EP3777226A1 - Integrierte kommunikationseinheit - Google Patents

Integrierte kommunikationseinheit

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Publication number
EP3777226A1
EP3777226A1 EP19710280.9A EP19710280A EP3777226A1 EP 3777226 A1 EP3777226 A1 EP 3777226A1 EP 19710280 A EP19710280 A EP 19710280A EP 3777226 A1 EP3777226 A1 EP 3777226A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
interface
communication unit
integrated communication
application
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19710280.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Franke
Christian Bornschein
Marcus Tangermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Port Industrial Automation GmbH
Original Assignee
Port Industrial Automation GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102018001420.8A external-priority patent/DE102018001420A1/de
Priority claimed from DE202018000941.5U external-priority patent/DE202018000941U1/de
Application filed by Port Industrial Automation GmbH filed Critical Port Industrial Automation GmbH
Publication of EP3777226A1 publication Critical patent/EP3777226A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F13/00—Interconnection of, or transfer of information or other signals between, memories, input/output devices or central processing units
    • G06F13/38—Information transfer, e.g. on bus
    • G06F13/40—Bus structure
    • G06F13/4004—Coupling between buses
    • G06F13/4027—Coupling between buses using bus bridges
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q1/00—Details of selecting apparatus or arrangements
    • H04Q1/02—Constructional details
    • H04Q1/028—Subscriber network interface devices
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F13/00—Interconnection of, or transfer of information or other signals between, memories, input/output devices or central processing units
    • G06F13/38—Information transfer, e.g. on bus
    • G06F13/42—Bus transfer protocol, e.g. handshake; Synchronisation
    • G06F13/4282—Bus transfer protocol, e.g. handshake; Synchronisation on a serial bus, e.g. I2C bus, SPI bus
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16Y—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY SPECIALLY ADAPTED FOR THE INTERNET OF THINGS [IoT]
    • G16Y20/00—Information sensed or collected by the things
    • G16Y20/20—Information sensed or collected by the things relating to the thing itself

Definitions

  • the invention relates to an integrated communication unit, by means of which a connection of industrial applications and devices to the "Internet of Things” (loT) can be provided.
  • LoT Internet of Things
  • the term "Internet of Things” refers to the integration of physical and virtual objects in a universal digital network so that the objects can communicate independently via the Internet and act autonomously.
  • the loT thus enables cost and time-efficient production processes as well as sustainable quality management.
  • the publication US 2017/0040737 A1 describes in this regard an industrial network module which can be mounted and dismounted on an actuator module.
  • the actuator module in the present case comprises a driver, a controller and a decelerator.
  • the network module has a housing with a plurality of through holes and a communication module, which is embedded in the housing.
  • the communication module comprises two control boards, a first connection, by means of which a current signal of an external device can be transmitted to the first control board, a second connection, by means of which a control signal of the external device can be transmitted to the first control board, and a third connection, by means of which the control signal of the external device can be applied to the actuator module.
  • the second connection is designed as a plug-in screw connection, D-Sub- miniature, USB, RJ45, BNC or M12.
  • the control signal of the external device is provided by means of the industrial network, which is called CANopen. CC-Link, PROFIBUS, EtherCAT, PROFINET or DeviceNet.
  • document WO 2007/149669 A2 discloses a module which has a file on a first data memory which contains a data code and which has a firmware image on a second data memory, wherein the image contains a web application.
  • the module comprises a first interface, which is designed for data reception, as well as a processor, which assigns the received data to the data code, executes the web application and cooperates with external software to at least a part of the web page including the data to render.
  • document CN 104852845 A describes an intelligent IoT gateway.
  • the gateway has a processor which is electrically connected to a data preprocessing unit, a middleware processor unit, a multi-protocol processor unit and an initialization interface.
  • the gateway By the gateway, the data entered via the corresponding data requirement can be pre-processed, pre-processed 'intermediate data and results can be bought stores and the cache may be provided for data that is waiting for the communication channel distribution. Since the gateway performs numerous tasks of data preprocessing and data decoding, the load on the network should be considerably reduced, the transmission efficiency improved, and the load on the server also reduced.
  • the object of the present invention is to provide a solution by means of which a connection of industrial applications and devices to the Internet of Things is possible, which can be used for a variety of different applications and devices, which saves space with little layout and development effort into an existing System can be integrated, which dominates various fieldbus systems and allows the integration of a variety of protocols and which is also inexpensive to produce.
  • the object is achieved by the features listed in claim 1 and al- ternativ by the features listed in claim 2. A preferred development results from the dependent claim.
  • the integrated communication unit according to the invention shows a solution, as in particular field devices or other applications can be integrated into a communication with little effort and high reliability. This is due to the fact that, in particular, field devices, such as, for example, units for detecting operating states, other sensors and actuators, are increasingly connected to applications and for this purpose each serves a flop CPU.
  • the applications with host CPU are referred to below as application units.
  • the integrated communication unit has a housing, a main circuit board, at least one RJ45 interface and an SPI interface as basic elements.
  • the housing is designed so that the main circuit board and the RJ45 interface are accommodated in the housing. Furthermore, the housing has at least one opening. The height and width of the opening comply with the RJ45 standard. As RJ45 the known from the prior art standardized connector for telecommunications cabling is understood, with the standardization refers both to the design, as well as to the pin assignment.
  • the at least one RJ45 interface is preferably designed as a socket.
  • the motherboard has a microcontroller. This microcontroller has middleware.
  • the SPI interface of the integrated communication unit is set up so that it can be coupled to a further SPI interface of an application unit.
  • the SPI interface of the application unit and the application unit are not part of the communication unit according to the invention. That the SPI editing In the sense of the present application, the point of the integrated communication unit is set up for coupling to an SPI interface of an application unit in such a way that it can be coupled both logically and physically with such an SPI interface.
