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<H1>www.aud24.net : M. Bodenschatz: "Kommunikationszentrum PC/104"</H1>
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Redaktion
> <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD>
<TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>09.07.2001</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>kontron Embedded Moduls GmbH:</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>M. Bodenschatz: "Kommunikationszentrum PC/104"</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Flexible Kommunikation auf 90 x 96 mm</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailContent>PC/104 ist ein Inbegriff der Embedded-Computer-Industrie und eröffnet zahllose Einsatzmöglichkeiten durch sein fest spezifiziertes Design sowie durch die Vielzahl an PC/104-Karten. Für höchste Flexibilität in der Kommunikation waren bisher allerdings häufig mehrere Karten notwendig. Jumptec hat jetzt ein Produkt entwickelt, dass dank der breiten Unterstützung von Kommunikationsschnittstellen viele Anwendungsfälle mit einem Board abdeckt.<BR><BR>Beginnend mit einfachen 386-Systemen, die gerade einmal über zwei serielle, einer parallelen und einer Keyboard-Schnittstelle verfügten und mit 2 MB DRAM und ebensoviel Flash auskommen mussten, durchlief der PC/104 in den letzten Jahren eine beeindruckende Evolution, die dafür gesorgt hat, dass diese Produktkategorie auch aktuelle Anwendungen mit hohen Anforderungen an Performance und Bandbreite abdeckt. Der Markt bietet heute neben Standardkarten applikationsspezifische Produkte: So bietet der High-end-Bereich DSP-Boards, ‚Power PC‘-, ‚STPC‘- und ‚Geode‘-Designs, die sich klar in den adressierten Anwendung unterscheiden.<BR><BR>Anforderungen der Industrie<BR><BR>Welchen Anforderungen muss ein Embedded Board erfüllen, wenn es sich im weiten Feld der Kommunikation in der Automation bewähren soll?<BR><BR>· Keine beweglichen Teile<BR>· Keine aktive Kühlung<BR>· Geringe Leistungsaufnahme<BR>· Embedded CPU<BR>· Kommunikationsinterfaces für die Vielzahl der Applikationen:<BR>o LPT<BR>o 4 x COM<BR>o 10/100-MBit-Ethernet<BR>o USB<BR>o CAN-Bus<BR><BR>Bis vor kurzem waren diese Anforderungen gleichzeitig nur mit drei PC/104-Karten zu erfüllen: Einer Kombination aus einer CPU-Karte, einer CAN-Bus-Karte sowie einer Ethernet/COM-Karte.<BR>Die Kombination aus drei Karten birgt aber einige Nachteil gegenüber einer Einzelkartenlösung: ein bedeutet höheres Kostenniveau, einen höheren Aufwand in der Fertigung, ein höhere Fehlerrate und natürlich einen größeren Platzbedarf.<BR><BR>Eine Karte als Kommunikationszentrale<BR><BR>Der ‚MOPS/520‘ ist die Antwort auf diese Problematik und erfüllt die gestellten Anforderungen: Die für die Karte verwendete‚SC520‘-CPU von AMD benötigt durch das extreme Low-power-Design keine aktive Kühlung. Bei der Entwicklung der Karte konnte so vollständig auf bewegliche Teile verzichtet werden. Da z.B. kein ausfallsgefährdeter Lüfter benötigt wird, reduziert sich die Fehleranfälligkeit wodurch eine längere Systemlaufzeit erreicht werden konnte. Die geringe Leistungsaufnahme der Elektronik drückt den Leistungsbedarf zudem auf unter fünf Watt.<BR><BR>Flexibilität durch umfassende Schnittstelleunterstützung<BR><BR>Die im Folgenden beschriebenen Charakteristika der vom PC/104 unterstützten Busse ermöglichen es dem Anwender, flexibel auf die jeweiligen industriellen Kommunikationsanforderungen zu reagieren:<BR><BR>Parallele Schnittstelle<BR><BR>Mit Hilfe der parallelen Schnittstelle ist die Anbindung einer Low-cost-Visualisierung per alphanumerischem Display möglich. Die unidirektionale 8-Bit-Übertragung via Standard-Parallel-Port erlaubt Raten bis zu 150 kBit/s. Die bidirektionale 8-Bit-Kommunikation erlaubt ca. 500 kBit/s sowie Handshake-Protokolle zwischen Sender und Empfänger. Bei dem Enhanced-Parallel-Port gibt es zwei unterschiedliche Standards, EPP-1.7 und EPP-1284, mit 500 kBit/s bis zu 2 MBit/s.