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Mit neuen CPUs

Computer-Module für die Feldbus-Ebene

10. Mai 2021, 08:30 Uhr   |  Von Andreas Willig, Produktmanager bei TQ-Systems

Computer-Module für die Feldbus-Ebene
© shutterstock.com | Weka Fachmedien

Gerade für industrielle Produkte sind die Sitara-CPUs von Texas Instruments prädestiniert. TQ-Systems packt die aktuelle Version der Chips auf neue Computer-Module. Gerade für die Feldbus-Ebene sind sie interessant.

Die Sitara-CPU-Familie von Texas Instruments (TI) weist eine langjährige Historie im Bereich der industriellen Anwendungen auf. So ist die aktuelle Generation der Prozessoren, die AM65-Serie, dank ihrer Schnittstellenvielfalt besonders gut für industrielle Kommunikationsaufgaben geeignet. Ihre Hauptmerkmale sind drei Programmable Realtime Units (PRUs), die bis zu sechs echtzeitfähige Ethernet Ports für Feldbussysteme wie Profinet, Ethercat und Ethernet/IP realisieren können. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die AM65-Serie, geht auf die Bedeutung und Spezialisierungen von Ethernet-basierten Feldbussen für IoT-Anwendungen ein und stellt Module von TQ-Systems auf Basis der AM65-Prozessorfamilie vor.

Beginnend mit dem AM18x ist die Sitara-CPU-Familie von TI speziell auf industrielle Produkte ausgerichtet und hat sich im Laufe der Jahre kontinuierlich weiterentwickelt. Mit dem AM335x, basierend auf einem ARM-Cortex-A8-Prozessor mit bis zu 1000 MHz, verdoppelte sich die maximale Prozessorleistung im Vergleich zum Vorgänger. Jedoch waren bereits die ersten Sitara-Prozessoren zum Realisieren echtzeitfähiger Anwendungen mit einem Dual Core PRU Industrial Communication Subsystem (ICSS) ausgestattet und verfügten über 3D-Grafik-Funktionen. Mit dem AM57xx ergänzte TI die Familie um einen Prozessor auf ARM-Cortex-A15-Basis, der Audio- und Video-Signale kontinuierlich verarbeitet sowie eine höhere Leistung ermöglicht. Außerdem wurden die Konnektivität und die PRU-Systeme erweitert, womit bei diesen Modellen bis zu zwei PRUs verfügbar sind.

Die aktuelle Prozessorgeneration, die AM65-Familie, bietet mit bis zu vier Cortex-A53-Kernen mit zwei Dual-Kernclustern und drei PRUs eine hohe Rechenleistung. Ihre Schnittstellenvielfalt kommt besonders bei Industriegeräten zur Geltung.

Ethernet-basierte Feldbusse

Mit dem wachsenden Einsatz von IoT- und Industrie-4.0-Anwendungen steigt die Zahl der zu vernetzenden Teilnehmer in einem Netzwerk. Mithilfe von Ethernet-basierten Feldbussystemen gelingt beispielsweise die direkte Verbindung eines Office-Netzwerks mit einem industriellen Netzwerk. Das vereinfacht die Kommunikation zwischen beiden. In älteren Feldbussystemen ist aufgrund der Topologie und des Verdrahtungsaufwands eine Ethernet-basierte Netzwerktopologie einfacher umsetzbar und erweiterbar – wohl mit ein Grund für die steigende Nachfrage nach diesen Standards.

Ethernet-basierte Systeme sind wie ein Netzwerk aufgebaut. Der Controller (Master) kann eine speicherprogrammierbare Steuerung oder eine andere Steuereinheit, zum Beispiel ein Embedded-Modul, sein. Weiterhin befinden sich in dem Netzwerk I/O Devices (Slaves), welche über weitere Netzwerkknoten (Switches) mit dem Controller verbunden sind. Mithilfe zweier Signalleitungspaare zwischen Master und Slave lassen sich mehr Datenpakete schneller und effizienter versenden. Im Vergleich dazu ist im Profibussystem, welches lediglich über ein Signalleitungspaar verfügt, ein geringerer Datendurchsatz realisierbar, der allerdings weniger störanfällig ist.

Aufgrund des verstärkten Datendurchsatzes ist ebenfalls die Netzauslastung wesentlich höher – abhängig von der Aktualisierungsrate, der Netzwerkstruktur sowie der Linientiefe. Hierbei ist die Aktualisierungsrate die Zeit, bis der Master eine Antwort vom Slave erhält. Weil diese in den Ethernet-basierten Systemen flexibel ist, ist die Vorhersagbarkeit in dem stochastischen System schwieriger. So stellt die Linientiefe die Anzahl der Übergänge dar, die ein Datenpaket während des Versendens überwinden muss, bis sie beim Master ankommt. Anders ausgedrückt: die Anzahl an Switches vom Slave zum Master. Viele Übergänge und Verarbeitungen an beispielsweise einem Switch erzeugen den sogenannten Jitter, eine Verzögerungszeit beziehungsweise Verspätung, beim Eintreffen der Datenpakete am Master. Die Topologie ist beliebig erweiterbar und besteht häufig aus einer Mischung von Bus-, Baum- und Stern-Topologie. Anders ist es bei Profibussystemen, bei denen ein Ändern der Netzwerktopologie einen großen Aufwand in der Busstruktur erzeugt. Im Laufe der Jahre haben sich verschiedene Ethernet-basierte Systeme entwickelt. Einige Beispiele:

