Az Ethernet és az USB kombinációja összeköti az ipari rendszereket
Lance Hemmings – termékmenedzser – RS Components
Két, egymással látszólag szembenálló trend irányítja a beágyazott technológiák piacainak nagy részét: a modularitás és a csatlakoztathatóság. A moduláris kialakítás számos előnnyel jár, de csatlakoztathatóság nélkül a végső megoldást megvalósíthatatlanná teszi.
Gyorsan terjed a moduláris platformok alkalmazása, amelyek gyakran egykártyás számítógépeken (SBC) és a funkcionalitásaikat bővítő „vendégpanelek” (a szakzsargonban daugther card vagy mezzanine kártya néven is emlegetett modulok) egyre szélesedő választékán alapulnak. Ezek hatékony alternatívát jelentenek a korábban alkalmazott megoldásokkal, különösen a kisebb méretű egységekkel szemben. Az Intel ipari processzoraihoz és lapkakészleteihez bevezetett támogatása nagymértékben felgyorsította az x86-alapú SBC-k alkalmazását az ipari feldolgozás és vezérlés területén. Az ARM-rendszerek dominanciája alternatív SBC-k széles választékát vonzza maga után, amelyek több olyan alkalmazási területet is megcéloznak, ahol különös figyelmet kell fordítani a költségek visszafogására.
A moduláris számítógépeket felhasználó rendszertervek a csatlakoztathatóság terén is előnyöket élveznek. A megoldás alapjául szolgáló processzorcsaládoktól függetlenül az SBC-gyártók teljes mértékben egyetértenek abban, hogy ehhez nélkülözhetetlen két szabvány, az USB és az Ethernet használata.
USB és Ethernet
Egyik szabvány sem az ipari szektorban gyökerezik, de mindegyiket egyre nagyobb számban használják fel az ipari alkalmazásokban is. Univerzális kompatibilitásuknak köszönhetően gyakorlatilag az összes moduláris számítógépekben használt, beágyazott operációs rendszerhez elérhetők az alacsony szintű USB és Ethernet-meghajtóprogramok (driverek). Jelenleg a legismertebb a Linux, amely megbízhatóan futtatható x86-, MIPS vagy ARM-alapú rendszereken egyaránt. Fontos azonban megemlíteni, hogy az egyre hatékonyabb, ezért bonyolultabb ipari rendszerekben is használatba vett mikrovezérlők (MCU) is támogatják az USB és Ethernet-csatlakoztathatóságot anélkül, hogy ehhez olyan beágyazott operációs rendszerek szolgáltatásait vennék igénybe, mint a Linux.
A két fontos kommunikációs szabvány alkalmazása megszünteti az adatok továbbításának korlátait és ezzel jelentős tervezői erőforrásokat szabadít fel. Ezért – az adathordozhatóság előnyeit kihasználva – a tervezők egyre nagyobb hangsúlyt helyezhetnek az adatok létrehozására, gyűjtésére és szállítására. Emiatt tehát kereskedelmileg és technikailag is egyre nagyobb előnyökkel jár az USB és/vagy Ethernetcsatlakozások integrálása az új platformokba.
Először tekintsük át az USB vagy Ethernet-csatlakozások beépítésének lehetőségét a már meglevő, illetve tervezés alatt álló megoldásokhoz; majd foglalkozzunk a mikrovezérlő-gyártók által diktált trenddel, amelynek következtében az új adattovábbítási szabványok egyre növekvő arányban épülnek be az új MCU generációkba.
Az USB-csatlakozás utólagos integrációja meglevő rendszerekbe
Az USB előnyeit nemcsak a jelen és a jövő fejlesztéseiben, hanem a már meglevő, működő alkalmazásokhoz való integrálásával is ki lehet használni. A Future Technology Devices International (FTDI) az USB utólagos illesztéséhez kínál egyedi megoldásokat.
A rendszer kulcselemei a Vinculum vagy a Vinculum-II host/slave vezérlők, amelyek 16 bites mikrovezérlőt, flash és RAM tárolót is tartalmaznak, és számos interfészt támogatnak (az USB-n kívül például az UART-ot, az SPI-t, és a PWM-et is a rugalmas adatkezeléshez szükséges FIFO-tárolóval). A teljes USB-protokoll kezelését az eszközben található célhardver-erőforrások végzik, felszabadítva ezzel a processzorteljesítményt a felhasználó által fejlesztett alkalmazás számára. A Vinculum-alapú modulok széles választéka egészen egyszerű módot kínál arra, hogyan alkalmazhatja a felhasználó egy mikrokontroller tartalék soros portját teljesértékű USB-csatlakozóként anélkül, hogy az USB-funkcionalitáshoz szükséges protokollszoftverek vagy driver firmware-ek megvalósításával kéne foglalkoznia.
Az FTDI nemrégiben jelentette be egy új, Vinculo nevű USBmegoldás bevezetését, amely ötletesen kombinálja a moduláris elképzelést az USB-csatlakozás integrált megközelítésével. A Vinculo olyan fejlesztői platform, amelyet az Arduino Due/Uno platform1 tervezői kezdeményeztek – az RS Components erőteljes támogatásával – az USB 2.0 csatlakozás alkalmazására beágyazott rendszerekben.