  • the physical coupling via a réellelötende pin header hereinafter referred to as pin header ago herge- s shares.
  • the SPI interface is understood to mean a serial peripheral interface, that is to say an interface for a synchronous serial data bus, with which digital circuits can be connected to one another.
  • the SPI interface of the integrated communication unit is set up in such a way that application data of the application unit can be received by it and can be transmitted to the microcontroller in a transferable manner.
  • the application data can then be processed by the microcontroller.
  • the processed application data can be provided by means of the RJ45 interface of an external control unit.
  • an external control unit By means of the RJ45 interface, a cable-bound connection to an external control unit can be produced for this purpose.
  • the external control unit is also not part of the communication unit according to the invention.
  • the external control unit may preferably be a PLC unit (programmable logic controller).
  • the integrated communication unit is also designed to be mounted on a printed circuit board by means of THT (through hole technology) or SMT (surface-mounted technology).
  • the components of the integrated communication unit according to the invention interact, for example, as follows:
  • analog electrical signals are transmitted to the application unit, for example, and are transmitted by the application device. unit converted into digital signals. These digital signals are transmitted via the SPI interface of the application unit to the SPI interface of the integrated communication unit. These transmitted digital signals are the application data in the sense of the present invention.
  • the application data are transferred further within the integrated communication unit to the microcontroller with its middleware and further processed there. As a result, the data are in the standard of a fieldbus protocol, so that they can be transmitted via the RJ45 interface and thus, for example, be received by a PLC unit and evaluated there.
  • the output of the processed data from the integrated communication unit is realized by means of an RJ45 plug-in connection, preferably an RJ45 socket.
  • the integrated communication unit can receive fieldbus protocols, for example a PLC unit, via its RJ45 interface.
  • the fieldbus protocols are processed so that, as a result, digital data, for example as command data, are present, which are then transferred from the latter to the SPI interface of the application unit after transmission to the SPI interface .
  • the application unit can then convert these command data into such control signals whose format correspond to the respective field device, for example a Stellmo gate, and then execute a corresponding action from the field device.
  • the integrated communication module works real-time.
  • CANopen, PROFINET, EthernetIP, POWERLINK, EtherCAT can both detect and process and the data format to be transmitted and received at its SPI interface is independent of the fieldbus system.
  • the modularity is present as physical modularity as well as functional modularity.
  • Physical modularity is understood to mean that the integrated communication module is present as a self-contained module that can be electrically connected to an application unit at its SPI interface as well as to its printed circuit board.
  • Functional modularity means that all processes for converting data from the application unit into the fieldbus protocols and vice versa take place in the integrated communication unit and the integrated communication unit is externally application-side via the SPI interface, application-neutral and fieldbus-side via the RJ45 interface. Interface fieldbus neutral behaves.
  • application units or field devices for which the integrated communication unit can be used can therefore be, in particular, all automation devices, sensors, actuators, gateways, small controllers, PLC units, provided that their host processes have an SPI status. Interface features.
  • the integrated communication unit has as basic elements a motherboard, at least one RJ45 interface and an SPI interface, wherein the motherboard has a microcontroller and wherein the microcontroller has a middleware,
  • a wired connection to an external control unit can be provided by means of the RJ45 interface
  • the SPI interface can be coupled to a further SPI interface of an application unit
  • application data of the application unit can be received by the SPI interface and sent to the Transferable microcontroller and the application data from the microcontroller can be processed and provided by means of the RJ45 interface of an external control unit and wherein the integrated communication unit by means of THT (through hole technology) or SMT (surface-mounted technology) can be mounted on a circuit board.
  • THT through hole technology
  • SMT surface-mounted technology
  • the solution according to claim 2 differs from the solution according to claim 1, characterized in that the integrated communication unit is formed without a housing.
  • the integrated communication unit has a further RJ45 interface.
  • the RJ45 interface and the further RJ45 interface are designed to serially connect an external control unit or a further integrated communication unit to the integrated communication unit.
  • the further development advantageously makes it possible to connect the integrated communication unit to a physical configuration of the fieldbus cabling as a series connection in a chain, also referred to below as a daisy chain.
  • the integrated communication unit can be arranged universally in a daisy chain. It is possible to connect an external control unit to one of the two RJ45 interfaces and another communication unit to the other of the two RJ45 interfaces. However, it is also possible to connect a further integrated communication unit to both RJ45 interfaces. Finally, it is also possible to connect only one of the two RJ45 interfaces to an external control unit and not to occupy the other of the two RJ45 interfaces.
  • the integrated communication unit according to this development is also referred to below as a 2-port module, as well as the integrated communication unit in its basic form with only one RJ45 interface as a 1-port module.
  • FIG 3 shows a perspective view of a design of the integrated communication unit with an RJ45 interface (1-port module)
  • the integrated communication unit has only one RJ45 interface 3. It is a 1-port module.
  • a field device 10 in the present case a sensor, is connected to the application unit 8.
  • the sensor transmits analog signals to the application unit 8, which are further processed there to digital signals.
  • the integrated communication unit in its basic construction on a housing 1 with an opening 5, wherein the housing in the exemplary embodiment is a sheet-metal bent stamped part.
  • a main circuit board 2 which carries a microcontroller 6 as a one-chip computer system.
  • the microcontroller has a software layer as middleware 7.
  • the middleware 7 in the exemplary embodiment is an execution layer in which functions of the fieldbus protocol are prepared by software and implemented by the protocol stack. Also here is the receipt of raw data from the application unit. In this case, the following processes are carried out by the middleware 7.
  • the integrated communication module in the exemplary embodiment has an RJ45 interface 3, designed as an RJ45 socket, with which field bus protocols can be received from the fieldbus line 12 or transmitted to them.
  • the opening 5 of the housing 1 is adapted in size and shape to the RJ45 socket.
  • the field bus line 12 leads to an external control unit 10, which is an SPS unit in the exemplary embodiment.
