Embedded & Mikroprozessoren Flexibler kommunizieren

Bis vor Kurzem bestand die Embedded-Technologie noch aus Punktlösungen, die darauf ausgelegt waren, eine einzelne Funktion oder eine geringe Anzahl an Funktionen als eigenständige Einrichtungen auszuführen. Selbst als der PC Einzug hielt, waren Netzwerke geschlossene Systeme, die nur wenige Geräte, Einrichtungen oder Standorte miteinander verknüpften. Heute dagegen arbeiten immer weniger Einrichtung isoliert: Die Datenanbindung ist so allgegenwärtig, dass selbst kleinste Geräte einen gewissen Grad an Vernetzung bieten. Genau dieses Konzept treibt das Internet der Dinge (IoT), M2M und Industrie 4.0 voran, genauso wie das Smart Grid und die Gebäudeautomatisierung.

Datenanbindung findet sich heute überall und deckt jeden Aspekt unserer Gesellschaft ab. Die größere Mobilität von Menschen und Daten sorgt für mehr Effizienz bei Handel und Konsum. Die schnelle Akzeptanz dieser Datenanbindung birgt allerdings auch Herausforderungen in sich. So müssen zum Beispiel bereits bestehende Protokolle weiter unterstützt werden, um die Vorteile neuester Entwicklungen nutzen zu können.

Daten sorgen für mehr Anbindung

Dieser scheinbar unstillbare Drang, Dinge miteinander zu verbinden, liegt in dem Wert der Daten begründet, die dabei ausgetauscht werden. Neben den genannten Trends, die alle großen Einfluss auf den Embedded-Elektronikmarkt haben, zeigt sich ein größerer, übergeordneter Trend, der die Entwicklung entscheidend beeinflusst: Big Data. Das Konzept von Big Data stützt sich auf der Wertschöpfung aus unterschiedlichen Datensätzen. Dies erfordert zweierlei: viel Rechenleistung und viele Daten. Die Rechenleistung steht über Server-Farmen und cloud-basierte Dienste zur Verfügung. Die Daten werden fast über jede Aktivität bereitgestellt, die messbar ist.

Um dieses Datenvolumen aus den Einrichtungen bzw. Geräten zu erhalten und mit der Cloud zu verknüpfen, ist eine Anbindung erforderlich. Während für die vernetzte Welt eine eindeutig definierte Infrastruktur vorhanden ist (Ethernet), zeigt sich der Embedded-Bereich weniger einheitlich. Die Notwendigkeit einer Ethernet-Anbindung ist für Embedded-Entwickler nicht immer selbstverständlich, da Kosten gesenkt werden müssen, eine Ethernet-Anbindung nicht kostenlos und daher zu rechtfertigen ist. Das Hinzufügen von Ethernet in ein ressourcenbeschränktes Embedded-System erhöht auch die Komplexität, nicht zuletzt durch den zusätzlichen Software-Aufwand.

Neben dem Datentransfer muss auch ein sicherer Zugriff auf die Einrichtungen garantiert werden – zur Steuerung und um das IoT, M2M und Industrie 4.0 zu unterstützen. Dabei wird Ethernet in allen seinen Formen immer mehr zum Standard. Als Rückgrat des Internets sorgt es für WAN-Zugriff (Wide Area Network) auf lokal vernetzte Einrichtungen und erlaubt von jedem Ort aus den Zugriff auf diese Einrichtungen und deren Steuerung.

Herausforderungen für Entwickler

Entwickler müssen heute neben den herkömmlichen Datenanbindungsstandards zunehmend auch den Bedarf an neuen Anbindungstechniken abdecken. Meist ist eine lokale Anbindung in Form eines seriellen Standardbusses erforderlich, wie zum Beispiel RS232/485 CAN. Die meisten kostengünstigen Mikrocontroller (MCUs) bieten diese oder eine andere Form von UART oder universelle I/Os (GPIO). Allerdings wird GPIO selten für den Datentransfer in ein größeres Netzwerk verwendet, vor allem nicht außerhalb des Industriebereichs.

USB ist zunehmend als lokale Anbindung von Embedded-Systemen im Einsatz. Wie bei GPIO oder einem einfachen seriellen Bus bietet es hohe Flexibilität und einen allgemein anerkannten Standard. Hinzu kommt, dass eine USB-Anbindung einfach in kostengünstige MCUs integrierbar ist, weshalb viele Anbieter nun MCUs mit USB-Funktion anbieten. Immer mehr Geräte und Einrichtungen, die früher eigenständig betrieben wurden, lassen sich somit vernetzen. Am wichtigsten jedoch ist, dass das USB-Protokoll einem einzelnen Gerät erlaubt, als Hub zu arbeiten. Damit erweitert sich die I/O-Funktion einer USB-fähigen Einrichtung. In dieser Hinsicht bietet USB also eine wesentlich flexiblere Lösung als andere, einfachere serielle Schnittstellen – vor allem, wenn eine zukunftssichere Schnittstelle gefragt ist.

