Modulare Entwicklung
Elektronikdesign für TSN
TSN ermöglicht Echtzeitapplikationen über Ethernet. Die Technologie ist Grundlage für die Nutzung einer gemeinsamen, flexiblen und skalierbaren Infrastruktur für das Übertragen von Daten. Bis dato war das Entwickeln von TSN-Elektroniken aufwendig und teuer. AMD, hema und SoC-e möchten das ändern.
Die Unternehmen AMD, hema und SoC-e haben sich zusammengetan und stellen auf der embedded world eine modulare Plattform vor, die kurze Entwicklungszeiten ermöglicht, Kosten reduziert und das Designrisiko minimiert. Denn: Zahlreiche industrielle Applikationen erfordern Echtzeit-Daten.
Sie gewährleisten vernetzten Geräten Informationen über das Einhalten maximaler Laufzeiten sowie Zeitinformationen mit geringem Versatz zwischen den einzelnen Knotenpunkten. Das ermöglicht ein besseres Synchronisieren und zeitgenaues Rückverfolgen, zum Beispiel zwischen Produktionsabläufen und der Qualitätskontrolle. Im Ergebnis führt das zu schnelleren Zykluszeiten und einer insgesamt höheren Produktivität. In der Vergangenheit wurde die Echtzeitfähigkeit über proprietäre Systeme und Protokolle und oft über ein separates Verkabeln für zeitkritische Informationen bereitgestellt.
Jedoch ist diese Systemarchitektur mit Einschränkungen der Netztopologie verbunden. Alternativ ist die Datenmenge der beteiligten Geräte pro Intervall stark zu begrenzen. Außerdem limitiert das Trennen von IT und OT die Skalierbarkeit und Flexibilität der Netzwerke und vervielfacht den Aufwand für Verkabelung und Wartung.
Ein Netzwerk für alle Daten
Time Sensitive Networking (TSN) überwindet diese Einschränkungen. Alle Informationen sind im selben IoT-Netzwerk und für alle angeschlossenen Geräte sichtbar. So lässt sich der Verkabelungsaufwand reduzieren, weil nur noch ein gemeinsames Kabel für alle Übertragungsprotokolle zum Einsatz kommt. TSN nutzt hierfür virtuelle LANs in der Ethernet-Infrastruktur und ermöglicht so Determinismus für ausgewählte Datenströme. Hiermit lassen sich verschiedene Datentypen in einem gemeinsamen Netzwerk übertragen, ohne gegenseitig Echtzeit-Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Das macht TSN ideal, wenn Daten mit hoher Bandbreite – zum Beispiel Videodaten – parallel zu verarbeiten sind. Zum Einsatz kommt dies bei zyklischen Steuerungen, Management-, Diagnose- und Überwachungs-Applikationen oder gleichzeitigem Peer-to-Peer-Datenverkehr wie beim Software-Download.
Kurze Entwicklungszeiten
Um alle Vorteile der Technologie optimal nutzen zu können, bedarf es Ethernet-Front-End-Geräten mit nativen TSN-Fähigkeiten. Um deren schnelles und einfaches Entwickeln zu ermöglichen, haben AMD, hema electronic und SoC-e ihr Know-how in einem TSN-over-Ethernet-Paket gebündelt. Es wird auf der embedded world erstmals als Demo vorgestellt und basiert auf der Embedded-Vision-Plattform von hema electronic, mit AMD-System-on-Module (SoM) »Kria« sowie einem TSN-IP-Core von SoC-e.
Mit der modularen Plattform können Entwicklungsteams individuelle Mainboards nach ihren Anforderungen spezifizieren. In wenigen Wochen erhalten sie einen ersten seriennahen Prototyp ihrer Hardware. Er ermöglicht ein schnelles und einfaches Entwickeln der Softwareapplikation sowie eine schnelle Serienqualifizierung.
Modulare Plattform für TSN-Elektroniken
Das Kria-SoM liefert die Rechenleistung für die Plattform und besteht aus FPGA-SoCs. Außerdem Arm-Cortex-A53- und R5F-Rechenkernen. Vorteile des heterogenen Designs sind, dass die FPGAs zum einen die exakte Steuerung des Ausgangsverkehrs übernehmen, inklusive taktgenauer Steuerung des Auslesens der Puffer für abgehenden Verkehr. Außerdem entlasten sie die weiteren Prozessoren, in dem sie die sich wiederholenden Aufgaben des Data-Link-Layer übernehmen. Zudem sind die Arm-Kerne frei programmierbar und können anwendungsspezifische Software ausführen, mit Zugriff auf die zuvor TSN-verarbeiteten Daten aus dem FPGA.
Weiterhin wurden die Kria-SoMs für KI-Unterstützung entwickelt und ermöglichen das Verwenden aktueller, rechenintensiver Technologien wie Machine-Vision und Vision-AI.
Perfekt aufeinander abgestimmt
SoC-e bietet Entwicklern FPGA-basierte Ethernet-Kommunikation an. Dafür hat SoC-e IP-Cores speziell für TSN-Applikationen entwickelt und an die Kria-SoMs und hemas Embedded-Vision-Plattform angepasst. Die IP-Cores wurden für den Einsatz in kritischer Infrastruktur konzipiert und bieten eine hohe Skalierbarkeit, Interoperabilität und Ausfallsicherheit. Sie bewähren sich in zahlreichen Applikationen, von der Industrieautomation über Energienetzwerke bis hin zu Verteidigung und Raumfahrt. Grundsätzlich reicht das TSN-Portfolio von SoC-e von einfachen TSN-Endpunkten – mit einer oder zwei Ethernet-Schnittstellen, um Redundanz zu gewährleisten – bis hin zu komplexen TSN-Switches mit mehreren Ports und unterschiedlichen Datenraten.
Sie sind von Fast Ethernet bis hin zu 10-Gbit/s-Schnittstellen skalierbar. Zudem sind die IPs konfigurierbar in Bezug auf Funktionen, Konfiguration und verfügbaren TSN-Standards. Hiermit lassen sie sich an die spezifischen TSN-Profile der Zielapplikation anpassen. So ist das Nutzen einer einfach konfigurierbaren Technik wie der Kria-SoMs und der Embedded-Vision-Plattform eine ideale Basis hierfür.
Zukunftssichere TSN-Geräte entwickeln
Aufgrund der Konvergenz von IT- und OT-Netzwerken und dem Zusammenführen aller Datenströme in einer gemeinsamen Ethernet-Infrastruktur ermöglicht TSN Flexibilität und Skalierbarkeit – von der industriellen Automation, dem Fabrikdesign über medizinische Applikationen bis hin zu Applikationen für die Qualitätssicherheit, Rundfunkgeräten oder Fahrzeugsystemen für Fahrerassistenz. Nutzen Entwickler AMDs Kria-SoMs mit den IP-Cores von SoC-e und der Plattform von hema, können sie ihre TSN-Applikationen und -Elektroniken schnell und günstig entwickeln.
Zudem profitieren sie von einem aufeinander abgestimmten Ökosystem, kurzen Entwicklungszeiten und einer langfristigen Verfügbarkeit. Eine industrietaugliche Qualität aller Komponenten versteht sich von selbst.
hema electronic Halle 2, Stand 444
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