  • the integrated communication module has an SPI interface 3. This is also arranged in the embodiment in its physical training on the motherboard 2. Functionally, the SPI interface 3 in the exemplary embodiment Ausrete also connected to an SPI interface 9 of the application unit 8. Electrically, the connection is made via a pin header.
  • the application unit 8 with its SPI interface 9, the field device 13, the field bus line 12 and the external control unit 10 are not part of the inte grated communication unit; however, they are shown in FIG. 1 in their interaction with the integrated communication unit.
  • Fig. 2 shows a further embodiment in which the integrated communication module has two RJ45 interfaces. It is a 2-port module.
  • the embodiment of FIG. 2 is identical to the Auspar approximately according to FIG. 1, so that the same applies to the reference numerals and explanations as to FIG. 1.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 differs from the exemplary embodiment according to FIG. 1 in that, in addition to the RJ45 interface 3, it also has a further RJ45 interface 11. For this further RJ45 interface 11, an opening 5 is provided in the housing 1. Both RJ45 interfaces 3, 11 are designed as RJ45 sockets.
  • both RJ45 interfaces can be assigned via a fieldbus line 12.
  • the RJ45 interface with the external control unit 10 and the other RJ45 interface with another communication subscriber 14 is connected.
  • the further communication subscriber 14 is in the exemplary embodiment another integrated communication module.
  • the integrated communication module according to FIG. 2 is designed in such a way that any other communication participants 14 are also configured.
  • FIGS. 3 and 4 show exemplary embodiments of the integrated communication unit in its structural design. Both in Fig. 3 and in Fig. 4, the housing 1 and the RJ45 interface, designed as RJ45 socket shown. In addition, FIG. 4 also shows the further RJ45 interface 11, which is likewise designed as an RJ45 socket.
  • FIGS. 5a and b show a block diagram of an exemplary embodiment as a 2-port module, wherein FIGS. 5a and b are identical in content and only partially use different terminologies.
  • FIGS. 5 a and b shows, in one exemplary embodiment, the interaction of the components of the integrated communication unit with the components of the application unit.
  • Customer Application “Device Application” - refers to the application software of the application unit which, among other things, transfers data to the integrated communication unit or receives it from the other side.
  • the "shared memory area for data exchange” "libGOAL shared library” refers to a fuselage library delivered to the application unit as source code, which enables the application unit to transfer data as simply as possible to the integrated communication unit.
  • SPI interface "SPI interface” shows the SPI interface of the integrated communication module and the SPI interface of the application unit summarized as a functional unit.
  • 2-port switch driver 2-port switch driver
  • GOAL GOAL denotes an execution layer in which functions of the fieldbus protocol are prepared in a software and implemented by the protocol stack. Also here is the receipt of raw data from the application unit. It is the middleware. GOAL is an abbreviation for the term Generic Open Abstraction Layer used in the exemplary embodiment.
  • Communication protocol "Communicaton Protocol” - this software module manages the communication according to the respective field bus standard between the integrated communication unit and a host CPU of an application unit via the SPI interface of the two units.
  • 2-Port Switch means a module of the integrated communication unit that connects the two RJ45 interfaces.
  • PHY stands for physical interface and designated the two RJ45 interfaces of the 2-port module according 'AESS the embodiment.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine integrierte Kommunikationseinheit, aufweisend ein Gehäuse (1), eine Hauptplatine (2), zumindest eine RJ45-Schnittstelle (3) sowie eine SPI-Schnittstelle (4),wobei die Hauptplatine (2) sowie die RJ45-Schnittstelle (3) in dem Gehäuse (1) aufgenommen sind und wobei das Gehäuse (1) zumindest eine Öffnung (5) aufweist, deren Höhe und Breite dem RJ45-Standard entspricht.wobei die Hauptplatine einen Mikrocontroller (6) aufweist und wobei der Mikrocontroller (6) eine Middleware (7) aufweist.wobei mittels der RJ45-Schnittstelle (3) eine kabelgebundene Verbindung zu einer externen Steuerungseinheit (8) bereitstellbar ist, wobei die SPI-Schnittstelle (4) mit einer weiteren SPI-Schnittstelle (9) einer Applikationseinheit (8) koppelbar ist, wobei von der SPI-Schnittstelle (4) Applikationsdaten der Applikationseinheit (8) empfangbar sind und an den Mikrocontroller übertragbar bereitstellbar sind und wobei die Applikationsdaten von dem Mikrocontroller (6) verarbeitbar und mittels der RJ45-Schnittstelle (3) einer externen Steuerungseinheit (10) bereitstellbar sind.wobei die integrierte Kommunikationseinheit mittels THT (through hole technology) oder SMT (surface-mounted device) auf einer Leiterplatte einer Applikationsvorrichtung (8) befestigbar ist.

Description

Integrierte Kommunikationseinheit
Die Erfindung betrifft eine integrierte Kommunikationseinheit, mittels welcher eine Anbindung industrieller Applikationen und Geräte an das„Internet of Things“ (loT) bereitstellbar ist.
Der Begriff„Internet of Things“ bezeichnet die Integration von physischen und virtu- ellen Objekten in einem universalen digitalen Netzwerk, so dass die Objekte selbst- ständig über das Internet kommunizieren und autonom handeln können. Im indus- triellen Anwendungsbereich ermöglicht das loT somit kosten- und zeiteffizientere Produktionsabläufe sowie ein nachhaltiges Qualitätsmanagement.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, industrielle Applikationen und Geräte zu vernetzen.
Die Druckschrift US 2017/0040737 A1 beschreibt diesbezüglich ein industrielles Netzwerkmodul, welches an einem Aktormodul montierbar- und demontierbar ist. Das Aktormodul umfasst vorliegend einen Treiber, einen Controller sowie einen Decelerator. Das Netzwerkmodul weist ein Gehäuse mit einer Mehrzahl an Durchgangslöchern sowie ein Kommunikationsmodul, welches in das Gehäuse eingebet- tet ist, auf.