<BR>Die acht parallel arbeitenden Datenleitungen transportieren mehr Daten, jedoch bei geringerer Geschwindigkeit als eine serielle Schnittstelle. Mit einer Kabellänge von 1,8 bis 2 m lässt sich neben einem alphanumerischen Display alternativ auch einfach und kostengünstig ein Prozessdrucker installieren.<BR><BR>Serielle Schnittstelle<BR><BR>Eine reine serielle Schnittstelle überträgt mit bis zu 115 kbit/s (full duplex mode) und ist auf einen Empfänger beschränkt. Die Entfernungen, die ein RS-232-Interface ohne größeren Leistungsverlust überbrücken kann, liegt bei 15 m - dann ist eine weitere einfache Kabelverlängerung ohne Pegelverlust nicht mehr sinnvoll. <BR>Die Standard-RS-232 wurde ursprünglich mit 20 kBit/s und bei 15 m Kabellänge spezifiziert, die jedoch in Abhängigkeit vom Protokoll in Punkto Datenrate und Übertragungsstrecke performanter ausgebaut werden kann.<BR>Da getrennte Datenleitungen vorliegen und die serielle Schnittstelle nur zwischen einem Sender und Empfänger angewendet wird, können Datenkollisionen ausgeschlossen werden. Dies spricht für die Übertragungssicherheit dieses Mediums, schließt Multimasterfähigkeit jedoch aus.<BR><BR>Ethernet-Schnittstelle<BR><BR>Eine Ethernetschnittsstelle erreicht Übertragungsraten bis zu 100 MBit/s, und ist damit um ein 100faches schneller als der spezifizierte CAN-Bus. Anders als beim CAN erfolgt hier eine reine bidirektionale Kommunikation zwischen einem Sender und einem Empfänger.<BR>Durch die hohe Übertragungsgeschwindigkeit und -qualität über weite Kabelstrecken, z.B. in der Gebäudeautomation oder Industrievernetzung, findet Ethernet immer stärker Anwendung.<BR>Anders als bei der seriellen Schnittstelle gibt es hier keine getrennten Leitungen. Datenkollisionen sind nur bei fest und exklusiv verbundenem Sender und Empfänger ausgeschlossen.<BR>Bei einem Netzwerk mit mehreren Sendern und Empfängern gibt es hierfür das CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection). Dies ist ein Verfahren, dass die Controller unabhängig von einer globalen Synchronisation auf den Bus zugreifen lässt, ohne dass es zu einer Datenkollision kommt.<BR>Netzwerke, wie das Internet, zeigen, dass auch bei dem Ausfall eines Knotens, die Kommunikationsfähigkeit nicht leiden muss. Ethernet hat sich zu einem soliden Kommunikationsmedium in der Industrie entwickelt.<BR><BR>USB-Schnittstelle<BR><BR>USB ist ein Single-master-Bus, d.h., dass alle Datentransfers in einem Kabel mit zwei Datenleitungen vom Host im PC zum Gerät gehen oder umgekehrt. Für jede Übertragung sind damit unterschiedliche Geschwindigkeiten möglich, wobei die Datenströme zwischen den Geräten über den Host laufen. Die Übertragungssicherheit steht und fällt mit der zentralen Funktion des Hosts.<BR>Eine USB 1.1 Schnittstelle überträgt mit bis zu 12 MBit/s, mit der Besonderheit, dass sich mit bis zu sechs Hubs - bei 5 m Kabellänge je Segment - , ein Aktionsradius von 30 m erreichen lässt. Maximal 127 Geräte lassen sich während des Betriebs an diesen Bus anschließen. USB ist für die Ankopplung von diversen Endgeräten prädestiniert, jedoch weniger für die industrielle Datenkommunikation.<BR><BR>CAN-Bus-Interface<BR><BR>Schließlich als Highlight des ‚Kommunikationszentrums PC/104‘, die Anschlussmöglichkeit für den CAN-Bus (Controller Area Network). Dies ist ein einfach gehaltenes serielles Bussystem, welches sich ganz besonders gut für die Anbindung intelligenter Geräte innerhalb eines Systems bis hinunter zu Sensoren und Aktoren eignet.<BR>In CAN-Netzwerken werden keine Empfänger oder Sender im herkömmlichen Sinn angesprochen, es werden vielmehr vorrangige Nachrichten übertragen.