Industrieel netwerkontwerp mogelijk maken met tijdgevoelige netwerken

OT (operationele technologie) en IT (informatietechnologie) kunnen verschillende realtime-behoeften hebben, maar ze zijn samengevoegd in de TSN (tijdgevoelige netwerk) Ethernet-gebaseerde standaarden. Leer meer over de theorie en hardware die betrokken zijn bij het implementeren van TSN in industrieel netwerkontwerp.

Apparaten in een fabriek kunnen heel verschillende behoeften en mogelijk tegenstrijdige doelen hebben bij communicatie via een netwerk. Operationeel technologieverkeer (OT), zoals machinebesturingsgegevens en sensorwaardemetingen, vereist doorgaans vaste tijdvertragingen, lage latentie en voorspelbare jitter. Informatietechnologie (IT) verkeer daarentegen zijn gegevens zoals e-mailverkeer.

In het IT-domein is communicatie doorgaans de beste poging, en nauwkeurige responstijden zijn niet van het grootste belang. In plaats daarvan is de algehele doorvoer het belangrijkste. Voor OT kunnen ontbrekende gegevens op een bepaald moment tot storingen leiden, en daarom moeten de pakketten hun bestemming bereiken binnen bepaalde realtime-beperkingen.

Tegenwoordig zijn er tal van verschillende industriële protocollen die worden gebruikt om dit probleem aan te pakken. Tijdgevoelig netwerken (TSN) is echter gebouwd op standaard Ethernet en heeft tot doel een uniforme standaard te creëren voor realtime communicatie via Ethernet. Het bereikt dit door OT- en IT-verkeer op een enkele netwerkkabel samen te voegen en determinisme aan Ethernet toe te voegen. Het doel is om netwerkvertragingen te verminderen en de latentie tussen eindpunten te verlagen om ervoor te zorgen dat bepaalde pakketten hun bestemming op tijd bereiken.

Dit artikel bespreekt TSN, de drie essentiële TSN-standaarden en hun typische gebruiksscenario's. Het onderzoekt ook drie NXP-apparaten (de Layerscape LS1028A, de i.MX RT1170 crossover MCU en de nieuwe i.MX 8M Plus) waarmee embedded engineers moderne verbonden real-time systemen voor industriële toepassingen kunnen ontwerpen.

Wat is TSN?

TSN is niet een enkele standaard, maar eerder een familie van standaarden gedefinieerd door de IEEE. De TSN-standaarden vormen de basis van de TSN-architectuur:

Figuur 1. De TSN-architectuur bestaat uit drie lagen. De IEEE-standaarden vormen de basis. TSN-profielen zitten bovenop de fundering en protocollen maken gebruik van de profielen

TSN-profielen zitten bovenop de TSN-standaarden en vormen de volgende laag van de architectuur. Deze profielen specificeren concreet hoe bepaalde TSN-functies gedefinieerd in de normen moeten worden geparametreerd. Zo'n profiel kan bijvoorbeeld parameters bevatten die beschrijven hoeveel nauwkeurigheid in kloktikken vereist is in een applicatie.

Een relatief volwassen TSN-profiel is IEC60802, dat de parameters voor industriële toepassingen definieert. Veel andere TSN-profielen, zoals automotive en medische toepassingen, zijn momenteel echter in ontwikkeling. Daarom configureert en specificeert het tweede niveau van de architectuur de functies die zijn gedefinieerd in de TSN-standaarden met een specifieke industrie of toepassing in gedachten. Ten slotte bevat de bovenste laag de protocollen zelf.

Essentiële TSN-normen

De 802.1AS-standaard voor timing en synchronisatie vormt de basis van TSN. IEEE 802.1AS bouwt voort op het Precision Time Protocol (PTP), waardoor meerdere apparaten in een netwerk hun interne klokken kunnen synchroniseren, waardoor geavanceerdere functies zoals tijdbewuste planning mogelijk worden.