Das Kommunikationsmodul umfasst zwei Steuerplatinen, einen ersten Anschluss, mittels welchem ein Stromsignal eines externen Gerätes an die erste Steuerplatine übertragbar ist, einen zweiten Anschluss, mittels welchem ein Steuersignal des ex- ternen Gerätes an die erste Steuerplatine übertragbar ist sowie einen dritten An- schluss, mittels welchem das Steuersignal des externen Gerätes an das Aktormo- dul anlegbar ist. Der zweite Anschluss ist als steckbarer Schraubanschluss, D-Sub- miniature, USB, RJ45, BNC oder M12 ausgebildet. Das Steuersignal des externen Gerätes wird mittels des industriellen Netzwerkes bereitgestellt, welches als CANopen. CC-Link, PROFIBUS, EtherCAT, PROFINET oder DeviceNet vorliegen kann.
BESTATIGUNGSKOPIE Zudem offenbart die Druckschrift WO 2007/149669 A2 ein Modul, welches eine Datei auf einem ersten Datenspeicher aufweist, die einen Datencode enthält und welches ein Firmware-Image auf einem zweiten Datenspeicher aufweist, wobei das Image eine Webapplikation enthält. Darüberhinaus umfasst das Modul eine erste Schnittstelle, die zum Datenempfang ausgebildet ist, sowie einen Prozessor, wel- cher die empfangenen Daten dem Datencode zuordnen, die Webapplikation aus- führt und mit einer externen Software zusammenwirkt, um zumindest einen Teil der Webseite unter Einbeziehung der Daten zu rendern.
Darüberhinaus beschreibt die Druckschrift CN 104852845 A ein intelligentes IoT-Gateway. Das Gateway weist einen Prozessor, der mit einer Datenvorverarbei- tungseinheit elektrisch verbunden ist, eine Middleware-Prozessoreinheit, eine Multi- Protokoll-Prozessoreinheit sowie eine Initialisierungs-Schnittstelle auf. Mittels des Gateways können die eingegebenen Daten über die entsprechende Datenvorschrift vorverarbeitet werden, vorverarbeitete’Zwischendaten und Ergebnisse können ge- speichert werden und der Cache kann für Daten bereitgestellt werden, die auf die Kommunikationskanalverteilung warten. Da das Gateway zahlreiche Aufgaben der Datenvorverarbeitung und Datendecodierung übernimmt, soll die Belastung des Netzwerkes erheblich reduziert werden, die Übertragungseffizienz verbessert wer- den und damit auch die Belastung des Servers reduziert werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher eine Anbindung industrieller Applikationen und Geräte an das Internet of Things möglich ist, welche für eine Vielzahl verschiedener Applikationen und Geräte nutzbar ist, welche mit geringem Layout- und Entwicklungsaufwand platzsparend in ein vorhandenes System integrierbar ist, welches verschiedene Feldbusssysteme beherrscht und die Einbindung einer Vielzahl von Protokollen ermöglicht und welches zudem kostengünstig herstellbar ist. Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale sowie al- ternativ durch die im Patentanspruch 2 aufgeführten Merkmale gelöst. Eine bevor- zugte Weiterbildung ergibt sich aus dem Unteranspruch.
Die erfindungsgemäße integrierte Kommunikationseinheit zeigt eine Lösung auf, wie insbesondere Feldgeräte oder andere Applikationen mit geringem Aufwand und hoher Zuverlässigkeit in eine Kommunikation eingebunden werden können. Dem liegt zu Grunde, dass insbesondere Feldgeräte, wie beispielsweise Einheiten zur Erfassung von Betriebszuständen, sonstige Sensoren sowie Aktoren zunehmend mit Applikationen verbunden sind und hierfür jeweils eine Flost CPU dient. Die Applikationen mit Host CPU werden nachfolgend als Applikationseinheiten be- zeichnet.
Flierzu weist die integrierte Kommunikationseinheit als Grundelemente ein Gehäu- se, eine Flauptplatine, zumindest eine RJ45-Schnittstelle sowie eine SPI-Schnitt- stelle auf.
Das Gehäuse ist so ausgebildet, dass die Flauptplatine sowie die RJ45-Schnittstelle in dem Gehäuse aufgenommen sind. Ferner weist das Gehäuse zumindest eine Öffnung auf. Die Höhe und die Breite der Öffnung entspricht dem RJ45-Standard. Als RJ45 wird die aus dem Stand der Technik bekannte genormte Steckverbindung für Telekommunikationsverkabelungen verstanden, wobei sich die Normung sowohl auf die Bauform, als auch auf die Kontaktbelegung bezieht. Die mindestens eine RJ45-Schnittstelle ist bevorzugt als Buchse ausgebildet.
Die Hauptplatine weist einen Mikrocontroller auf. Dieser Mikrocontroller weist eine Middleware auf.
Die SPI-Schnittstelle der integrierten Kommunikationseinheit ist so eingerichtet, dass sie mit einer weiteren SPI-Schnittstelle einer Applikationseinheit koppelbar ist. Die SPI-Schnittstelle der Applikationseinheit und die Applikationseinheit sind nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Kommunikationseinheit. Dass die SPI-Schnitt- stelle der integrierten Kommunikationseinheit zur Kopplung mit einer SPI-Schnitt- stelle einer Applikationseinheit eingerichtet ist wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung so verstanden, dass diese sowohl logisch als auch physisch mit einer solchen SPI-Schnittstelle koppelbar ist. Vorzugsweise wird die physische Kopplung über eine aufzulötende Stiftleiste, nachfolgend auch Pin-Header genannt, herge- s teilt.
Als SPI-Schnittstelle wird ein Serial Peripheral Interface, also eine Schnittstelle für einen synchronen seriellen Datenbus verstanden, mit dem digitale Schaltungen miteinander verbunden werden können.
