Neues beim IIoT-Gerätedesign umsetzen
Auf die Embedded-Schnittstellen kommt es an
Das IIoT stellt neue Anforderungen an Embedded-Schnittstellen in industriellen Steuerungen und Edge-Controllern. Embedded-Control- and Command-Schnittstellen (ECC) der nächsten Generation wie etwa I3C und I3C Basic sind also ein Schlüssel zum Erfolg zukünftiger IIoT-Geräte.
Entwickler von Endgeräten und Komponenten für den Einsatz im IIoT (Industrial Internet of Things) sind mit immer höheren Anforderungen an Datenbandbreite, niedrigen Stromverbrauch und Miniaturisierung konfrontiert. Um sie zu erfüllen, spielen die ECC-Schnittstellen eine Schlüsselrolle. Weil die bisherigen Schnittstellen den Herausforderungen oft nicht mehr gerecht werden, ist ein Übergang zu neueren Schnittstellen wie etwa I3C erforderlich (Improved Inter-Integrated Circuit, auch bekannt als SenseWire). Welche Vorteile bietet nun die I3C-Basic-Spezifikation als Teil der I3C-Spezifikation, und auf welche Leistungsparameter kommt es an?
Seit dem Aufbau der ersten Industriebetriebe um 1770 sind industrielle Fertigungsprozesse ständigen Weiterentwicklungen unterworfen. Dabei hilft die rasche Übernahme technischer Innovationen, mit den zunehmenden Anforderungen an eine immer höhere Effizienz, Produktivität und Produktqualität Schritt zu halten. Dieser Trend setzt sich heutzutage durch die Integration vernetzter IIoT-Lösungen in industrielle Prozesse fort und ist einer der wesentlichen Treiber für mehr Produktivität in prozessgesteuerten Fertigungsindustrien wie etwa der Automobil-, Chemie-, Elektronik-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie der pharmazeutischen Industrie.
Branchenanalysten zufolge wird der IIoT-Markt von 76,7 Mrd. Dollar im Jahr 2021 bis zum Jahr 2026 auf über 106,1 Mrd. Dollar wachsen - angetrieben von technischen Fortschritten bei Halbleitern und elektronischen Geräten, der verstärkten Nutzung von Cloud-Computing-Plattformen, der Entwicklung von 5G-Connectivity, Fortschritten in der Robotik sowie der Einführung von KI und Machine Learning.
ECC-Schnittstellen als Herzstück aller IIoT-Geräte
Alle Geräte im IIoT bestehen aus Mikrocontrollern, Sensoren, Aktoren, Kameras, Displays und anderen elektronischen Komponenten - vom hoch entwickelten Roboter in einer Fertigungslinie über intelligente Montagewerkzeuge und fahrerlose Transportsysteme bis hin zu einfachen Überwachungsgeräten, die den Zustand von Materialien in einer Supply Chain verfolgen. Dabei helfen integrierte ECC-Schnittstellen, die Komponenten miteinander zu verbinden, und stellen die grundlegende interne Connectivity zwischen Peripheriegeräten und den zugehörigen Host-Mikrocontrollern her.
Viele der heutigen IIoT-Geräte verwenden Schnittstellen wie I2C (Inter-Integrated Circuit), SPI (Serial Peripheral Interface) und UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), die sich in den vergangenen 30 Jahren zu den wichtigsten Schnittstellen im Toolkit der Embedded-Hardware-Ingenieure entwickelt haben. Diese Schnittstellen haben der Embedded-Elektronik-Industrie seit ihrer Einführung in den späten 70er- und frühen 80er-Jahren gute Dienste geleistet.
Angesichts der zahlreichen branchenspezifischen Weiterentwicklungen, sowohl im Bereich des IIoT als auch in der gesamten Elektronikindustrie, müssen diese Legacy-Schnittstellen allerdings ständig wachsenden Anforderungen gerecht werden:
- Höhere Datenbandbreiten – Der Gesamtbedarf an Datenbandbreite für ECC-Schnittstellen wächst durch das Zusammenspiel zweier Hauptfaktoren immer weiter: Zum einen steigt die Zahl der Sensoren, Aktoren und anderen peripheren Komponenten, die in IIoT-Geräte eingebaut werden. Heutige Geräte enthalten nicht nur wesentliche Komponenten für die Kernfunktion des Geräts, sondern zunehmend auch Zusatzkomponenten zur Überwachung der Leistung und der Umgebung des Geräts selbst sowie zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktionsweise und zur Fernverwaltung des Geräts. Zum anderen werden Sensoren und andere periphere Komponenten, die in IIoT-Geräte eingebaut werden, stetig weiterentwickelt und erzeugen wegen höherer Empfindlichkeit, Genauigkeit und Abtastraten deutlich größere Datenmengen.
