EtherCAT-Geräte implementieren EtherCAT mit Cortex-M4

Integrierter Beckhoff-Controller

Wichtig bei der Beurteilung einer EtherCAT-Lösung ist auch die zugrunde liegende EtherCAT-IP. XMC4300 und 4800 nutzen den Beckhoff ET1100 mit allen integrierten System-Features. Dazu gehören acht FMMUs (Fieldbus Memory Management Units), acht SyncManager, 8 KB Daten-RAM und Distributed Clocks (64 bit). Im Vergleich dazu basieren andere Lösungen beispielsweise auf dem ET1200, der nur eine Untermenge des ET1100 darstellt, mit drei FMMUs, vier SyncManager und 4 KB Daten-RAM. Dies hat Auswirkungen auf die Systemressourcen, wobei nicht alle der oben genannten EtherCAT-Protokolle (CoE, FoE, FSoe und EoE) parallel laufen können. Zusätzlich zum EtherCAT Slave Controller bieten XMC4300 und XMC4800 eine Vielzahl an Peripherie-Einheiten, wie die Blockdiagramme (Bilder 3 und 4) zeigen.

Der XMC4800 verfügt über umfangreiche Systemressourcen, die neben der EtherCAT-Kommunikation auch die Implementierung der Ansteuerung für leistungsfähige Aktorik bzw. Sensorik ermöglichen. So lässt sich neben EtherCAT auch die Ansteuerung von zwei Motoren inklusive Positionserfassung (POSIF Interface) implementieren.

Der XMC4300 macht keine Abstriche bezüglich EtherCAT, bedient jedoch einfachere Aktoren/Sensoren wie I/O-Module. Neben dem bereits erwähnten ARM-Cortex-M4-Prozessor, dem Flash-Speicher mit 256 KB und einem RAM-Speicher mit 128 KB konzentriert sich der XMC4300 vor allem auf Kommunikation und Aktorik & Sensorik. Er bietet zwei CAN-Knoten, wobei die Kommunikation weitestgehend ohne CPU-Interaktion erfolgt. Selbst ein Austausch zwischen unterschiedlichen CAN-Netzwerken mit unterschiedlichen Übertragungsraten geschieht über einen Gateway-Modus ohne den Eingriff des Rechenkerns. Für eine Installation in gemischten Netzwerken mit CAN und EtherCAT liefert der XMC4300 eine elegante Lösung, in der ein Gateway von CAN auf EtherCAT über DMA-Transfers effizient realisiert werden kann.

Hinzu kommen die seriellen Schnittstellen UART, SPI, I2C und I2S, die durch die programmierbare Schnittstelle USIC realisiert werden. Zudem gibt es ein USB- sowie ein SDIO/SD/MMC-Interface für den Anschluss an einen Massenspeicher. Eine TCP/IP-Ethernet-Schnittstelle bietet einen einfachen Weg zur (Fern)-Diagnose und Wartung. Außerdem verfügt der XMC4300 über eine inte¬grierte LED-Matrix-Ansteuerung (8 × 8 Segmente) für die Ansteuerung von LED-Arrays.

Neben den Kommunikationsschnittstellen ist auch die Integration der Analog- und Mixed-Signal-IP hervorzuheben. So verfügt der XMC4300 über zwei 12-bit-A/D-Umsetzer auf der sensorischen Seite. Für die Aktorik integriert er eine Timer-Einheit für die Ansteuerung einer Vollbrücke, zwei Timer-Einheiten für Halbbrücken sowie zwei 12-bit-D/A-Umsetzer. Damit können Motoren angesteuert werden, während parallel dazu die EtherCAT-Kommunikation läuft.

Der XMC4300 ist ideal für die Implementierung von I/O-Modulen. Wenn beispielsweise mehr Bandbreite für den Backbone erforderlich ist, als der CAN-Bus oder ein serielles Protokoll zur Verfügung stellen können, dann ist der XMC4300 die richtige Wahl. Den XMC4300 in einem LQFP100-Gehäuse gibt es in zwei Versionen, für die Temperaturbereiche –40 bis +85 °C und –40 bis +125 °C.