Die SPI-Schnittstelle der integrierten Kommunikationseinheit ist dabei so eingerich- tet, dass von ihr Applikationsdaten der Applikationseinheit empfangbar sind und an den Mikrocontroller übertragbar bereitstellbar sind.
Ferner sind dann die Applikationsdaten von dem Mikrocontroller verarbeitbar. Die verarbeiteten Applikationsdaten sind mittels der RJ45-Schnittstelle einer externen Steuerungseinheit bereitstellbar. Mittels der RJ45-Schnittstelle ist hierfür eine ka- belgebundene Verbindung zu einer externen Steuerungseinheit herstellbar. Die externe Steuerungseinheit ist ebenfalls nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Kommunikationseinheit. Bei der externen Steuerungseinheit kann es sich vorzugs- weise um eine SPS-Einheit (speicherprogrammierbare Steuerungseinheit) handeln.
Die integrierte Kommunikationseinheit ist zudem so ausgebildet, um mittels THT (through hole technology) oder SMT (surface-mounted technology) auf einer Leiter- platte befestigbar zu sein.
Die Komponenten der erfindungsgemäßen integrierten Kommunikationseinheit wirken beispielsweise wie folgt zusammen:
Von dem Feldgerät, beispielsweise einem Sensor, werden beispielsweise analoge elektrische Signale an die Applikationseinheit übertragen und von der Applikations- einheit in digitale Signale umgesetzt. Diese digitalen Signale werden über die SPI- Schnittstelle der Applikationseinheit an die SPI-Schnittstelle der integrierten Kom- munikationseinheit übertragen. Bei diesen übertragenen digitalen Signalen handelt es sich um die Applikationsdaten im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die Applika- tionsdaten werden innerhalb der integrierten Kommunikationseinheit weiter auf den Mikrocontroller mit seiner Middleware übertragen und dort weiterverarbeitet. Im Er- gebnis liegen die Daten in dem Standard eines Feldbusprotokolls vor, so dass diese über die RJ45-Schnittstelle übertragen werden können und so beispielsweise von einer SPS-Einheit empfangen und dort ausgewertet werden zu können. Phy- sisch wird die Ausgabe der weiterverarbeiteten Daten aus der integrierten Kommu- nikationseinheit durch eine RJ45-Steckverbindung, vorzugsweise eine RJ45- Buchse realisiert.
Ferner kann in umgekehrter Weise die integrierte Kommunikationseinheit über ihre RJ45-Schnittstelle Feldbusprotokolle beispielsweise einer SPS-Einheit empfangen. Nach erfolgter Übertragung auf den Mikrocontroller mit seiner Middleware werden die Feldbusprotokolle verarbeitet, so dass im Ergebnis digitale Daten, beispielswei- se als Befehlsdaten, vorliegen, die dann nach Übertragung an die SPI-Schnittstelle von dieser an die SPI-Schnittstelle der Applikationseinheit weiter übertragen werden. Die Applikationseinheit kann dann diese Befehlsdaten in solche Steuersignale umwandeln, deren Format dem jeweiligen Feldgerät, beispielsweise einem Stellmo tor, entsprechen und von dem Feldgerät dann eine entsprechende Aktion ausführen lassen.
Das integrierte Kommunikationsmodul arbeitet dabei echtzeitfähig.
Das nach dem Stand der Technik sonst erforderliche Abarbeiten der Feldbusprotokolle durch die Applikationseinheit, das dort ein Flost-Prozessor durchführt, wird von der integrierten Kommunikationseinheit übernommen. Es wurde überraschend gefunden, dass mit der erfindungsgemäßen Kommunikationseinheit mit relativ geringem gerätetechnischen Aufwand zugleich folgende zwei Wirkungen erreicht werden: Zum ersten wird eine sehr hohe Entlastung der Applikationseinheit erreicht, so dass dort deutlich geringere Ressourcen insbesondere in Bezug auf Prozessorleistung, Arbeitsspeicher, Flash und etwaige externe Komponenten eingesetzt werden müssen.
Zum zweiten können Anpassungen der Applikationseinheit an das angewandte Feldbussystem weitgehend entfallen, da bereits die integrierte Kommunikationsein heit so ausgebildet ist, dass sie die unterschiedlichen Feldbussysteme wie
CANopen, PROFINET, EthernetIP, POWERLINK, EtherCAT sowohl erkennen als auch verarbeiten kann und das zu übertragende und zu empfangende Datenformat an ihrer SPI-Schnittstelle unabhängig vom Feldbussystem ist.
Hiermit ist der Vorteil verbunden, dass mitttels der erfindungsgemäßen Kommuni- kationseinheit auch kleinere Applikationseinheiten als Kommunikationsteilnehmer ertüchtigt werden können, bei denen dies sonst nicht möglich wäre. Als kleinere Applikationseinheiten werden solche Applikationseinheiten verstanden, bei denen die Host-CPU, nachfolgend auch als Host-Prozesser bezeichnet, oder der Arbeits- speicher so geringe Ressourcen aufweisen, dass eine direkte Anbindung an einen Feldbus nicht möglich wäre.
Ein weiterer besonderer Vorteil liegt in der Modularität der erfindungsgemäßen in- tegrierten Kommunikationseinheit. Dabei liegt die Modularität sowohl als physische Modularität, als auch als funktionale Modularität vor. Als physische Modularität wird verstanden, dass das integrierte Kommunikationsmudul als in sich abgeschlossene Baugruppe vorliegt, die mit einer Applikationseinheit an deren SPI-Schnittstelle elektrisch sowie an deren Leiterplatte mechanisch verbunden werden kann. Als funktionale Modularität wird verstanden, dass alle Prozesse zur Umwandlung von Daten aus der Applikationseinheit in die Feldbusprotokolle und umgekehrt in der integrierten Kommunikationseinheit ablaufen und sich die integrierte Kommunikati- onseinheit nach außen applikationsseitig über die SPI-Schnittstelle applikations- neutral und feldbusseitig über die RJ45-Schnittstelle feldbusneutral verhält. Durch die Applikationsneutralität und Feldbusneutralität können Applikationseinhei- ten oder Feldgeräte, für die die integrierte Kommunikationseinheit verwendet wer- den kann, daher insbesondere alle Automatisierungsgeräte, Sensoren, Aktoren, Gateways, Kleinsteuerungen, SPS-Einheiten sein, sofern deren Host-Prozesser über eine SPI-Schnittstelle verfügt.
