Desky s LAN rozhraním - zakázkový vývoj

Společnost TEDIA^® se zabývá vývojem a výrobou elektronických desek obsahujících LAN rozhraní velmi dlouhou dobu, první typy byly uvedeny na trh již v roce 2005.

LAN rozhraní jsou řešena ve více výkonových úrovních, od čtveřice gigabitových rozhraní s datovým tokem stovek MB/s až po jednoduchá řešení nahrazujících sériové porty. Různé alternativy jsou nastíněny v následujících odstavcích.

Řešení s gigabitovým ethernet rozhraním

Příkladem této obvodové alternativy může být velmi výkonná deska pro záznam a zpracování signálů schopná selektivně distribuovat data do čtyř směrů ke zpracování procesními stanicemi.

Řešení ethernet rozhraní je kompletně vystavěno na bázi hradlového pole FPGA (MAC vrstva je řešena uvnitř FPGA) s velmi přesným časováním ethernet komunikace a krátkou odezvou. Absence operačního systému zaručuje dlouhodobou komunikaci bez výpadků nebo nepředvídatelných zpoždění.

Poznámka: Z důvodu vysokých vývojových nákladů má smysl toto řešení uvažovat jen do zařízení s extrémními výkonovými nároky. Připravujeme však obecně použitelnou interfaceovou jednotku s jedním gigabitovým ethernet rozhraním.

Výkonné jádro s ethernet rozhraním

Příkladem této alternativy může být inteligentní jednotka určená zejména pro testování a kalibrace průtokoměrů.

Obvodové řešení je vystavěno na bázi výkonného mikropočítače ARM Cortex M7 pracujícího na frekvenci 400 MHz (zajišťuje mj. rychlou komunikaci protokolem Modbus TCP) a hradlového pole FPGA pro všechny funkce zpracování I/O signálů.

Mikropočítačovou část lze rozšířit o řadu dalších rozhraní; běžně jsou realizovány USB port pro připojení flash disku, SD card slot, sériové porty apod. Výhodnou funkcí je rovněž uživatelská aktualizace firmware obou částí jednotky pomocí softwarové utility.

Poznámka: Toto řešení je velmi dobře přenositelné do speciálních desek, kdy firmware mikropočítače zůstává bez významnějších změn a firmware FPGA (po úpravě desky a doplnění potřebných I/O) obsahuje specifický zakázkový kód. Z pohledu softwarové obsluhy z nadřízeného systému jde o standardní Modbus TCP jednotku.

Jednoduché ethernet rozhraní

Ethernet rozhraní v základním provedení se hodí zejména do zařízení, kde má nahradit stávající sériové linky (v takovém případě může pracovat jako převodník z LAN na COM port, například s protokoly Modbus RTU a Modbus TCP) nebo doplnit stávající sériové porty výkonnější alternativou.

Řešení lze implementovat do základních a levných mikropočítačů, právě jako do výkonných ARM Cortex mikropočítačů. Z důvodu výrazně jednodušší konfigurace se standardně využívá jen protokol IPv4 (v běžných systémech naprosto vyhovující), v případě potřeby však lze doplnit podporu IPv6.

I v tomto případě lze v závislosti na použitém mikropočítači desku rozšířit o řadu dalších rozhraní; běžně jsou realizovány USB port pro připojení flash disku, SD card slot, sériové porty, uživatelská aktualizace firmware atd.

Nestandardní využití ethernet rozhraní

Ethernet rozhraní lze nasadit i v úlohách vyžadujících rychlé a z pohledu kabeláže jednoduché propojení dvou desek řízených FPGA.

Příkladem může být propojení PCI Express karty a externí desky v systému, který obsahuje 26 sériových linek (tzn. COM portů) a dvě desítky digitálních vstupů/výstupů; mnohažilový kabel s mnohapinovými konektory je nahrazen jednoduchým ethernet patch kabelem využitým nejen k datovým přenosům, ale i pro napájení externí desky ze zdroje počítače (analogicky PoE).

Zatímco PCI Express karta obsahuje celou registrovou strukturu UARTů a GPIO signálů, externí deska realizuje vlastní UARTy s vyrovnávacími FIFO a obsluhu I/O signálů. Propojení těchto dvou datových struktur je řešeno cyklickým kopírováním jejich obsahu probíhající na pozadí funkcionality obou stran.

Maximální efektivity lze dosáhnout bod-bod propojením desek na úrovni raw ethernet paketů, funkční je však i řešení vystavěné na úrovni UDP paketů "tunelované" existující LAN strukturou.