Programmierbare Logik FPGAs, die flexible Plattform für industrielle Systeme

Redakteur: Ines Stotz

Moderne Applikationen wie Industrial-Ethernet erfordern jedoch eine flexible Anpassung der Hard- und Software-Plattformen, leistungsfähige digitale Signalverarbeitung, kurze Entwicklungszeiten und geringe Design-Kosten – alles Kriterien, die für FPGAs sprechen.

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„Die Flexibilität von FPGAs eröffnet Entwicklern einen speziellen Design-Ansatz, um mit einem einzigen Hardware-Design mehrere verschiedene Produkte schnell und kostengünstig realisieren zu können“, erklärt Frank Hansen, Market Development Manager Industrial, bei Altera. Eine programmierbare FPGA-Plattform (Field Programmable Gate Arrays) ermöglicht es nämlich, neue Funktionen oder Standards durch einfache Neuprogrammierung zu implementieren. „Somit kann man auf geänderte Anforderungen oder Standards schnell und mit minimalem Aufwand reagieren“, hebt der Manager die Vorteile hervor. Sogar direkt im Feld oder der Fertigungsanlage lassen sich Produkte mit FPGAs modifizieren oder aufrüsten. Zudem vermeiden sie das Risiko von Produkt-Abkündigungen. Frank Hansen beziffert die dadurch verursachten Hardware-Kosten für die OEMs mit mehreren Millionen Euro. Auch würden Schätzungen davon ausgehen, dass etwa 15 bis 20 Prozent der Entwicklungszeit für das entsprechende Re-Design von Systemfunktionen und das Update der Dokumentation aufgewandt werden.

Vielfältige Anwendungen

FPGAs sind prädestiniert für vielfältige Applikationen, beispielsweise in der Sicherheit, Automatisierung und Steuerung, Messtechnik, Antrieben und Gehäuseautomatisierung. Der Marktreport „World Market for Semiconductors in Industrial“ von IMS Research (2005) geht von einem Anstieg des Marktvolumens für FPGAs in der Industrie von ca. 600 Millionen US-Dollar im Jahr 2005 auf mehr als eine Milliarde Dollar bis 2010 aus, wobei dabei nahezu 50 Prozent auf die Automatisierung und Antriebe entfallen. Nach Einschätzung der ARC Advisory Group erreichen zum Beispiel Ethernet-Feldgeräte in den nächsten fünf Jahren ein durchschnittliches jährliches Wachstum von über 50 Prozent – ein enormes Potenzial für FPGA-basierte Lösungen.

Beispiel Industrial-Ethernet

Die generelle Problematik bei der Implementierung von Industrial-Ethernet bzw. Echtzeit-Ethernet besteht in den vielen unterschiedlichen Standards – derzeit listet die Website www.real-time-ethernet (siehe Kasten) insgesamt 20 verschiedene auf, unterstützt von zahlreichen Firmen, Nutzergruppen und Organisationen. „Im Hinblick auf die geforderte Flexibilität, aber auch die Kosten spricht daher vieles für eine programmierbare Lösung wie FPGAs, denn es eröffnen sich maßgeschneiderte, skalierbare und zukunftssichere Lösungen“, begründet Frank Hansen.

Gerätehersteller können auch mehrere Standards auf einer Plattform unterstützen und so die Interoperabilität sichern – dazu gehören u.a. Profinet/IO, Sercos III, Cip Sync, Ethernet-Powerlink, Ethernet/IP und EtherCAT. Normalerweise erfordert diese Vielfalt bei herkömmlichen Designs jeweilige Adapter-Karten, mit entsprechend hohen Kosten und Logistikaufwand. Weitere wesentliche Vorteile einer FPGA-basierten Lösung seien die Wiederverwendbarkeit von IPs, schnelle Time-to-Market, hohe Kosteneffizienz und der Schutz vor Produktabkündigungen.

Deutlich weniger Kosten pro Ethernet-Knoten

„Immer mehr Anwender erkennen die Vorteile von FPGAs, insbesondere bei sich gerade entwickelnden Märkten bzw. Standards“, urteilt deshalb der Experte und zählt die erforderlichen Komponenten auf, die für eine erfolgreiche Implementierung wie Echtzeit-Ethernet zur Verfügung stehen: Low-Cost-FPGAs der Cyclone II-Familie, SOPC-Builder-Tool für eine einfache und effiziente Systemintegration, Nios II-Prozessor und Peripherals wie UART, Timer, GPIO, SPS oder IP-Funktionsblöcke wie PCI, CAN sowie Ethernet-MACs. „Damit lassen sich, so Hansen, die Kosten pro Ethernet-Knoten deutlich senken, inklusive der notwendigen Verarbeitungs-Infrastruktur für die Anwendung.“

Dabei bieten FPGAs die Möglichkeit zwischen Software-Lösungen, die Ressourcen sparen, und Hardware-Beschleunigern für anspruchsvolle High-Speed-Anwendungen zu wählen. Hersteller kostensensibler Geräte bekommen mit dieser Single-Chip-Lösung Zugang zu einer universellen, flexiblen Architektur, die sich an die Anwendung anpassen lässt. Darüber hinaus ist nur noch der spezifische Transceiver erforderlich, um die elektrischen Charakteristika zu liefern. Das FPGA kann dann bei der Fertigung für den jeweiligen Feldbus programmiert werden. Auch Änderungen der Standard-Spezifikation lassen sich einfach adaptieren und im Feld neu programmieren.

Derzeit bietet der Hersteller programmierbarer Logik aus San Jose, Altera, zusammen mit den Partnerfirmen Lösungen für EtherCAT (IP-Core von Beckhoff), Ethernet-Powerlink (IP-Core von B&R), Sercos III (IP-Core von IGS), EtherNet/IP (Standard-MAC) und Profinet/IO (Standard-MAC). Dabei können alle IP-Cores mit demselben Referenz-Board eingesetzt werden. Das Entwicklungs-Board DBC2C20 ist eine Evaluierungs-Plattform, die verschiedene Feldbus-Standards – auch .net von Microsoft – unterstützt. Das hier eingesetzte Cyclone II-FPGA weist genügend Ressourcen auf, so dass der Entwickler darauf ein komplettes Fabrikautomatisierungs-System implementieren kann. Das Board ist mit verschiedenen Industriestandard-I/Os für die direkte Anbindung in der Automatisierung ausgestattet wie CAN, RS485, RS232 und 24-V-I/Os. Mit dem Board werden neben dem Nios-II-Prozessor verschiedene IP-Cores wie ein Ethernet-MAC oder CAN-Controller für die schnelle, effiziente Evaluierung geliefert.

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