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Ein Chip ist oft genug

Text: Maneesh Soni, Texas Instruments Fotos: threeart, Texas Instruments
Single-Chip-Profibus-Lösungen für industrielle Automatisierungs-Applikationen bieten manchmal deutliche Vorteile, ohne Abstriche auf Seite der Funktionalität zu machen. So können zum Beispiel die Komplexität einer Anwendung oder auch deren Kosten reduziert werden.

Mit mehr als 35 Millionen installierten Knoten, ist der Kommunikationsstandard Profibus eines der etablierten Verbindungsmedien zwischen Steuerungen und dezentralen I/O-Einheiten, Sensoren und Aktoren in der Fertigungsautomatisierung. Der Standard kann die Effizienz der Kommunikation steigern, indem er mehrere Knoten über ein Medium miteinander verbindet. Das macht es überflüssig, jeden Knoten separat zu verkabeln, verringert den Investitionsaufwand und gestaltet den Einsatz einfacher. In der Profibus-Kommunikation werden abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall verschiedene Protokolle eingesetzt, nämlich Profibus DP (Dezentrale Peripherie) und Profibus PA (Prozess-Automatisierung). Das Profibus-Protokoll definiert auch die Rolle der Master- und Slave-Knoten beim Management der Kommunikation zwischen den einzelnen Knoten. Jeder Profibus-Knoten gliedert sich in drei Schichten: Bit-Übertragung, Sicherung und Anwendung. Die Bit-Übertragungsschicht wird per RS485, Lichtwellenleiter oder Manchester Bus Power (MBP) implementiert. Die Sicherungsschicht implementiert die Master-Slave-Kommunikation und die Anwendungsschicht unterstützt die Übertragung von Nachrichten zwischen den Knoten. Um die weitreichende Interoperabilität der entsprechenden Geräte untereinander zu gewährleisten, hat die Profibus-Nutzerorganisation ein Zertifizierungsprogramm ins Leben gerufen. Dieses gewährleistet, dass ein Gerät den Regeln und Spezifikationen der Protokolle entspricht - alle neuen oder modifizierten Geräte müssen den Zertifizierungsprozess durchlaufen. In typischen Lösungen ist ein Mikroprozessor dafür zuständig, den Profibus-Stack auf der Anwendungsschicht zu verarbeiten und die industrielle Applikation zu implementieren. Ein ASIC oder FPGA implementiert das Protokoll und ein RS485-Transceiver sorgt für die Verbindung zur Bit-Übertragungsschicht. Das Profibus-Gerät ist über eine parallele oder serielle Schnittstelle mit dem Mikroprozessor verbunden. Auf der Bitübertragungsschicht kommt ein RS485-Transceiver mit galvanischer Isolation zum Einsatz.

Klassiche Lösung oder Single-Chip-Implementierung

So populär die soeben umrissene Architektur auch sein mag, sind die Vorteile einer Single-Chip-Lösung auch nicht von der Hand zu weisen. Sie hat nicht nur das Potenzial, die Materialkosten um bis zu 30 Prozent zu senken, sondern kann auch die Komplexität und den Platzbedarf des Designs verringern. Single-Chip-Lösungen auf der Basis von Prozessoren des Typs ARM9 und ARM Cortex-A8 ermöglichen Profibus-Implementierungen und eignen sich für Master- und Slave-Knoten. Diese Bausteine werden direkt mit dem Transceiver verbunden und benötigen kein zusätzliches Profibus-ASIC oder -FPGA. DerProfibus Real-Time Frame Handler ist in das PRU-Subsystem (Programmable Real-time Unit) gekapselt, das in Profibus-fähige Geräte integriert ist. In den ARM9-Mikroprozessor des Typs Sitara AM1810 von Texas Instruments zum Beispiel wurde das PRU-Subsystem der ersten Generation integriert. In die ARM Cortex-A8 MPUs der Reihe Sitara AM335x ist dagegen das PRU-Subsystem der zweiten Generation integriert, das neben dem Profibus auch industrielle Ethernet-Standards unterstützt.In allen Varianten des Subsystems implementieren die PRUs eine Echtzeit-Übertragung der Nachrichten, die Frame-Validierung und die Kommunikation mit dem Prozessor. Interrupts dienen der Kommunikation mit dem Prozessor, auf dem der Profibus-Stack und die industrielle Applikation laufen. Die gesamte Prozessdaten-Behandlung zwischen dem Profibus-Stack auf dem ARM-Prozessor und der PRU wird über den internen Speicher abgewickelt. Eine der PRUs steuert den in den Chip integrierten UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), der für die Kommunikation mit einer Datenrate bis zu 12 MBaud ausgelegt ist. Die industrielle Applikation und das Profibus-DP-Protokoll werden vom Prozessor verarbeitet. Ergänzen lässt sich die Lösung durch einen für raue Einsatzbedingungen geeigneten RS485-Transceiver wie den Profibus-Transceiver ISO1176T von Texas Instruments.Die Software von Single-Chip-Lösungen der hier beschrieben Art gliedert sich in drei Komponenten:

Mikrocode zur Implementierung der FDL-Funktionalität in der PRU, Profibus-DP-Protokoll (läuft auf dem ARM-Mikroprozessor) sowie eine industrielle Applikation abhängig vom Equipment, in dem die Lösung eingesetzt wird.

Die Single-Chip- Lösungen unterstützen Betriebssysteme wie Linux, können aber auch in Applikationen ganz ohne Betriebssystem eingesetzt werden. Die Struktur der Software ist unabhängig davon einheitlich, und sorgt so für mehr Flexibilität.

Fazit

Die Verwendung von Single-Chip-ARM-Lösungen in Profibus-Applikationen ergibt kostengünstigere Endprodukte, ohne dass Abstriche an den Funktionen oder den betrieblichen Eigenschaften gemacht werden müssen. Durch das umfassende Angebot an Software und Hardware-Entwicklungs-Tools und den weltweiten Support profitieren die Kunden von einer deutlich einfacheren Implementierung, die durch Kostensenkungen noch attraktiver wird.

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