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Mikroprozessoren für Industrieanwendungen

01  Schematische Darstellung des Aufbaus des Industrial Communication Engine Boards

02  Schematische Darstellung des Aufbaus des Starter Kit Boards

Am Markt wird eine große Palette an Mikroprozessoren für unterschiedliche Endanwendungen angeboten. Texas Instruments deckt beispielsweise mit seiner sechs Mitglieder umfassenden Sitara-AM335x-Familie eine große Bandbreite an industriellen Anwendungen ab. Für die unterschiedlichen Industrieapplikationen werden verschiedene Evaluierungs- und Entwicklungs-Boards bereitgestellt.

Die Sitara-AM335x-Mikroprozessor-Familie von ­Texas ­Instruments basiert auf einem ARM ­Cortex A8. Sie umfasst sechs Varianten mit einer umfangreichen Grundausstattung an Peripheriekomponenten, integrierter Busanbindung und op­tionalem 3-D-Beschleuniger für die Grafikkarte. Aufgrund der Skalierbarkeit kann sie in vielen indus­triellen Anwendungen als zentraler Mikroprozessor zum Einsatz kommen. Beispiele sind Steuerungen, HMI, intelligente ­Motorsteuerungen (Servo-Drive) sowie ein­fache IO-Module. Zugeschnitten auf die unterschiedlichen Einsatzgebiete werden verschiedene Evaluierungs- und Entwicklungsboards (EVM) mit dem AM335x-Mikroprozessor angeboten.

Wichtige Systemeigenschaften im Überblick
Die Sitara-AM335x-Mikro­prozessor-Familie ist mit ­Cortex A8 von 300 MHz bis 800 MHz verfügbar. Onboard befinden sich 6 × UART, zwei CAN-Ports, zwei Master-Slave-SPI-Ports, zwei Mc-ASP-Ports, drei Master-Slave-I2C-Ports ­sowie eine Speicherschnittstelle (GPMC) zur Anbindung externer Asic, FPGA und anderer externer Komponenten mit asynchroner und synchroner Schnittstelle. Zudem sind in allen Varianten ein 2-Port-Gbit-Ethernet-Switch und ein 24-bit-LCD-Port mit Touchscreen-Interface integriert. Die auf dem SGX530 basierte 3-D-Graphics-Engine von Power VR steht bei einigen Bausteinen als Option für Display und 3-D-Effekte zur Verfügung.
Die Mikroprozessoren der Sitara-AM335x-Familie unterscheiden sich von anderen durch das Industrial Communication Subsystem (ICSS), einem flexiblen Feldbus-Lösungsansatz. In das ICSS lässt sich zur Applikationslaufzeit eine Feldbus-Firmware laden. Die alternativ benötigten Asic oder FPGA zur Unterstützung verschiedener Feldbusschnitt­stellen können damit eingespart werden. Außerdem entscheidet der Gerätehersteller mithilfe der ARM-Applikations-Software individuell, welche Feldbusschnittstelle(n) das Produkt unter­stützen soll. Mit dem ICSS werden Feldbusprotokolle mit kurzer Ethernet-Frame-Durchlaufzeit unterstützt (Cut-Through). Bei Echtzeit-Ethernet-basierten Protokollen, wie Ethercat Slave oder Profinet IRT, werden dabei bereits die ersten Bytes des Ethernet-Pakets beim Empfang analysiert. Das ICSS entscheidet umgehend, ob das Paket an den zweiten Ethernet-Port weitergeleitet oder im Feldbus-Stack im Cortex A8 bearbeitet wird. Mit diesem Mechanismus sind Durchlaufzeiten bei industriellen Geräten mit zwei Ports von weniger als 1 ms möglich. TI stellt für verschiedene Sitara-Derivate mit ICSS-Unterstützung die Feldbus-Firm­ware für Profibus-DP-Slave- und Ethercat-Slave-Controller bereit. Weitere Busprotokolle befinden sich in der ­Entwicklung.

