponente, die sich direkt in ein bestehendes Gerät integrieren lässt. Das RTEM hat den Vorteil, dass keine spezielle Hardware-Entwicklung nötig ist. Auf Wunsch passen wir das Modul aber auch an die jeweiligen Anforderungen der Kunden an, vor kurzem etwa für einen großen Pumpenhersteller.

Andererseits ist die Softing-Lösung aber auch in einem FPGA-Baustein nutzbar, der bereits auf dem Board des Automatisierungsgeräts vorhanden ist. Hier muss dann nur noch die passende IP-Core-Konfiguration geladen werden. Sie sehen also, dass der FPGA-Ansatz dem Gerätehersteller alle Freiheiten lässt.

Welche Vorteile haben Kommunikationslösungen auf FPGA-Basis gegenüber »klassischen« Lösungen mit Mikroprozessoren und Mikrocontrollern oder auch mit einem entsprechenden ASIC-Baustein?

Um die FPGA-Lösung zu bewerten, ist es sinnvoll, von den Anforderungen der Gerätehersteller auszugehen: Diese sind auf der Suche nach einer Lösung, die möglichst auf Standardkomponenten aufbaut und dabei die diversen Kommunikationsprotokolle mit einer einheitlichen Hardware abdeckt.

Mikroprozessoren und Mikrocontroller sind zwar Standardbausteine, decken aber nicht alle Funktionen eines Industrial-Ethernet-Geräts ab. EtherCAT-Slave- oder Profinet-IRT-Geräte etwa sind damit nicht realisierbar. Zudem gibt es keine Mikrocontroller mit integriertem Switch, was den Einsatz von Geräten in Linientopologien unmöglich macht. Für all diese Anwendungen ist Zusatz-Hardware erforderlich.

Bei ASIC-Bausteinen sieht die Situation etwas anders aus: Sie werden für bestimmte Einsatzfälle realisiert und speziell optimiert. Folglich sind auf dem Markt auch ASIC-Bausteine zur Realisierung von Industrial-Ethernet-Kommunikationslösungen verfügbar. Allerdings muss hier der ASIC-Hersteller alle Anpassungen an technische Änderungen oder spezielle Anforderungen durchführen, während der Anwender kaum Möglichkeiten zur Anpassung an geänderte Randbedingungen hat.

FPGAs dagegen sind programmierbare Standardbausteine, die von mehreren Herstellern für die unterschiedlichsten Einsatzfälle in hohen Stückzahlen gefertigt werden. Hierbei sind die Hersteller allein schon wegen des Wettbewerbs innovativ. Dies eröffnet dem Anwender die Chance, neue Funktionen in seine Lösung zu integrieren, wann immer er es für nötig hält. Außerdem zeichnet sich die FPGA-Lösung gegenüber dem Einsatz von Mikroprozessoren, Mikrocontrollern und auch ASICs durch ihre Flexibilität aus. Um eine kundenspezifische Lösung zu realisieren, lässt sich eine große Bandbreite bereits verfügbarer IP-Cores nutzen und miteinander kombinieren. Darüber hinaus kann der Anwender weitere IP-Cores gemäß seinen Anforderungen individuell entwickeln und in die Gesamtlösung einbinden.