Weitere Vorteile von USB sind die Umsetzung einer gestuften Hierarchie und dass ein einzelner Controller eine ganze Reihe von Einrichtungen spezifizieren kann. Dies können physikalische Geräte sein, die erweiterte Funktionen bieten, wobei das Protokoll dieser Geräte ein bestimmtes Maß an Autonomie und Steuerung über das Host-System verlangt.

Verwendet man zum Beispiel das USB-Protokoll, lässt sich ein Embedded-System um Funktionen erweitern, die seine ursprüngliche Hardware-Spezifikation bei Weitem übersteigen – vor allem wenn die Software des Systems auf einer MCU gehostet wird, die für Upgrades im Feld tauglich ist. Zahlreiche Embedded-Systeme ließen sich so um eine USB-Schnittstelle erweitern, um Bestandteil eines größeren Netzwerkes zu werden – bis zu dem Punkt, dass sie über jede vernetzte Einrichtung zugänglich sind. Diese Art von Datenanbindung kann sehr kostspielig sein, wenn man sie zusätzlich mit entwerfen muss. Mit USB als Gateway wird sie jedoch praktisch und erschwinglich.

Wichtige Parameter: Bauteilkosten, -größe und -stromverbrauch

Datenanbindung für Embedded-Systeme lässt sich durch eine leistungsfähigere MCU hinzufügen, die zahlreiche Schnittstellen bietet. Für bestimmte Anwendungen ist dies die beste Option. Für andere und damit den Großteil der Embedded-Systeme sind jedoch die Kosten, die Größe und der Stromverbrauch zu hoch. Größere Bausteine fügen auch redundante GPIOs hinzu, die in einer bestimmten Anwendung nicht erforderlich sind und die Systemgröße sowie den Stromverbrauch unnötig erhöhen.

USB bietet zwar die Flexibilität, verschiedene Schnittstellenstandards abzudecken; in der Praxis kann die Umsetzung dieser Standards jedoch eine Herausforderung für ressourcenbeschränkte Plattformen sein. So sind zwar verschiedene Erweiterungs-ICs erhältlich, mit denen sich die Anzahl der GPIOs einer kostengünstigen MCU erhöhen lässt, um verschiedene Steuerungs- und Überwachungsanwendungen zu unterstützen – das Hinzufügen einer schnellen Schnittstellen wie USB oder einer Netzwerkanbindung wie Ethernet erhöht jedoch die Anzahl diskreter ICs erheblich, was wiederum das Platzangebot und das Kostenbudget sprengt.

Bei großen Stückzahlen hilft ein ASIC, der verschiedene Schnittstellenstandards abdeckt. Einen solchen Baustein kann man zwar stromsparend und mit geringem Platzbedarf entwickeln, seine einmalig anfallenden Entwicklungskosten rechtfertigen aber kleine Stückzahlen nicht.

Eine praktische Alternative zu einem ASIC ist ein ASSP (Application-Specific Standard Part), ein Baustein, der für eine bestimmte Funktion ausgelegt ist. Port-Expander für die Anschlusserweiterung sind üblicherweise ASSPs. Bis jetzt hat aber noch kein Halbleiterhersteller einen einzelnen ASSP entwickelt, der verschiedene Kommunikationsstandards abdeckt. Die Hersteller sind gezwungen, entweder eine Highend-MCU, ein FPGA oder mehrere ASSPs einzusetzen.

Um die Vorteile von USB umfassend zu nutzen, wurde hat der Hersteller Exar ein ASSP entwickelt, der I²C-, UART- und Ethernet-Schnittstellen sowie flexible GPIOs enthält. Alle Funktionen sind als USB-Endpunkt spezifiziert und lassen sich über Standard-USB-Treiber steuern, wie sie in der Firmware der Host-MCU enthalten sind. Standard-USB-Befehle, klassenspezifische Befehle oder spezielle Befehle ermöglichen die vollständige Kontrolle der Kommunikationsperipherie, die sich über spezielle Register konfigurieren lässt. On-Chip-OTP-Speicher erlaubt den Herstellern das Ändern von Merkmalen wie Hersteller-ID und Vendor String. Und jeder Baustein hat eine eigens zugewiesene Ethernet-MAC-Adresse.

Die Möglichkeit, ein Embedded-Design mit einem kostengünstigen Baustein um verschiedene Kommunikationsschnittstellen zu erweitern, ist für OEMs die Antwort auf das Problem, zusätzliche Flexibilität in ressourcenbeschränkte Plattformen zu integrieren.