A Vinculo-platform (1. ábra - ld. fent) segítségével a fejlesztők úgy integrálhatják az USB 2.0 interfészt, hogy beépítik az FTDI Vinculum II VNC2-64 kétcsatornás host/slave vezérlőjének interfészlehetőségeit az Arduino nyílt forráskódú közösség által fejlesztett, egyre szélesebb körben elérhető, „shield” néven ismert I/O-kártyákba. Az RS-kínálatában a Vinculo fejlesztői platform és Vinculo shieldek is elérhetők. A Vinculo-platform magában foglalja a fejlesztéshez szükséges hardvereket és szoftvereket, ezenfelül pedig egy 8 csatornás,10-bites analóg-digitális konvertert (ADC) is, amely a VNC2 PWM-interfészével együtt lehetővé teszi a platform használatát analóg szabályozóhurkokban is. Ezenkívül 38 általános célú I/O- (GPIO-) kivezetésén keresztül digitális vezérlés is megvalósítható. A Vinculo ANSI-C-alapú programnyelvét az FTDI ingyenes szoftverfejlesztő eszközei, könyvtárai és referenciatervei is támogatják. Ez magában foglalja a teljes driverkönyvtárat, amely az USB-háttértár, Human Interface Device (HID), nyomtató, kommunikáció vagy műszerezés létrehozásához szükséges. A „Proto” kártya (2. ábra) pedig lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy saját shield-eket hozzanak létre.
2. ábra A Proto-kártya
Ethernet Arduinóval
Az Arduino-platform flexibilitása lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy Ethernet-csatlakozón keresztül kapcsolódjanak az internetre az Arduino Ethernet Plug-In-Module segítségével. Az Atmel AVR mikrovezérlőn és Wiznet W5100 Ethernet-csipen alapuló modullal olyan hálózati alkalmazások valósíthatók meg, amelyek az IP-alapú kommunikációhoz nélkülözhetetlen TCPés UDP-protokollt használják. A vezérlő egyszerre négy csatlakozót támogat, és a kártyán elérthető az az Ethernet-könyvtár is, amelyet Arduino programok („sketch”-ek) írásához lehet felhasználni. Az Arduino-kártyák a shield segítségével csatlakoznak az internethez. Az Arduino-processzorkártyához csavart-vezetékpáros elosztón keresztül újabb shield-et lehet csatlakoztatni. A kártyán található micro-SD foglalatba helyezett flash-kártyán a fájlok tárolása is megoldható.
Természetes USB és Ethernet-támogatás
A moduláris megoldásokban támogatott természetes USB és Ethernet-csatlakozásokat egyre gyakrabban a mikrovezérlőkbe is integrálják. Ez az ARMés a MIPS-rendszerre különösen jellemző, ez is hozzájárul ahhoz, hogy szinte egyeduralkodóak lehetnek a piacon. A 32 bites mag egyszerűbbé teszi a vezetékes és vezeték nélküli kommunikációs protokollok természetes támogatását, amely világosan látható az ARM-rendszeren alapuló (NXP, STMicroelectronics és Atmel), a Microchip PIC32 és a MIPS-magos mikrovezérlők egyre növekvő számából. A szokásos I/O mellett a a mérnökök által elvárt legfontosabb tulajdonságokat: az Ethernetés az USB-csatlakozást most már szinte az összes gyártó ajánlja.
Az ilyen szintű integráció sokkal egyszerűbbé teszi az USB és az Ethernet beillesztését egy beágyazott alkalmazásba, ezenfelül természetesen minden eszközhöz teljes könyvtár és drivertámogatás jár, hogy az integráció a lehető legkönnyebb módon végrehajtható legyen.
Hosszú távú elérhetőség
Az Ethernet és az USB is egyre inkább ismertté válik az ipari környezetben is. Ezeknek a technológiáknak a globális alkalmazása egyre inkább elterjed az egész iparágban; tehát arra lehet számítani, hogy hosszú ideig széles körben elérhetők és támogatottak maradnak. Az USB és az Ethernet mára olyan erős piaci pozícióra tett szert, amelynek alapján nem valószínű, hogy bármilyen alternatív megoldás hamarosan kiszorítaná. Az ipari piacnak pontosan erre – hosszú távon garantált elérhetőségre – van szüksége. Ahogy a felhasználásuk az ipari szektorban növekszik, előbb-utóbb minden alkalmazási területet érint majd. A fejlesztőknek tehát már most érdemes olyan koncepciókat megfogalmazniuk, amelyben az USB és/vagy az Ethernet is szerepet kap.
RS Components Magyarország
Tel.: +36 1 408 8371
Fax: +36 1 408 8372
E-mail:
www.rscomponents.hu
------------
1 Az Arduino moduláris beágyazott vezérlőrendszerről bővebben lásd: www.arduino.cc – A szerk. megj.