De 802.1Qbv-standaard stelt TSN-compatibele apparaten in staat om OT- en IT-verkeer te combineren en beide over een enkele Ethernet-kabel te verzenden. Bovendien bevat deze substandaard een tijdbewuste shaper, waardoor het mogelijk is om een ​​schema te maken dat aangeeft wanneer bepaalde pakketten op een draad kunnen gaan. De apparaten binnen het netwerk komen overeen zich aan dat schema te houden en reserveren tijdvakken voor specifieke pakketten. Deze maatregelen leiden tot minimale en voorspelbare jitter en latentie bij het verzenden van geprioriteerde berichten tussen twee eindknooppunten:

Merk op dat 802.1AS ervoor zorgt dat alle apparaten op het netwerk een gesynchroniseerde tijdbasis delen. Daarom weten ze allemaal wanneer ze welk type verkeer over de netwerkkabels moeten sturen.

802.1CB is een andere belangrijke standaard van TSN. Deze substandaard stelt systeemontwerpers in staat om redundante communicatiestromen over een netwerk te creëren om de fouttolerantie te vergroten. Als deze functie is ingeschakeld, dupliceren 802.1CB-compatibele netwerkswitches automatisch gespecificeerde pakketten wanneer dat nodig is. Bovendien, wanneer een TSN-compatibele switch voor de eerste keer een uniek bericht ontvangt, worden alle overtollige kopieën later automatisch verwijderd. Door deze taken uit te besteden aan TSN-compatibele hardware is er geen ingewikkelde software meer nodig en wordt de hoofd-CPU minder belast.

Tot slot is 802.Qbu voor framepreemption een van de belangrijkste standaarden voor industriële automatisering. Van nature besteden industriële netwerken heel veel aandacht aan een bepaalde realtime-aanpak die respect vereist voor zeer strikte cyclustijden. Preemption helpt om een ​​dergelijke timing te behouden door een frame op meerdere fragmenten te splitsen die achtereenvolgens worden verzonden, tenzij er een express frame verschijnt.

Alle standaardframes kunnen worden onderbroken en gefragmenteerd in meerdere berichten, zolang de verzending van elk van de berichten kan worden voltooid binnen een configureerbare tijdsperiode die guardband (802.Qbr) wordt genoemd. Dergelijke systemen, gebruikt in combinatie met de preëmptie, voorkomen dat te lange of acyclische berichten de cyclustijd verlengen.

De grondbeginselen van tijdgevoelig netwerken geeft meer gedetailleerd inzicht in TSN en enkele van de hier besproken standaarden.

Tijdgevoelig netwerken inschakelen met NXP-apparaten

De Layerscape LS1028A, de i.MX RT1170 en de i.MX 8M Plus ondersteunen TSN-functies in verschillende mate. De volgende tabel geeft een overzicht van de TSN-standaarden en welke NXP-apparaten ze implementeren:

TSN-ready hardware is de eerste stap in het creëren van een betrouwbaar TSN-enabled Ethernet-netwerk. NXP biedt uitgebreide softwareondersteuning voor hun producten en een bibliotheek met SDK's en softwarevoorbeelden die verschillende functies demonstreren.

De Layerscape LS1028A draait meestal op een realtime besturingssysteem, zoals Open Industrial Linux (OpenIL), of een ander besturingssysteem op hoog niveau. De i.MX 8M Plus krijgt binnenkort ook ondersteuning voor OpenIL. NXP biedt ook open-sourceondersteuning voor TSN en tools om het te configureren. Voor OpenIL biedt NXP open-source driverondersteuning voor PTP. Met deze stuurprogramma's kunnen gebruikers de PTP-hardwareklok en tijdstempel regelen. Naast het softwareaanbod van NXP kunnen technici ook kiezen uit een reeks direct beschikbare commerciële softwarestacks.

De TSN-compatibele apparaten van vandaag

Het productportfolio van NXP biedt een aantal apparaten die hardwareondersteuning bieden voor tijdgevoelige netwerken in industriële omgevingen. Enkele voorbeelden zijn de Layerscape LS1028A, de i.MX RT1170 crossover MCU en de i.MX 8M Plus. Met deze apparaten kunnen embedded systeemingenieurs de industriële apparatuur van de toekomst ontwerpen door een hoge verwerkingskracht te combineren met een uitgebreide set randapparatuur, beveiligingsfuncties en co-processors die veeleisende taken aankunnen.