- Notwendigkeit zur Miniaturisierung – Ein kompaktes Gerätedesign ist für viele IIoT-Geräte unerlässlich, besonders wenn sie nahtlos in einem bereits bestehenden industriellen Prozess untergebracht werden müssen. Bei IIoT-Geräten, die eine stetig wachsende Anzahl von Peripheriekomponenten enthalten, ist es notwendig, die von den ECC-Schnittstellen zwischen diesen Komponenten benötigten Drähte und Pins auf eine möglichst geringe Anzahl zu reduzieren.
- Verringerung des Stromverbrauchs – Eine wichtige Anforderung vieler IIoT-Geräte ist ein extrem niedriger Stromverbrauch, um einen autarken Betrieb mit einer Batterie oder einer anderen Energiequelle zu ermöglichen. Immer wichtiger wird, dass ECC-Schnittstellen nicht nur selbst energieeffizient, sondern auch „smart“ sind – das heißt, dass sie es den Teilsystemen innerhalb eines Geräts ermöglichen können, sich so effizient wie möglich ein- und auszuschalten, um den geringstmöglichen Stromverbrauch des Gesamtsystems zu erreichen.
Den Anforderungen an ECC-Schnittstellen im IIoT richtig begegnen
Um mit den wachsenden Anforderungen Schritt zu halten, müssen Entwickler neue ECC-Schnittstellen implementieren, die höhere Bandbreiten bieten, möglichst wenige Kabel und Pins verwenden, kaum Strom verbrauchen und es dem gesamten System ermöglichen, seinen Stromverbrauch zu minimieren. Im Gegensatz zu proprietären oder herstellerspezifischen Schnittstellen können Industriestandard-Schnittstellen helfen, diesen Herausforderungen zu begegnen, und bieten viele zusätzliche Vorteile. Dies hat sich in angrenzenden Branchen wie etwa bei Mobiltelefonen bewährt, wo Industrienormen für integrierte Kamera- und Display-Schnittstellen ähnliche Probleme gelöst haben.
Die dortige Nutzung von Standards hat zu Skaleneffekten bei Schnittstellen geführt, die Integrationskosten gesenkt und es Entwicklern ermöglicht, Engineering-Kosten über eine größere Anzahl von Komponenten zu amortisieren. Standardisierte Schnittstellen fördern auch die Verfügbarkeit von Unterstützungsleistungen wie Test- und Softwareressourcen von einem breiten Industriepartner-Ecosystem.
Durch die Nutzung von Standards lassen sich Technologien auch schneller verbessern, weil die Anbieter effizientere Wege zur Implementierung der Spezifikationen entwickeln, die dann in zukünftige Versionen integriert werden. Zudem können standardisierte Schnittstellen dank Abwärts- und Aufwärtskompatibilität auch die kontinuierliche Wartung und Aktualisierung von Produkten vereinfachen sowie durch die langfristige Unterstützung von Entwicklern den langfristigen Entwicklersupport fördern.
Vor allem aber entfällt durch die Nutzung von Standards der Aufwand für den Entwurf (oder die Auswahl) einer proprietären Schnittstelle, so dass sich die Entwickler auf Technologien konzentrieren können, die auf einer höheren Schicht im Protokoll-Stack angesiedelt sind und für eine Produktdifferenzierung sorgen, etwa Anwendungen, die mithilfe von Machine Learning und KI erweiterte Produktfunktionen bereitstellen.
I3C: Eine neue Generation von Standard-ECC-Schnittstellen
Die I3C-Schnittstellenspezifikation ist der Nachfolger von I2C und beschreibt eine kostengünstige, einfache und flexible Zweidrahtschnittstelle, mit der sich Sensoren, Aktoren, Steuerungen und einfache User-Interface-Komponenten an Host-Prozessoren anbinden lassen. Sie bietet Leistungs- und Pin-Count-Verbesserungen gegenüber I2C-, SPI- und UART-Implementierungen. MIPI I3C Basic bündelt die am häufigsten verwendeten I3C-Funktionen für Embedded-Entwickler und ist unter einer lizenzfreien Lizenzierungsumgebung für alle Implementierer verfügbar. Wichtig ist die Spezifikation vor allem für Ultra-Low-Power-Designs.
