Vorteile der Feldgeräteimplementierung mit FPGAs
FPGAs ermöglichen die Implementierung eines vollfunktionsfähigen Industrial-Ethernet-Feldgeräts. Im Gegensatz zu Alternativen wie ASICs oder einem Standardprozessor bieten sie außerdem einige Vorteile. Der dritte Teil der Artikelserie geht unter anderem auf die einheitliche Anwendungsprogrammierschnittstelle, die schlanke Implementierung der API sowie Evaluation Kits mit umfassender Entwicklungsumgebung ein.
Für die Implementierung von Industrial-Ethernet-Feldgeräten auf FPGA-Basis stehen dem Gerätehersteller verschiedene Hardware-Optionen zur Auswahl. Zum einen hat er die Möglichkeit, ein Embedded-Communication-Modul einzusetzen, das die benötigte Hardware und Software für das Industrial-Ethernet-Subsystem bereitstellt und als ‚Huckepack‘-Karte in die Ziel-Hardware integriert wird. Zum anderen kann er eine kundenspezifisch entwickelte FPGA-Hardware nutzen, die die Funktionalität des Industrial-Ethernet-Feldgeräts sowie alle herstellerspezifischen Funktionen auf kostengünstige Weise miteinander vereint.
Einheitliche Anwendungsprogrammierschnittstelle
Der nächste Schritt nach dem Definieren der FPGA-Plattform als generelle Hardware-Plattform besteht darin, eine einheitliche Schnittstelle zur Programmierung der Anwendungen für die verschiedenen unterstützten Industrial-Ethernet-Protokolle zur Verfügung zu stellen. Dann folgt die Analyse der einzelnen Protokolle. Trotz der Unterschiede zwischen den einzelnen Protokollen werden hierbei auch Ähnlichkeiten hinsichtlich des Zugriffs auf die Protokolle ermittelt. Die Ähnlichkeiten bilden schließlich die Grundlage für die Implementierung einer einheitlichen Anwendungsprogrammierschnittstelle, die sich für die gesamte Palette der unterstützten Industrial-Ethernet-Protokolle verwenden lässt. Aus diesem Grund sind innerhalb der Anwendung nur geringe Änderungen der Implementierung bei der Initialisierung notwendig, wenn die Migration von einem Industrial-Ethernet-Protokoll zu einem anderen erfolgt. Die Anwendungsprogrammierschnittstelle wird so implementiert, dass sie unabhängig von der verwendeten Hardware und vom Betriebssystem bleibt und eine Portierung möglich ist. Das Ergebnis ist eine flexible Schnittstellenbibliothek, die sich bei allen Arten von Feldgeräteplattformen einsetzen lässt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass eine schlanke Implementierung der API möglich ist. Daher sind nur wenige, protokollunabhängige Aufrufe notwendig, um die Industrial-Ethernet-Kommunikation zu starten, durchzuführen und zu beenden.
Die für die Implementierung eines Industrial-Ethernet-Feldgeräts erforderliche Größe des FPGAs orientiert sich an der jeweils zu unterstützenden Funktionalität. Dabei definieren und benötigen die verschiedenen Industrial-Ethernet-Protokolle nicht denselben Funktionsumfang. So unterstützen z.B. einige Protokolle erweiterte Diagnosefunktionen, die folglich bei ihrer Implementierung auch zusätzliche Ressourcen erfordern. Anhand der implementierten Funktionen und Fähigkeiten lassen sich die benötigten Ressourcen ermitteln und die passende FPGA-Größe bestimmen. Der FPGA verbindet hierbei das Industrial-Ethernet-Subsystem mit dem Anwendungs-Subsystem. Im Allgemeinen besteht die Industrial-Ethernet-Implementierung nicht nur aus dem jeweiligen Industrial-Ethernet-Protokoll-Stack, sondern umfasst auch weitere IP-Cores. Der Ressourcenverbrauch dieser zusätzlichen IP-Cores ist Tabelle 1 zu entnehmen. Einer der zusätzlichen IP-Cores ist ein DDR-RAM-Soft-IP-Core. Die dem Soft-IP-Core zugeordneten Ressourcen werden nicht benötigt, wenn ein Hard-IP-Core oder ein anderer Speichertyp als DDR RAM verwendet wird. Außerdem hängt der Ressourcenverbrauch des Anwendungs-Subsystems vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Tabelle 2 zeigt den Ressourcenverbrauch des gesamten Industrial-Ethernet-FPGA-Designs einschließlich der in Tabelle 1 genannten Ressourcen, den Ressourcenverbrauch des Industrial-Ethernet-Subsystems sowie den Ressourcenverbrauch des jeweiligen Industrial-Ethernet-IP-Cores. Je nach implementiertem Industrial-Ethernet-Protokoll besteht der Industrial-Ethernet-IP-Core aus folgenden Komponenten:
- • Ethercat-Slave-Controller (für Ethercat)
- • Hub (für Ethernet Powerlink)
- • Switch ohne IRT-Unterstützung (für Profinet RT, Ethernet/IP und Modbus TCP)
- • Switch mit IRT-Unterstützung (für Profinet IRT)
Implementierung und Evaluation
Durch das Implementieren von spezifischer Ethernet-Hardware auf der Basis von FPGAs erhalten Gerätehersteller zusätzliche, individuelle Funktionen. Gemäß dem Konzept One Ethernet kann ein separater interner Ethernet-Port bereitgestellt werden, der die Ausführung von zusätzlichen Ethernet-Services ermöglicht, die über den Funktionsumfang des spezifischen Industrial-Ethernet-Protokolls hinausgehen. Darunter fallen z.B. IT-Services innerhalb des Feldgeräts, die sich parallel zur reinen Industrial-Ethernet-Kommunikation ausführen lassen. Dieser Kanal dient z.B. dazu, die Firmware des Feldgeräts zu aktualisieren oder auf einen Web-Server zuzugreifen, der der Geräteparametrierung dient. Evaluation Kits sind sowohl bei der Integration des Industrial-Ethernet-Subsystems in das Feldgerät als auch bei der Entwicklung der im FPGA ausgeführten Geräteanwendung hilfreich. Typischerweise sind geeignete Evaluation Kits beim Hersteller des FPGAs erhältlich. Sie umfassen eine Entwicklungsumgebung mit vollem Funktionsumfang, wobei der Schwerpunkt auf den spezifischen Funktionen des verwendeten FPGAs liegt.
