Ethernet-, USB- und CAN-Schnittstellen in doppelter Ausführung
ARM-Controller mit Zwillings-Ethernet
Auch im Embedded-Umfeld wird Ethernet immer mehr zum Standard. Eine aktuelle Mikrocontrollerfamilie mit »Twin-Ethernet«, also zwei Ethernet-Ports, ermöglicht den Aufbau günstiger Komponenten für die Linien- oder Ringtopologie (Daisy Chain), kann als Gateway verschiedene Netze »intelligent« miteinander verbinden oder durch Redundanz die Ausfallsicherheit in Systemen erhöhen.
Viele klassische Embedded-Anwendungen, von der Industrieautomatisierung über die Gebäudetechnik bis in den Bereich von Tools, setzen zunehmend auf Ethernet als Kommunikationsschnittstelle. Vor diesem Hintergrund werden Mikrocontroller mit Ethernet-Schnittstelle immer mehr zum Standard. Fujitsu hat jetzt eine Serie von »FM3«-Mikrocontrollern auf Basis des ARM-Cores »Cortex-M3« vorgestellt, die über »Twin-Ethernet«, also jeweils zwei Ethernet-Schnittstellen verfügen. Mit diesem Ansatz will der Hersteller die Systemkosten senken und neue Anwendungsfelder für Embedded Systeme erschließen.
Auch wenn Ethernet häufig als internes, geschlossenes Netz zwischen verschiedenen Maschinen, Automaten oder sonstigen Embedded Systemen zum Einsatz kommt, soll meist auch die Möglichkeit bestehen, Daten aus diesem internen Netz über ein vorhandenes Firmennetz zugänglich zu machen - zum Beispiel zur Auswertung oder Steuerung. Hierbei ist es wichtig, das interne Netz über ein »intelligentes« Gateway mit dem Firmennetz zu verbinden.
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Auf diese Weise lässt sich die Sicherheit durch die Kontrolle der Zugriffe auf das interne Netz gewährleisten, gleichzeitig hält das Gateway unnötige Datenpakete des Firmennetzes aus dem internen Embedded-Netz heraus. Bild 1 zeigt die Umsetzung eines solchen »Embedded Ethernet zu Ethernet«-Gateways. In der Praxis wird diese Gateway-Aufgabe meist in eine andere Embedded-Anwendung mit integriert und nicht der einzige Zweck dieser Anwendung sein.
Ein weiterer interessanter Anwendungsfall für ein solches Embedded-Gateway ist die direkte Anbindung des Geräts an das Internet, zum Beispiel zum Zweck der Fernwartung oder -überwachung. Hierbei wird einer der beiden Ethernetanschlüsse als WAN-Anschluss (Wide Area Network) betrieben, dieser kann dann ein angeschlossenes DSL- oder Kabelmodem mittels PPPoE (Point to Point Protocol over Ethernet) ansteuern und somit Verbindung mit dem Internet herstellen.
Daisy Chain
Eine Daisy-Chain- also Linientopologie wird in industriellen Anwendungen wie beispielsweise der Automatisierungstechnik oder Lichttechnik häufig verwendet. bei der Daisy Chain sind die Geräte (hier mittels Ethernet) hintereinander geschaltet. Hierdurch lässt sich im Vergleich zur Sterntopologie der Verkabelungsaufwand reduzieren, gleichzeitig wächst die erreichbare Entfernung, denn jedes Gerät in der Daisy Chain muss eingehende Daten aktiv weitergeben und dient somit gleichzeitig als eine Art Repeater. Durch dieses aktive Weitergeben der Daten entsteht natürlich eine zeitliche Verzögerung (Delay). Um diese Verzögerung möglichst gering zu halten, kommt es auf einen hohen Datendurchsatz des Twin-Ethernet-Mikrocontrollers an.
Innerhalb der FM3-Familie gehören die Bausteine vom Typ »MB9BD10S/T« (Blockdiagramm siehe Bild 2) daher zur so genannten »High Performance Group«. Um den hohen Leistungsansprüchen gerecht zu werden, lassen sich diese MCUs mit einer Taktfrequenz von bis zu 144 MHz betreiben und werden von einem sehr schnellen, integrierten, bis zu 1 MByte großen Flash-Speicher mit Daten und Befehlen versorgt.
Fujitsu taktet den internen Flash mit bis zu 72 MHz und hat damit eigenen Angaben zufolge den momentan am schnellsten getakteten Flash-Speicher in der Cortex-M3-Klasse. Durch eine breite Anbindung und einen eingebauten Flash-Beschleuniger arbeiten diese MCUs laut Fujitsu auch bei 144-MHz-Taktung unter nahezu allen Bedingungen ohne Wartezyklen und schöpfen so das Potenzial des Cortex-M3-Kerns von 1,25 MIPS/MHZ auch bei hohen Frequenzen restlos aus.