Angesichts der Anforderungen, die das IIoT stellt, wurde I3C mit folgenden Fähigkeiten entwickelt: Es
- unterstützt eine typische Datenrate von 10 Mbit/s mit Optionen für leistungsstärkere Modi mit hoher Datenrate, die Geschwindigkeiten von über 30 Mbit/s (für den Single-Lane-Modus) ermöglichen
- wird unter Verwendung von CMOS-E/A (Complementary Metal Oxide Semiconductor) mit einer Zweidrahtschnittstelle implementiert, um die Anzahl der Pins und Signalpfade zwischen den Komponenten zu minimieren
- unterstützt In-Band-Interrupts (IBIs), um den Bedarf an zusätzlichen physikalischen Verbindungen (Lanes) für Interrupt-Signale zu negieren
- verbraucht wenig Energie pro übertragenem Bit
- bietet stromsparende Hochgeschwindigkeits-Stapeldatenübertragungen und ermöglicht es den Komponenten, unregelmäßige Datenimpulse zu senden und dabei den Energieverbrauch zu minimieren
- umfasst einen „Schlafmodus“ und IBIs, die es Peripheriekomponenten ermöglichen, Host-Prozessoren nur bei Bedarf zu aktivieren, um den Stromverbrauch zu senken
- bietet synchrone und asynchrone Zeitstempel für höhere Genauigkeit von Anwendungen, die Signale verschiedener Sensoren verwenden
- ist abwärtskompatibel mit I2C und ermöglicht die gemischte Verwendung von I2C- und I3C-Komponenten innerhalb eines Geräts
- wird durch eine Standard-Konformitätstest-Suite ergänzt, die für Interoperabilität und Kompatibilität zwischen den Lösungen verschiedener Anbieter sorgt.
I3C wird von einer aktiven Industriearbeitsgruppe unterstützt, die die Spezifikation weiter verbessert und versucht, immer größere Pfadlängen zu entwickeln, den Stromverbrauch zu senken und die Anzahl der Pins für Implementierer weiter zu verringern.
Fazit
ECC-Schnittstellen sind wesentliche Bausteine in allen IIoT-Geräten. Weil IIoT-Geräte immer leistungsfähigere Funktionen integrieren, können bestehende ECC-Schnittstellen den Anforderungen der nächsten Generation von IoT-Geräten in Bezug auf Bandbreite, niedrigen Stromverbrauch und Miniaturisierung nicht mehr gerecht werden. Entwickler müssen diesen Herausforderungen begegnen, indem sie neuere Befehls- und Steuerungsschnittstellen implementieren. Die Übernahme von Industriestandards hilft ihnen nicht nur bei der Bewältigung dieser Herausforderungen, sondern bietet auch viele andere Vorteile wie Interoperabilität, Rückwärtskompatibilität und Kostensenkung. MIPI I3C ist ein Beispiel für einen von der Industrie unterstützten Standard der kommenden Generation von ECC-Schnittstellen, der den Herausforderungen zukünftiger IIoT-Geräte gerecht wird.
Tim McKee
ist Vorsitzender der MIPI I3C Working Group und Hardware-Ingenieur mit über zehn Jahren Erfahrung in der Halbleiterindustrie. Derzeit ist er Systemarchitekt bei Intel, wo er an der Entwicklung und Umsetzung von Standards für die Weiterentwicklung der Industrie arbeitet. Im Jahr 2020 wurde er zum Vorsitzenden der MIPI I3C Working Group (offiziell MIPI Sensors Working Group genannt) gewählt, wo er eine branchenübergreifende Gruppe von MIPI-Mitgliedern leitet, die die MIPI-I3C- und MIPI-I3C-Basic-Schnittstellenspezifikationen entwickeln und aktualisieren.
- Auf die Embedded-Schnittstellen kommt es an
- Interview mit Tim McKee zu den Schnittstellen I3C, I3C Basic, CSI und CSI-2
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