In einer alternativen Lösung gemäß Anspruch 2 weist die integrierte Kommunikationseinheit als Grundelemente eine Hauptplatine, zumindest eine RJ45-Schnittstelle sowie eine SPI-Schnittstelle auf, wobei die Hauptplatine einen Mikrocontroller aufweist und wobei der Mikrocontroller eine Middleware aufweist,
wobei mittels der RJ45-Schnittstelle eine kabelgebundene Verbindung zu einer ex- ternen Steuerungseinheit bereitstellbar ist, wobei die SPI-Schnittstelle mit einer wei- teren SPI-Schnittstelle einer Applikationseinheit koppelbar ist, wobei von der SPI- Schnittstelle Applikationsdaten der Applikationseinheit empfangbar sind und an den Mikrocontroller übertragbar bereitstellbar sind und wobei die Applikationsdaten von dem Mikrocontroller verarbeitbar und mittels der RJ45-Schnittstelle einer externen Steuerungseinheit bereitstellbar sind und wobei die integrierte Kommunikationseinheit mittels THT (through hole technology) oder SMT (surface-mounted technology) auf einer Leiterplatte befestigbar ist.
Die Lösung nach Anspruch 2 unterscheidet sich von der Lösung nach Anspruch 1 dadurch, dass die integrierte Kommunikationseinheit ohne Gehäuse ausgebildet ist. Zu allen anderen Merkmalen und deren Zusammenwirken und zu den Vorteilen gelten für die Lösung nach Anspruch 2 die Beschreibungsabschnitte zu Anspruch 1 in entsprechender Weise.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die integrierte Kommunikationseinheit eine weitere RJ45-Schnittstelle auf. Die RJ45-Schnittstelle und die weitere RJ45- Schnittstelle, zusammengefasst auch als RJ45-Schnittstellen bezeichnet, sind dafür ausgebildet, eine externe Steuerungseinheit oder eine weitere integrierte Kommunikationseinheit seriell zu der integrierten Kommunikationseinheit zu verbinden. Die Weiterbildung ermöglicht vorteilhaft den Anschluss der integrierten Kommunikationseinheit bei einer phyischen Ausbildung der Feldbusverkabelung als Reihen- schaltung in einer Kette, nachfolgend auch als Daisy Chain bezeichnet.
Somit kann die integrierte Kommunikationseinheit universell in einer Daisy Chain angeordnet werden. Es ist möglich, an einer der beiden RJ45-Schnittstellen eine externe Steuerungseinheit und an der anderen der beiden RJ45-Schnittstellen eine weitere Kommunikationseinheit anzuschließen. Es ist aber auch möglich, an beide RJ45-Schnittstellen jeweils eine weitere integrierte Kommunikationseinheit anzuschließen. Letztlich ist es auch möglich, nur eine der beiden RJ45-Schnittstellen an eine externe Steuerungseinheit anzuschließen und die andere der beiden RJ45- Schnittstellen nicht zu belegen.
Die integrierte Kommunikationseinheit gemäß dieser Weiterbildung wird nachfol- gend auch als 2-Port-Modul, sowie die integrierte Kommunikationseinheit in deren Grundform mit nur einer RJ45-Schnittstelle auch als 1 -Port-Modul bezeichnet.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
Fig. 1 schematische Darstellung einer integrierten Kommunikationseinheit mit einer RJ45-Schnittstelle (1 -Port-Modul)
Fig. 2 schematische Darstellung einer integrierten Kommunikationseinheit mit zwei RJ45-Schnittstellen (2-Port-Modul)
Fig 3 perspektivische Darstellung einer Bauform der integrierten Kommunika- tionseinheit mit einer RJ45-Schnittstelle (1 -Port-Modul)
Fig 4 perspektivische Darstellung einer Bauform des integrierten Kommunikationseinheit mit zwei RJ45-Schnittstellen (2-Port-Modul)
Fig 5a Blockschaltbild (2-Port-Modul) Fig. 5b Blockschaltbild (2-Port-Modul)
(in englisch-fachsprachlich basierter Terminologie, inhaltsidentisch zu Fig. 5a) näher erläutert.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 weist die integrierte Kommunikationsein- heit lediglich eine RJ45-Schnittstelle 3 auf. Es handelt sich um ein 1 -Port-Modul.
Fig. 1 zeigt die Anordnung der integrierten Kommunikationseinheit zwischen einer Applikationseinheit 8 und einer externen Steuerungseinheit 10. Im Ausführungsbeispiel ist ein Feldgerät 10, im vorliegenden Fall ein Sensor, mit der Applikationsein- heit 8 verbunden. Der Sensor übergibt analoge Signale an die Applikationseinheit 8, die dort zu digitalen Signalen weiterverarbeitet werden.
Wie Fig. 1 zeigt, weist die integrierte Kommunikationseinheit in seinem Grundauf bau eine Gehäuse 1 mit einer Öffnung 5 auf, wobei das Gehäuse im Ausführungs- beispiel ein Blech-Biegestanzteil ist. Vom dem Gehäuse aufgenommen ist eine Flauptplatine 2, die einen Mikrocontroller 6 als Ein-Chip-Computersystem trägt. Der Mikrocontroller weist eine Softwareschicht als Middleware 7 auf. Bei der Middle- ware 7 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine Ausführungsschicht, in der durch Software Funktionen des Feldbusprotokolls vorbereitet und durch den Protokollstack umgesetzt werden. Ebenfalls erfolgt hier die Entgegennahme von Rohdaten aus der Applikationseinheit. Hierbei werden durch die Middleware 7 folgende Prozesse durchgeführt.