Um einen hohen Datendurchsatz innerhalb der MCU zu gewährleisten, sind die beiden Ethernet-MACs jeweils mit einem AHB-Busmaster für den Datenverkehr angebunden. Die leistungsmäßig unkritische weil nicht dynamische Konfiguration der Ethernet-MACs sowie der externen PHYs erfolgt über einen AHB-Slave-Anschluss.
Bild 3 verdeutlicht das Daisy-Chain-Prinzip im Embedded-Umfeld anhand eines Antriebs- und eines Feldbusgateways. Ein Nachteil einer Daisy Chain gegenüber einer Sterntopologie ist allerdings der Einfluss, den ein eventuell defektes Gerät auf die Kommunikation hat: Wenn dieses keine Daten mehr weitergeben kann, sind auch alle nach dem defekten Gerät angeschlossenen Geräte nicht mehr erreichbar. Dieses Risiko lässt sich durch einen Ring verringern, bei dem das erste und letzte Gerät der Daisy Chain direkt miteinander verbunden sind.
Functional Safety
Den hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit im speziellen bei vernetzten Geräten tragen im bes-ten Fall schon im Mikrocontroller implementierte spezielle Mechanismen Rechnung. So gibt Fujitsu seinen FM3-Mikrocontrollern in der High-Performance-Group ein ganzes Bündel von speziellen Hardwarefunktionen mit auf den Weg. Besonders anzusprechen sind hier zum Beispiel die »ECC«-Funktion (Error Correction Code) für den Embedded-Flash-Speicher, für den der Hersteller 100 000 Lösch-/Schreibzyklen und 20 Jahre Datenerhalt angibt.
Des Weiteren werden Takte und Versorgungsspannungen mittels Clock-Supervisor und zweistufiger Low-Voltage-Detection überwacht. Eine MPU (Memory Protection Unit), ein Hardware-Watchdog und ein »Reset-Cause«-Register halten die Firmware auf dem rechten Weg. Und die Möglichkeit, die Mikrocontroller ohne externe Maßnahmen in 3-V- wie auch 5-V-Umgebungen einsetzen zu können, kann über die größeren Störabstände für höhere Zuverlässigkeit sorgen. Auf der Softwareseite erleichtert eine kostenlos zur Verfügung gestellte Class-B-Softwarebibliothek die Entwicklung sicherer Anwendungen.
Wie anfangen?
Zu Beginn der Entwicklung einer komplexen Embedded-Anwendung mit Ethernet oder auch zur Evaluierung neuer Komponenten oder Konzepte ist es für Entwickler sehr hilfreich, auf Unterstützung durch den Halbleiterhersteller zurückgreifen zu können. Fujitsu vereinfacht den Einstieg durch ein Starterkit, mit dem sich alle Funktionen der MB9BD10S/T-Serie evaluieren lassen. Dieses »SK-FM3-176PMC-Ethernet« genannte Starterkit bietet die Möglichkeit, die beiden Ethernetkanäle direkt zu verwenden. Hierzu sind zwei Ethernet-PHYs von SMSC und entsprechende Ethernetbuchsen vorhanden.
Auch die Motor-Controller, die bis zu drei 3-Phasen-Motoren steuern können, sind auf dem Board entsprechend vorgesehen, weiterhin stehen die beiden USB-Schnittstellen (jeweils USB-Funktion und HOST) zur Verfügung, und jeweils einer der beiden CAN-Kanäle und einer der acht UART-Kanäle sind bereits mittels Transceiver direkt nutzbar. Softwareseitig stellt Fujitsu für nahezu alle wichtigen Funktionen des Mikrocontrollers Softwaretreiber zur Verfügung.
Im Bereich USB wie auch Motorcontrol sind darüber hinaus ausgefeilte Entwicklungswerkzeuge und Bibliotheken verfügbar. Für die Ethernet-Funktion hält Fujitsu Implementierungen von TCP/IP-Softwarestacks wie »µIP« und »IwIP« bereit. Auch kommerzielle Lösungen, zum Beispiel von Sevenstax, unterstützen die FM3-Familie bereits. Darüber hinaus stehen Entwicklern natürlich auch Fujitsus Applikations-ingenieure in Deutschland zur Seite. Die gängigen Entwicklungstools für Mikrocontroller auf ARM-Cortex-M3-Basis unterstützen die FM3-Familie, hier steht eine ganze Reihe von Lösungen von kostenlos bis kommerziell zur Verfügung.
Über den Autor:
Wolf Fronauer ist Manager Marketing & Application, Business Unit Industrial bei Fujtisu Semiconductor Europe.
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