EVM in Industrieanwendungen einsetzen
Für Hersteller, die IO-Module, Sensoren/Aktoren und Steue­rungen auf Basis des AM335x-Mikroprozessors evaluieren und entwickeln möchten, wird das Industrial Communication Engine Board (ICE Board) zur Verfügung gestellt (Bild 1). Zwei auf dem ICSS basierende Ethernet-Schnittstellen sind auf RJ45-Buchsen herausgeführt. Zusätzlich sind die Profibus- und CAN-Ports über einen SUB-D-­Stecker zugänglich. Das ICE Board verfügt über acht digitale Ein- und Ausgänge sowie einen analogen Temperatursensor. Softwareunterstützung erhält es vom Industrial Software Development Kit mit Sys-Bios, einem RTOS von TI http://www.ti.com. Weiterer Bestandteil des SDK sind Applikationsbeispiele für Profibus-DP-Slave- und Ethercat-Slave-Controller.
Zur Evaluierung von Applikationen mit ­intelligenter ­Motorsteuerung und Echtzeit-Ethernet-Schnittstelle wird das Industrial Development Kit angeboten. Dabei stellt der Sitara-AM335x-Mikroprozessor für die Motoransteue­rung drei komplementäre PWM-Ports mit hochgenauer Auflösung bereit. Selbst langsam drehende Motoren lassen sich damit exakt regeln. Die Motor-Regel­schleife kann über den Piccolo-Mikrocontroller für die Strommessung und mit dem vorhandenen Quadratur-­Encoder (QEP) realisiert werden. Die auf dem IDK verwendeten PWM-Treiberbausteine unterstützen Motoren bis 60 V. Auch hier wird das Industrial-SDK mit Sys-Bios mit den Profibus-DP-Slave- und Ethercat-Slave-Controller-Beispielen ausgeliefert.
Darüber hinaus steht mit dem Starter Kit Board (Bild 2), das mit einem 4,3-Zoll-LCD mit Touchscreen bestückt ist, ein EVM für HMI-Applikationen bereit. Betriebssystem-Unterstützung erhält das Starter Kit von Linux und Android, das auf je einer Mikro-SD-Karte dem EVM beiliegt. Die Ethernet-Anbindung für Webserver- oder FTP-Dienste wird über zwei Ports des Gbit-Ethernet-Switches realisiert. Ethernet-basierte Bussyteme mit Store-and-forward-Architektur, zum Beispiel Profinet IO oder Ethernet IP, können auch mit dem Gbit-Ethernet-Switch realisiert werden. Zusätzlich steht bei dem EVM auch die SGX530-basierte 3-D-Graphics-­Engine von Power-VR als Beschleuniger für 3-D-Effekte zur Verfügung.
Beagle Bone ist ein Linux Community Board, das sich mit Zusatzplatinen (Capes) erweitern lässt und als universelle Evaluierungs- und Entwicklungsplattform zur Verfügung steht. Community-Mitglieder und verschiedene Dritthersteller bieten bereits eine große Auswahl an Applikations-Capes an. Hiermit können Steuerungen und IO Devices basierend auf Standard-Ethernet-MAC-Feldbus realisiert werden. Eigene Capes für kundenspezifische Applikationen lassen sich leicht erstellen.

Zusammenfassung
Die Sitara-AM335x-Mikroprozessor-Familie wird in verschiedenen Feldbus- und Geschwindigkeitsvarianten sowie mit einem optionalen 3-D-Beschleuniger für Grafikkarten angeboten. Alle Varianten haben bereits wichtige Systemkomponenten integriert. Der Hersteller hat die Möglichkeit, auf eine bereits existierende Hardware- und Softwareinfrastruktur zuzugreifen, um die Evaluierungs- und Entwicklungsphase zu reduzieren und um eine schnellere Markteinführung des Produkts zu erreichen. (ih)

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Autor: Thomas Mauer ist als System-Applikations­ingenieur im Industrial Automation Lab bei Texas Instruments in Freising tätig.