Für den feldbusseitigen Anschluss weist das integrierte Kommunikationsmodul im Ausführungsbeispiel eine RJ45-Schnittstelle 3, ausgebildet als RJ45-Buchse, auf, mit der Feldbusprotokolle aus der Feldbusleitung 12 empfangen oder an diese übertragen werden können. Die Öffnung 5 des Gehäuses 1 ist in Größe und Form an die RJ45-Buchse angepasst. Im Ausführungsbeispiel liegt eine Sternverkabe- lung der Feldbusleitung 12 vor. Die Feldbusleitung 12 führt zu einer externen Steuereinheit 10, wobei es sich um Ausführungsbeispiel um eine SPS-Einheit handelt.
Applikationsseitig weist das integrierte Kommunikationsmodul eine SPI-Schnittstelle 3 auf. Diese ist im Ausführungsbeispiel in ihrer physischen Ausbildung ebenfalls auf der Hauptplatine 2 angeordnet. Funktional ist die SPI-Schnittstelle 3 im Ausfüh rungsbeispiel zudem mit einer SPI-Schnittstelle 9 der Applikationseinheit 8 verbunden. Elektrisch erfolgt die Verbindung über einen Pin-Header.
Die Applikationseinheit 8 mit deren SPI-Schnittstelle 9, das Feldgerät 13, die Feldbusleitung 12 und die externe Steuerungseinheit 10 sind nicht Bestandteil der inte grierten Kommunikationseinheit; sie sind in Fig. 1 jedoch in deren Zusammenwirken mit der integrierten Kommunikationseinheit dargestellt.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das integrierte Kommunikationsmodul zwei RJ45-Schnittstellen aufweist. Es handelt sich um ein 2-Port-Modul. In dem Grundaufbau stimmt das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit dem Ausfüh rungsbeispiel nach Fig.1 überein, so dass zu den Bezugszeichen und Erläuterungen zunächst das gleiche gilt wie zu Fig. 1.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch, dass es neben der RJ45-Schnittstelle 3 noch eine weitere RJ45-Schnittstelle 11 aufweist. Auch für diese weitere RJ45-Schnittstelle 11 ist eine Öffnung 5 in dem Gehäuse 1 vorgesehen. Beide RJ45-Schnittstellen 3, 11 sind als RJ45-Buchsen ausgebildet. Bei dem integrierten Kommunikationsmodul nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind beide RJ45-Schnittstellen über eine Feldbusleitung 12 belegbar. Im Ausführungsbeispiel ist die RJ45-Schnittstelle mit der exteren Steuerungseinheit 10 und die weitere RJ45-Schnittstelle mit einem weiteren Kommunikationsteilnehmer 14 verbunden. Bei dem weiteren Kommunikationsteilnehmer 14 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein weiteres integriertes Kommunikationsmodul. Das integrierte Kommunikationsmodul nach Fig. 2 ist so ausgebildet, dass auch beliebige andere Kommunikationsteilnehmer 14 ange- schlossen werden können, soweit diese feldbusfähig sind. Die Verbindung zu der externen Steuerungseinheit 10 und zu dem weiteren Kommunikationsteilnehmer 14 erfolgt über die Feldbusleitung 12, welche als Daisy Chain Verkabelung ausgeführt ist. Analog zu Fig. 1 gilt auch für Fig. 2, dass der weitere Kommunikationsteilneh- mer 14 neben der Applikationseinheit 8 mit deren SPI-Schnittstelle 9, dem Feldge- rät 13, der Feldbusleitung 12 und der externen Steuerungseinheit 10 nicht Bestand- teil der integrierten Kommunikationseinheit ist und dass diese in Fig. 2 jedoch in deren Zusammenwirken mit der integrierten Kommunikationseinheit dargestellt sind.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Ausführungsbeispiele der integrierten Kommunikationsein- heit in deren baulicher Ausbildung. Sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 4 ist das Ge- häuse 1 und die RJ45-Schnittstelle, ausgebildet als RJ45-Buchse, dargestellt. Zu- sätzlich zeigt Fig. 4 noch die weitere RJ45-Schnittstelle 11 , welche ebenfalls als RJ45-Buchse ausgebildet ist.
Fig 5a und b zeigen ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels als 2-Port- Modul, wobei Fig. 5a und b inhaltich identisch sind und lediglich teilweise unter- schiedliche Terminologien verwenden.
Das Blockschaltbild gemäß den Fig. 5 a und b zeigt in einem Ausführungsbeispiel das Zusammenwirken der Komponenten der integrierten Kommunikationseinheit mit den Komponenten der Applikationseinheit.
Das„Kommunikationsmodul“ =„Communicaton Module“ bezeichnet die integrierte Kommunikationseinheit und das„Kundensystem (Leiterplatte)“ =„Device Application Board“ bezeichnet die Applikationseinheit.
„Kundenanwendung“ =„Device Application“ - bezeichnet die Anwendungssoftware der Applikationseinheit, die unter anderem Daten an die integrierte Kommunikati- onseinheit übergibt oder umgekehrt von dieser empfängt. Der„gemeinsame Speicherbereich zum Datenaustausch“ =„libGOAL shared Library“ bezeichnet eine an die Applikationseinheit als Source Code gelieferte Rumpf-Library die es der Applikationseinheit ermöglicht, möglichst einfach Daten an die integrierte Kommunikationseinheit zu übergeben.