  • Profinet (Process Field Network) nutzt das TCP/IP-Protokoll und ist ein offener Industrial-Ethernet-Standard. Profinet ist echtzeitfähig und unterstützt Feldbussysteme.
  • Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol), entwickelt von Rockwell Automation. Der Standard ist weit verbreitet und wird von diversen Feldgeräte-Herstellern unterstützt. Jedoch eignet sich das Ethernet-basierte industrielle Protokoll lediglich bedingt für harte Echtzeit, welche eine Reaktionszeit von <1 ms erfordert. Eine solche Anforderung an die Kommunikation zwischen Master und Slave ist beispielsweise beim Ansteuern von Servomotoren erforderlich. Die typische Reaktionszeit für industrielle I/Os liegt in der Regel bei 10 ms. Mit Protokollerweiterungen ist es jedoch möglich, eine präzisere Zeitsynchronisation zu realisieren.
  • EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) eignet sich als offener Standard für Echtzeit-Ethernet sowohl für weiche als auch für harte Echtzeit-Anforderungen in der Automatisierungstechnik. Seine Kerneigenschaften sind kurze Zykluszeiten (≤100 μs) und niedriger Jitter für die Synchronisation (≤1 μs).
mikroBUS-Standard
© TQ-Systems

Bild 1: Über den mikroBUS-Standard können Entwickler verschiedene austauschbare Module testen. Er ist mit den dargestellten Signalen belegt.

Schnittstellen-Vielfalt der AM65-Familie

Die vier Modelle der AM65-Familie (AM6526, AM6528, AM6546, AM6548) bieten eine Vielzahl an Ethernet-Ports. Neben einer separaten Ethernet-Schnittstelle verfügen sie über drei PRUs und bis zu sechs echtzeitfähige Gigabit-Ethernet-Schnittstellen. Das ICSS macht ein externes Anbinden von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) oder Application Specific Integrated Circuits (ASICs) – beispielsweise für Echtzeitanwendungen – überflüssig. So wird das Design in der Entwicklungsphase erleichtert. Außerdem sind die PRU-Kerne hauptsächlich für die industrielle Kommunikation implementiert. Zu den unterstützten industriellen Protokollen (Master- und Slave-Protokolle) zählen die oben genannten Profinet, Ethernet/IP und EtherCAT.

Außerdem verfügen die AM65-Prozessoren über einen CAN0- und CAN1-Port – sie sind auf dem Referenzdesign galvanisch getrennt. Mit dem Einsatz des CAN-Controllers TJA1052IT/5 von NXP sind Datenraten bis zu 5 Mbit/s für CAN FD verfügbar. Der flexible Datendurchsatz eröffnet dem Anwender zusätzliche Evaluierungsmöglichkeiten.

Die MIPI-CSI-Schnittstelle wiederum erlaubt mithilfe einer Adapterplatine das schnelle Anbinden von Industriekameras unterschiedlicher Hersteller. Sie ist über einen High-Speed Connector auf dem Mainboard MBa65xx nach außen geführt. Besonders während dem Evaluieren von Kamerasystemen ist das von Vorteil, da der Anwender jederzeit flexibel auf ein anderes System umsteigen kann.

Computermodul TQMa65xx
© TQ-Systems

Bild 2: Das Computermodul TQMa65xx von TQ-Systems basiert auf dem Sitara-AM65xx-Prozessor von TI.

Über den offenen Standard des mikroBUS schließlich können Entwickler verschiedene austauschbare Module testen, zum Beispiel Füllstandssensoren oder RFID Transponder. Speziell RFID ist in der Industrie allgegenwärtig, ob zur Positionsbestimmung einer Kiste in der Fertigung oder zur Identifikation bereits verpackter Teile. Mit dem einfachen Konzept der Stiftleisten lassen sich Module schnell austauschen – das erleichtert das Validieren von unterschiedlichen Sensoren. Der mikroBUS-Standard ist unter anderem über folgende Signale belegt: I2C, SPI, UART sowie PWM (Bild 1).

Computer-Module TQMa65xx

Die zentrale Recheneinheit der Steuerung dieser Systeme kann zum Beispiel das TQMa65xx übernehmen – es ist die ideale Grundlage zum Entwickeln einer Steuerung (Bild 2). Von der CPU bereitgestellte Schnittstellen und Funktionen sind über die Board-Steckverbinder auf das Mainboard geführt. Anwender können sie je nach Anwendungsfall konfigurieren. Sämtliche Funktionen, welche die CPU bietet, zeigt das Blockschaltbild des Moduls (Bild 3).

Blockschaltbild des TQMa65xx
© TQ-Systems

Bild 3: Blockschaltbild des TQMa65xx: Die übergeordnete Steuerung und Verarbeitung der Prozesse übernimmt das Computer Modul.

Das TQMa65xx mit den pinkompatiblen Prozessoren der AM65-Familie gibt es als Dual- oder Quad-Core-Cortex-A53-Board. Eine maximale Skalierbarkeit und der flexible Speicherausbau ermöglichen kundenspezifische Anwendungen. Mit den drei PRUs lassen sich bis zu sechs echtzeitfähige Gigabit-Ethernet-Ports zum Realisieren von Feldbussystemen oder Time Sensitive Networking (TSN) umsetzen. Zusätzlich bieten die CPUs zwei integrierte Cortex-R5F-Controller und diverse industrietaugliche Schnittstellen wie CAN-FD mit einer Übertragungsrate von bis zu 5 Mbit/s.

Eine aktuell verfügbare Modulvariante ist das »TQMa6548-AA«, wobei es sich um eine Variante mit dem Quad-Core-Cortex-A53-Prozessor handelt. Weitere CPU-Modelle (AM6526, AM6528, AM6546) will TI im Frühjahr 2021 launchen. Passend dazu gibt es das Starter Kit STKa65xx, welches das Mainboard MBa65xx zum Entwickeln von Software sowie diverses Zubehör enthält.

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2. Das Mainboard MBa65xx

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