De LS1028A is een gevestigde applicatieprocessor die is gebaseerd op twee Cortex A72-verwerkingskernen. Het is in de eerste plaats bedoeld voor de automobiel- en industriële markten en wordt geleverd met een geïntegreerde netwerkswitch die verschillende TSN-functies via vier Ethernet-poorten ondersteunt. De LS1028A biedt ook een uitgebreide set randapparatuur (zoals een CAN-FD-interface), verschillende on-chip co-processors, een speciale GPU en LCD-controller en tal van beveiligingsfuncties. Doeltoepassingen zijn onder meer netwerkapparatuur, industriële HID en robotica.

Figuur 2. Het LS1028A blokschema. Afbeeldingsbron:NXP-productwebsite

De i.MX RT1170-familie van MCU's maakt gebruik van twee verwerkingskernen. Een ARM® Cortex®-M7-kern met een snelheid tot 1 GHz en een tweede speciale Cortex®-M4-processor met een kloksnelheid tot 400 MHz maken deze apparaten tot de snelste microcontrollers die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn. De prestaties en rijke portfolio van randapparatuur en functies maken de i.MX RT1170-familie van MCU's een ideale keuze voor een breed scala aan toepassingen. De apparaten ondersteunen maximaal twee megabyte SRAM en maximaal drie Ethernet-interfaces.

De i.MX RT1170 crossover MCU biedt ook een reeks moderne beveiligings- en cryptografische functionaliteit. Voor HMI-toepassingen bevatten de apparaten een speciale 2D GPU en 2D-versneller- en weergave-interfaces. De i.MX RT1170 is geoptimaliseerd voor toepassingen met laag vermogen en lage lekkage, waardoor efficiënte, snelle, kleine en kosteneffectieve ontwerpen mogelijk zijn.

Figuur 3. Het i.MX RT1170 blokschema. Afbeeldingsbron:NXP-productwebsite

De i.MX 8M-familie bevat verschillende applicatieprocessors die zich richten op specifieke markten om aan de behoeften van een bepaalde applicatie te voldoen. De i.MX 8M Plus is het nieuwste model in de familie en omvat speciale hardware voor machine vision-toepassingen, een NPU-eenheid met 2.3 TOPS voor snellere AI-inferentie, verbeterde LVDS, CAN real-time netwerken met TSN-ondersteuning en een 2D/3D grafische versneller.

Bovendien is de i.MX 8M Plus momenteel het enige apparaat van de i.MX 8M-familie dat meerdere CAN-FD-interfaces biedt. Het wordt ook geleverd met betrouwbaarheidsfuncties zoals inline ECC voor zeer betrouwbare industriële toepassingen.

Figuur 4. Het i.MX 8M Plus blokschema. Afbeeldingsbron:NXP-productwebsite

De Layerscape LS1028A, de i.MX RT1170 en de i.MX 8M Plus maken deel uit van het 15-jarige NXP-levensduurprogramma, dat garandeert dat de componenten vanaf de productlancering minimaal 15 jaar te koop zullen zijn, wat vooral handig voor ontwerpers die lange activerings- of certificeringsfasen moeten doorlopen.

Voorbeeld van TSN-basisoplossing

In dit voorbeeld communiceert elk onderdeel met het andere door gebruik te maken van de verschillende TSN-standaarden die hierboven zijn beschreven om een ​​hoog synchronisatieniveau en een gegarandeerde latentie te behouden, onafhankelijk van het verkeer dat op het netwerk loopt.

De i.MX 8M Plus wordt gebruikt voor beeldherkenning en maakt gebruik van zijn ISP en ingebouwde Neural Processing Unit (NPU) voor een geoptimaliseerde werking en ondersteunt de realtime operaties van de productielijn.

De i.MX RT1170 wordt gebruikt om de robotarm te begeleiden om de producten van een virtuele transportband te halen volgens de analyse die wordt aangestuurd door de i.MX8M Plus.

Daartussenin beheert de Layerscape LS1028 een TSN-netwerk en stuurt de frames door tussen de 2 andere apparaten en naar andere potentiële knooppunten. TSN wordt gebruikt om ervoor te zorgen dat gegevens betrouwbaar worden geleverd van de i.MX 8M Plus naar de i.MX RT1170.

In dit voorbeeld is er ook een laptop aangesloten om best-effort-verkeer te simuleren dat in elke veldimplementatie zou bestaan

Bekijk de onderstaande link voor meer details over deze demo:

Machine Learning en TSN met i.MX 8M Plus van NXP

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.