Ist mehr Performance oder Konnektivität erforderlich, steht innerhalb der kompatiblen XMC4000-Familie die XMC4800-Serie mit bis zu 2 MB Flash und 352 KB RAM sowie erweiterter Peripherie und verschiedenen Gehäusen zur Verfügung. Wesentliche Unterschiede zur XMC4300-Serie sind neben der höheren Speicherkapazität sechs CAN-Knoten, eine externe Speicher-Schnittstelle (EBU), vier 12-bit-A/D-Umsetzer, insgesamt sechs Timer (drei beim XMC4300), ein integriertes POSIF Interface sowie vier Delta-Sigma-Demodulatoren. Die XMC4800-Derivate sind in LQFP-100-, LQFP-144- und LQFP-196-Gehäusen verfügbar.

XMC4300 und XMC4800 sind pin- und code-kompatibel. Insgesamt umfassen die XMC4300- und XMC4800-Serien 20 Produkte mit Unterschieden bei Peripherie, Gehäusen, Speicher¬kapazitäten und Temperaturbereichen. Damit steht ein umfassendes Portfolio für applikationsabhängige EtherCAT-Implementierungen zur Verfügung.

EtherCAT-Entwicklung ganz entspannt

Für eine sofortige Inbetriebnahme eines EtherCAT-Knotens mit XMC4300- und XMC4800-Mikrocontrollern stehen Entwicklungs-Boards und das passende Software-Entwicklungswerkzeug bereit.

Das XMC4300 Relax EtherCAT Kit ist mit einem XMC4300-Mikrocontroller bestückt sowie mit einem On-Board Debugger, einem EtherCAT-Knoten über einen Standard-RJ45-Steckverbinder (plus Pin-Header für optionale PHY-to-PHY-Verbindung), einem CAN-Knoten mit neunpoligem D-Sub-Stecker und USB-Schnittstelle. Für XMC4800 gibt es das Entwicklungs-Board XMC4800 Relax EtherCAT Kit (Bild 5).

Für die Software-Entwicklung bietet Infineon die Entwicklungsumgebung DAVE mit Bibliotheken für Low-Level-Treiber und Apps kostenlos an. DAVE verwendet dabei den SSC (Slave Stack Code) von Beckhoff für EtherCAT. Neben dieser kostenfreien Entwicklungsumgebung werden auch kommerzielle EtherCAT Slave Stacks von etablierten Dritt-Herstellern angeboten. Beide Kits haben umfangreiche Conformance Tests der EtherCAT Technology Group erfolgreich bestanden. Die XMC-EtherCAT-Mikrocontroller haben so bewiesen, dass sie mit allen führenden Industriesteuerungen (EtherCAT-Mastern) problemlos zusammenarbeiten. Die Kits können über die Distributoren von Infineon oder über die Kit Website für XMC www.infineon.com/xmc-dev bezogen werden.

Chips in Industriequalität

Der klassische Einsatzschwerpunkt von EtherCAT liegt in der Fabrikautomatisierung und überall dort, wo harte Echtzeitanforderungen an einen Feldbus gestellt werden. Dazu gehören auch Konstruktionsmaschinen sowie Agrar- und Flurförderfahrzeuge. Bisherige EtherCAT-Bausteine konnten jedoch oftmals die nötigen Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen nicht erfüllen. Ähnlich wie im klassischen Automobilbau benötigt man Bausteine im erweiterten Temperaturbereich bis zu 125 °C und eine AEC-Q100-Qualifikation als Beleg für die Zuverlässigkeit. Sowohl der XMC4300 als auch der XMC4800 erfüllen diese Anforderungen.

 

Der Autor

 

Hairuo Qiu
studierte an der Universität Stuttgart Mechatronik. Er ist seit zehn Jahren bei Infineon tätig und verantwortet als Produktmanager die Industrie-Mikrocontroller-Familie XMC4000. Seit 2012 vertritt er Infineon in der EtherCAT Technology Group.

 

hairuo.qiu@infineon.com