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Einfache Multi-Protokoll-Kommunikation

9. März 2017, 10:09 Uhr | Von Ognen Basarovski und Andreas Schwope

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Mikrocontroller mit Echtzeit-Kommunikation und hoher Rechenleistung

Die bereits etablierte R-IN Engine (Renesas Industrial Network), die schon in einigen Mikrocontrollerfamilien als unabhängiger Block eingesetzt wird, bildet in der RZ/N1-Familie den Kommunikationsblock. Sie bietet Echtzeitfähigkeit vereint mit geringer Leistungsaufnahme. In ihr ist eine ARM-CPU des Typs Cortex-M3 verbaut, die von Hardware-Beschleunigern unterstützt wird und so eine effizientere, echtzeitfähige Kommunikation mit kurzen Zykluszeiten in Industrie-4.0-Anwendungen erlaubt: geringer Jitter, möglichst kleine und konstante Verzögerungen sowie isochrones Verhalten mit identischer Zeitbasis für synchrone Prozesse in allen Netzwerkknoten.

Die Hardware-Beschleuniger bestehen aus einem HW-RTOS (Hardware Real-Time Operating System), das die Software mit einem automatisierten und priorisierten Task Scheduling unterstützt. Ein Checksum-Beschleuniger errechnet automatisch die Prüfsumme am Ende der Ethernet-Datenpakete, wogegen für das Management des Datenpuffers ein weiterer Controller zuständig ist.

Für die Kommunikation verfügt die R-IN Engine über einen Ethernet Switch mit fünf Ports, der sich für unterschiedliche Netzwerke eignet, einen EtherCAT Slave Controller, einen Sercos III Con¬troller sowie ein Interface für redundante, hochverfügbare Netzwerke (HSR/PRP – High-availability Seamless Redundancy/Parallel Redundancy Protocol). Darüber hinaus dient der Ethernet Switch ebenso für die Protokolle, die auf Standard-Ethernet aufsetzen. So können die Mikrocontroller der RZ/N1-Familie in Gateway-Applikationen zwischen Netzwerken mit unterschiedlichen Protokollen übersetzen.

Je nach Ausführung des RZ/N1-Mikro¬controllers sind eine oder zwei Cortex-A7-CPUs von ARM integriert, die ausreichend Rechenleistung für typische SPS-Applikationen bieten. Für die externe Systemanbindung stehen Entwicklern zahlreiche Schnittstellen zur Verfügung. Mit dem ebenfalls integrierten, HD-fähigen Display-Controller lassen sich HMI-Applikationen realisieren.

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Software: Flexibilität und einfache Implementierung

Die asymmetrische Multi-Core-Architektur nutzt unterschiedliche Betriebssysteme für die einzelnen Blöcke. Der Kommunikationsblock arbeitet mit dem Echtzeit-Betriebssystem µITRON, wogegen die Applikationen unter Linux bzw. VxWorks laufen. Eine der Besonderheiten der RZ/N1-Mikrocontroller liegt in der Ausgestaltung der Kommunikations-API als einheitliche, transparente Software-Schnittstelle für zahlreiche gängige Industrieprotokolle. Diese Programmierschnittstelle ermöglicht es dem Entwickler, zwischen den Kommunikationstechniken zu wechseln, ohne dafür aufwendig seine Anwendungs-Software zu ändern und anzupassen. Grob skizziert: Die einheitliche Schnittstelle sorgt dafür, dass beide Blöcke – Kommunikation und Applikation – unabhängig voneinander arbeiten und Daten transparent austauschen können (Bild 3).

Ein wesentlicher Vorteil dieser „Unified Communication API“: Ein hierfür entwickeltes Programm kann mit jedem anderen gängigen Industrieprotokoll laufen, das ebenfalls unter dieser API implementiert worden ist. Im Wesentlichen ist lediglich ein erneutes Kompilieren notwendig, um den Protokoll-Stack in die Geräte-Firmware zu integrieren. Das stellt eine deutliche Vereinfachung mit erheblicher Zeit- und Kostenersparnis dar. Normalerweise ist in die Entwicklung von Treiber-Software und den Wechsel zwischen Industrie-Protokollen viel Arbeit zu investieren. Mit der Kommunikations- API der RZ/N1-Mikrocontroller wird dem Entwickler dieser Aufwand abgenommen. Er kann sich mit dem RZ/N1 vollständig auf seine Applikation konzentrieren.

Die neue RZ/N1-Familie

Renesas bringt dieses Jahr drei RZ/N1-Mikrocontroller auf den Markt: Die beiden größeren Typen verfügen jeweils über fünf Ethernet-Ports. Den RZ/N1D mit R-IN Engine und zwei Kernen Cortex-A7 von ARM, gibt es im BGA-Gehäuse mit 400 oder 324 Anschlüssen. Der kleinere RZ/N1S, ebenfalls mit R-IN Engine und einem Prozessorkern Cortex-A7 von ARM, ist in einem BGA-Gehäuse mit 324 oder 196 Anschlüssen erhältlich. Die kleinste Variante, der RZ/N1L, verfügt über keinen separaten Prozessor für die Applikations-Software, sondern nutzt hierfür die in der R-IN Engine befindliche CPU des Typs Cortex-M3 von ARM mit drei Ethernet-Ports.

Für den Einstieg in die neue RZ/N1x-Mikrocontrollerfamilie bietet Renesas Entwicklern ein umfangreiches Solution Kit bestehend aus einem Entwicklungs-Board mit Beispiel-Software und allen Treibern für die wichtigsten Schnittstellen.

Die Autoren

Dipl.-Ing. Ognen Basarovski
ist seit 2015 bei Renesas Electronics Europe als Senior Product Marketing Manager für Smart Factory im Geschäftsbereich Industrial & Communications tätig. Er hat Telekommunikation an der Universität „St. Kyrill und Method“, Skopje, Mazedonien, studiert und arbeitete viele Jahre in der IT-Branche im Produktmarketing.ognen.

Andreas Schwope
hat technische Informatik an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen studiert. 1998 startete er bei NEC im Bereich ASIC-Implementation und im Projektmanagement. Mit der Übernahme der NEC-Halbleitersparte kam er zu Renesas. Seit 2012 ist er als leitender Ingenieur für Smart Factory im Geschäftsbereich Industrial & Communications der Renesas Electronics Europe tätig.