„C2C - Software zum Informationsaustausch zwischen CPU-Kernen“ =„C2C“ so- wie„C2C“ =„C2C“ steht für Core-to-Core Communication - ein Teil dieses C2C Moduls läuft auf der CPU der Applikationseinheit, der andere Teil in der integrierten Kommunikationseinheit. Der Betreiber der Applikationseinheit muss und soll daran nichts ändern. Sowohl libGOAL shared Library als auch C2C werden als Source dem Betreiber der Applikationseinheit zur Verfügung gestellt und von ihm weitest- gehend ohne Änderung mit in die Anwendungssoftware einkompiliert.
„SPI - Schnittstelle“ =„SPI Interface“ zeigt die SPI-Schnittstelle des integrierten Kommunikationsmoduls und die SPI-Schnittstelle der Applikationseinheit zusammengefasst als eine Funktionseinheit.
„2-Port switch Treiber = 2-port Switch driver“ - bezeichnet den Teil der integrierten Kommunikationseinheit, der den managed Switch bedient, übenwacht und konfigu- riert.
„GOAL = GOAL“ bezeichnet eine Ausführungsschicht, in der in einer Software Funktionen des Feldbus Protokolles vorbereitet und durch den Protokollstack umgesetzt werden. Ebenfalls erfolgt hier die Entgegennahme von Rohdaten aus der Applikationseinheit. Es handelt sich um die Middleware. GOAL ist eine Abkürzung für die im Ausführungsbeispiel verwendete Bezeichnung Generic Open Abstraction Layer.
„Kommunikationsprotokoll“ =„Communicaton Protocol“ - dieses Softwaremodul handhabt die Kommunikation gemäß dem jeweilgen Feldbusstandard zwischen der integrierten Kommunikationseinheit und einer Host CPU einer Applikationseinheit über die SPI-Schnittstelle der beiden Einheiten.
„2-Port Switch“ =„2-port Switch“ bezeichnet ein Modul der integrierten Kommunika- tionseinheit, das die beiden RJ45-Schnittstellen miteinander verbindet.
„PHY“ steht für physische Schnittstelle und bezeichnet die beiden RJ45-Schnitt- stellen des 2-Port-Moduls gem’äß dem Ausführungsbeispiel.
Verwendete Bezugszeichen
I Gehäuse
2 Hauptplatine
3 RJ45-Schnittstelle
4 SPI-Schnittstelle
5 Öffnung
6 Mikrocontroller
7 Middleware
8 Applikationseinheit
9 SPI-Schnittstelle der Applikationseinheit
10 externe Steuerungseinheit
I I weitere RJ45-Schnittstelle
12 Feldbusleitung
13 Feldgerät
14 weiterer Kommunikationsteilnehmer

Claims

Patentansprüche
1. Integrierte Kommunikationseinheit,
aufweisend ein Gehäuse (1), eine Hauptplatine (2), zumindest eine RJ45- Schnittstelle (3) sowie eine SPI-Schnittstelle (4),
wobei die Hauptplatine (2) sowie die RJ45-Schnittstelle (3) in dem Gehäuse (1) aufgenommen sind und wobei das Gehäuse (1) zumindest eine Öffnung (5) aufweist, deren Höhe und Breite dem RJ45-Standard entspricht, wobei die Hauptplatine einen Mikrocontroller (6) aufweist und wobei der Mikrocontroller (6) eine Middleware (7) aufweist,
wobei mittels der RJ45-Schnittstelle (3) eine kabelgebundene Verbindung zu einer externen Steuerungseinheit (8) bereitstellbar ist,
wobei die SPI-Schnittstelle (4) mit einer weiteren SPI-Schnittstelle (9) einer Applikationseinheit (8) koppelbar ist, wobei von der SPI-Schnittstelle (4) Applikationsdaten der Applikationseinheit (8) empfangbar sind und an den Mikrocontroller übertragbar bereitstellbar sind und wobei die Applikations- daten von dem Mikrocontroller (6) verarbeitbar und mittels der RJ45- Schnittstelle (3) einer externen Steuerungseinheit (10) bereitstellbar sind, wobei die integrierte Kommunikationseinheit mittels THT (through hole tech- nology) oder SMT (surface-mounted device) auf einer Leiterplatte einer Applikationsvorrichtung (8) befestigbar ist.
2. Integrierte Kommunikationseinheit,
aufweisend eine Hauptplatine (2), zumindest eine RJ45-Schnittstelle (3) sowie eine SPI-Schnittstelle (4),
wobei die Hauptplatine (2) einen Mikrocontroller (6) aufweist und wobei der Mikrocontroller (6) eine Middleware (7) aufweist,
wobei mittels der RJ45-Schnittstelle (3) eine kabelgebundene Verbindung zu einer externen Steuerungseinheit (10) bereitstellbar ist,
wobei die SPI-Schnittstelle (4) mit einer weiteren SPI-Schnittstelle (9) einer Applikationsvorrichtung (8) koppelbar ist, wobei von der SPI-Schnittstelle (4) Applikationsdaten der Applikationseinheit (8) empfangbar sind und an den Mikrocontroller (6) übertragbar bereitstellbar sind und wobei die Applikationsdaten von dem Mikrocontroller (6) verarbeitbar und mittels der RJ45- Schnittstelle (3) einer externen Steuerungseinheit (10) bereitstellbar sind, wobei die integrierte Kommunikationseinheit mittels THT (through hole tech- nology) oder SMT (surface-mounted technology) auf einer Leiterplatte einer Applikationsvorrichtung (8) befestigbar ist.
3. Integrierte Kommunikationseinheit nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die integrierte Kommunikationseinheit eine weitere RJ45-Schnittstelle (11) aufweist,
wobei die RJ45-Schnittstelle (3) und die weitere RJ45-Schnittstelle dafür ausgebildet sind, eine externe Steuerungseinheit (10) oder eine weitere inte- grierte Kommunikationseinheit seriell zu der integrierten Kommunikationseinheit zu verbinden.
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