Schwerpunkte

Teil 7 der TSN-Serie

Die Zeitsynchronisation

07. Januar 2021, 12:01 Uhr   |  Meinrad Happacher


Fortsetzung des Artikels von Teil 3 .

Die Hardware-Lösung

Sven Meier  ist Gründer, Managing Director und FPGA Design Engineer bei NetTimeLogic.
© NetTimeLogic

Sven Meier ist Gründer, Managing Director und FPGA Design Engineer bei NetTimeLogic.

Eine reine Hardware-Lösung kann beispielsweise durch den Einsatz von FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) und entsprechenden IP Cores (NetTimeLogic’s TSN oder PTP OC IP Cores) realisiert werden. Die Idee dabei ist, sowohl die Protokoll-Komponente von PTP (Frame senden/empfangen, Algorithmen und Berechnungen), welche grundsätzlich keine Hard-Realtime Anforderung hat, wie auch den Realtime-Teil (Zeitstempeln, Uhr nachstellen) von PTP komplett in Hardware (FPGA-Zellen) zu verschieben. Dadurch ergibt sich so etwas wie ein Co-Prozessor für Zeitsynchronisation (oder auch für TSN), ohne aber einen Prozessor zu benötigen. Bis zu diesem Punkt gibt es noch keine Unterschiede zur SW-HW-Co- Lösung, wenn es um die Genauigkeit der Synchronisation geht. Interessant wird die Hardware-Lösung vor allem dann, wenn es darum geht, basierend auf der hochgenauen Uhr synchrone Events zu generieren oder Events zu zeitstempeln.

Die IP Cores stellen eine Zeit zur Verfügung, die mit jedem Taktzyklus des Oszillators hochzählt und direkt verfügbar ist. Somit können Events mit einer Granularität von einem Taktzyklus der Uhr – zum Beispiel 10 ns@100 MHz – generiert oder zeitgestempelt werden. Diese Zeit ist einerseits um Faktoren genauer als eine Ge­nerierung von Events via Software und nachgeregelter Systemzeit, anderseits auch viel komfortabler, da durch die Voll-Parallelität des FPGA mehrere Events und Timestamps gleichzeitig abgehandelt werden können, ohne irgendwelche Verluste an Genauigkeit. Dies hat nicht nur Vorteile und eine FPGA-basierte Lösung erfordert einen FPGA, was unter Umständen ein zusätzlicher Kostenpunkt sein kann, anderseits kann das System auch ohne CPU laufen. 

Thomas Schaub ist Business Partner und FPGA Design Engineer bei NetTimeLogic.
© NetTimeLogic

Thomas Schaub ist Business Partner und FPGA Design Engineer bei NetTimeLogic.

Im Zusammenhang mit TSN kommen bereits sehr oft FPGA-basierte Lösungen zum Einsatz. Einerseits, weil diese enge Verbindung zur ­synchronen Uhr benötigt wird und auch viele andere Teile von TSN ebenfalls ­harte Echtzeit-Anforderungen haben (beispielsweise Scheduling), andererseits aber vor allem auch, weil zeitgesteuert Datenquellen und Datensenken angesprochen werden sollen. Dadurch ist es oftmals der Fall, dass bereits ein FPGA vorhanden ist, und sich damit eine solche Lösung anbietet. Zusätzlich ist TSN immer noch ein ‚Moving-Target‘, was neue Features und Standards betrifft. Dies spricht natürlich für die Flexibilität einer FPGA-Lösung.

Wenn man die beiden Ansätze gegenüberstellt, lassen sich folgende Vor- und Nachteile zusammenstellen: 

Es gibt also Vor- und Nachteile für den jeweiligen Ansatz und beide haben ihre Daseinsberechtigung. In der Praxis gilt es für jedes System zuerst zu analysieren, was die Anforderungen und Rahmenbedingungen sind und dann den entsprechenden Ansatz zu wählen. Abschließend lässt sich aber sagen, dass PTP dank seiner Einfachheit und der Genauigkeit von unter einer Mikrosekunde die perfekte Wahl als Basistechnologie für TSN ist. 

Auch wenn es verschiedene Ansätze für PTP gibt – HW-SW-Co-Lösung versus FPGA-Lösung –, muss immer zuerst das gesamtheitliche System betrachtet und es müssen die Anforderungen an die Synchronisationsgenauigkeit geklärt werden. Daraus ergibt sich meistens die passende und oftmals auch wirtschaftlichste Lösung, welche die Anforderungen erfüllt, diese aber nicht zwangsläufig um Faktoren übertrifft. Durch die schon heute weite Verbreitung von PTP in der Industrie, steht für TSN eine gute Basis bereit, sich in der Industrie als die konvergente ­Netzwerk-Technologie der Zukunft zu etablieren.

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1. Die Zeitsynchronisation
2. Die Qualität der Synchronisation
3. Die Optionen der Implementierung
4. Die Hardware-Lösung
5. Übersicht: IEC-61156-Standards für Single Pair-Ethernet-Leitungen.

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