<BR>Der Transmitter sendet eine Nachricht an alle CAN-Knoten, wobei jeder Knoten für sich darüber entscheidet, ob er die Information verarbeiten soll oder nicht. Diese Entscheidung darüber fällt auf Basis der erhaltenen Identifikation. Eben diese Trägerkennung bestimmt auch die Priorität, mit der diese Nachricht auf den Bus zugreift.<BR>Jede CAN-Nachricht kann 0 bis 8 Bytes Informationen übertragen. Mit entsprechender Segmentierung können auch längere Dateninformationen gesendet werden. Die maximale Übertragungsrate ist mit 1 MBit/s fest spezifiziert, was sich auf Netzwerke mit bis zu 40 m Übertragungsstrecke bezieht. Für weitere Entfernungen muss die Datenrate verringert werden, so können beispielsweise 500 m mit 125 kBit/s oder 1 km mit 50 kBit/s versorgt werden.<BR>Da jeder CAN-Knoten mit allen anderen Knoten in Verbindung treten kann, ist die Übertragung bei Ausfall eines Knotens nicht so kritisch zu betrachten, da die Kommunikation über das Knotennetzwerk weiterlaufen kann.<BR><BR>Vorteile des CAN-Busses<BR><BR>Die Vorteile des CAN-Busses, wie Multimasterfähigkeit, Sicherheit, hohe Übertragungsverlässlichkeit, niedrige Anbindungskosten pro Station, mehrer Anbieter, kompakte Controllerchips werden im Folgenden kurz näher beschrieben<BR>Der CAN-Bus besitzt die Multimasterfähigkeit, das heißt, dass sowohl alle CAN-Knoten Daten senden können als auch einige CAN-Knoten gleichzeitig den Bus beanspruchen können.<BR>Die hohe Übertragungsstabilität ist eines der herausragendsten Merkmale des CAN-Busses. Der CAN-Controller kann einen Sendefehler erkennen und statistisch auswerten, um entsprechend reagieren zu können, was sogar bis hin zur Abtrennung eines fehlerhaften CAN-Knotens gehen kann.<BR>Die hohe Übertragungszuverlässigkeit wird auch durch die bitweise Arbitrierung gewährleistet, die eine Datenkollision auf dem Bus verhindert.<BR>Es gibt bereits mehrere Millionen installierte CAN-Knoten sowie zahlreiche Anbieter von CAN-Controllern. Durch die starke Verwendung in der Automobilindustrie und der Industriekommunikation sowie durch die Versorgung durch verschieden Anbieter, ist die langfristige Verfügbarkeit und ein niedriges Preisniveau für die Controller sichergestellt. <BR>Für die gängigsten CAN-Controller gibt es off-the-shelf ganze Treiberbibliotheken, die die CAN-Integration erheblich vereinfachen. Fertig angepasste Treiber für die Echtzeitanwendung sind für ‚VxWorks‘ - oder kostengünstiger - für Linux sind verfügbar. Speziell darauf ausgerichtete Dienstleister helfen zudem bei der kundenspezifischen Treibergenerierung.<BR>Die kompakten CAN-Controllerchips, wie z.B. der ‚82527‘ von Intel mit ca. 13 x 13 mm Außenmaße in einem QFP44-Gehäuse lassen sich sehr gut auf begrenztem Raum wie einer PC/104-CPU-Karte integrieren. Damit spart man eine teure CAN-I/O-Zusatzkarte und verkleinert zudem das System um einen Stack.<BR><BR>Fazit<BR><BR>Der MOPS/520 stellt eine Synthese all dieser Bussysteme dar. Neben LPT, USB, drei RS232, einer TTL und 10/100-MBit-Ethernet-Schnittstelle besticht das Board durch den integrierten CAN-Controller. Der CAN-Bus schafft die bewährte Schnittstelle für die Automotive- oder Steuerungsaufgabe und erhöht die Flexibilität hinsichtlich der Anforderungen industrieller Kommunikation. Die Karte bietet keine Onboard-Grafik, denn die typischen Black-Box-Industrieanwendungen in feuer- oder stoßfesten Containern nutzen keine LCD- oder CRT-Anbindung. Dies sind reine embedded Kommunikations- und Steuerungssysteme - genau dafür ist dieses Board geschaffen.<BR></TD>
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<P><I>Diese Seite wurde am 22.09.2006, 13:55 Uhr aktualisiert</I></P>
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