Ein Bus-Standard startet durch

Die Basisspezifikation des 2006 von der PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) spezifizierte Bus-Standards Micro TCA (Micro TCA.0) fokussierte ursprünglich Applikationen, in denen hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und Hochverfügbarkeit gefordert sind sowie große Datenmengen übertragen und verarbeitet werden müssen. Dies betraf den Telecom Edge & Access-Bereich (zum Beispiel Basisstationen), Enterprise-Applikationen wie  große Telefonanlagen und Broadcasting-Lösungen, zu denen beispielsweise Video on Demand zählt. Inzwischen gibt es vier Micro-TCA-Unterspezifikationen, die auch weitergehende Anforderungen in anderen Marktsegmenten abdecken.

Von Micro TCA.0 zum industrietauglichen Micro TCA.4

Die Unterspezifikation Micro TCA.1 befasst sich etwa mit luftgekühlten Industrieanwendungen und spezifiziert Systeme, die erhöhte Anforderungen in Bezug auf Temperatur, Schock, Vibrationen und Umgebungsbedingungen erfüllen müssen. Sie  zielt besonders auf Systeme für den Einsatz im Freien, in Produktionsanlagen, in Bahn- und Transportanlagen und in der Luftfahrt ab. Die Unterspezifikation Micro TCA.2 betrifft luftgekühlte, robuste Systeme und die Unterspezifikation Micro TCA.3 kontaktgekühlte, robuste Systeme. Beide beziehen sich auch auf militärische Anwendungen.

Die Unterspezifikation Micro TCA.4 „Enhancements for Rear I/O and Precision Timing“, die auf Micro TCA.1 aufsetzt, also luftgekühlte Industrieanwendungen, bringt wesentliche Funktionen für den Einsatz in unterschiedlichen Industrieapplikationen mit. Angestoßen wurde die Micro TCA.4-Unterspezifikation von der Physics-Community, die sich für xTCA als zukünftige Systemplattform entschieden hatte, um entsprechende Systeme beispielsweise für die Steuerung von Teilchenbeschleunigern für die Hochenergiephysik einzusetzen. (Bild 1)

Bild 1: Teilchenbeschleuniger für die Hochenergiephysik. Desy

Diese Erweiterungen definieren den bisher bei Micro TCA fehlenden Rear I/O und die zusätzlich in der Backplane implementierten Clock- und Triggerleitungen. Aufgrund von Markt- und Applikationsanforderungen wie beispielsweise der Synchronisierung großer Anlagen sind weitere Funktionen entstanden. Darunter fallen das deterministische Ethernet für Echtzeitanwendungen, integrierte Micro TCA-Carrier-Hubs (MCHs) und J-Tag Switch-Module (JSM).

Rear I/O sowie Clock- und Triggersignale

Micro TCA.4 definiert einen Rear I/O-Bereich, einen Kartenkorb auf der Rückseite inklusive des Managements für die Rear-Transition-Module (RTM), und die Belüftung für den Rear-I/O-Bereich. Im Advanced-Physics-Umfeld werden damit empfindliche analoge Signale im Rear-I/O-Bereich eingespeist, dort aufbereitet, in digitale Signale umgewandelt und nach vorne an die Prozessoreinheiten im vorderen Kartenkorb weitergeleitet. Der RTM-Bereich lässt sich aber auch für unterschiedliche andere Zwecke nutzen.

Eine weitere wesentliche Ergänzung gegenüber Micro TCA.0 ist die Erweiterung der ursprünglich für die Telekommunikation ausgelegten Clock- und Triggersignale. Micro TCA.0 definiert drei Telekommunikations-Clocks. Die Rev.2.0 der Advanced MC-Spezifikation erweitert diese auf vier Telecom-Clocks und einen Fabric-Clock für PCIe (PCI Express). Doch für Messaufgaben werden weitere hochpräzise Clock- und Triggersignale benötigt. Diese notwendigen Topologien wurden bei Micro TCA.4 im bisher nicht definierten Bereich des Pinouts der Advanced-MC-Boards realisiert.

Remote-Zugriff auf J-Tag-fähige Komponenten im System

Bild 2: Micro-TCA.4-System mit einem zusätzlichen, separaten JSM-Slot auf der Rückseite. Pentair

Immer wieder gibt es spezifische Applikationen mit kundenspezifischen I/Os, in denen Daten vorliegen, die sich nicht durch Standardkomponenten verarbeiten lassen. In diesem Fall werden FPGAs eingesetzt und entsprechend programmiert. Für die Programmierung und den Test dieser FPGAs gibt es eine J-Tag-Schnittstelle an den Komponenten. Bei Micro TCA besteht die Möglichkeit alle AMCs und die MCHs über ein JSM-Modul zu verbinden und so von außen auf die einzelnen FPGAs im System zuzugreifen. Auch zum Debuggen einer neuen Lösung im Labor eignen sich diese JSM-Module, um Chips auszulesen und zu konfigurieren. In der Regel ist das JSM-Modul in einem Single Compact-, Mid- oder Full-Size-AMC-Formfaktor erhältlich. Pentair rüstet seine Micro TCA.4-Systeme beispielsweise mit einem zusätzlichen, separaten JSM-Slot auf der Rückseite aus (Bild 2). Dort kann das JSM-Modul permanent verwendet werden. So können im laufenden Betrieb Updates in die FPGA in jedem AMC-Slot geladen werden.

Deterministisches Ethernet für Echtzeitanwendungen

Speziell wenn viele Maschinen oder Maschinenteile zu synchronisieren sind, werden Echtzeitbetriebssysteme und damit auch der Datenaustausch in Echtzeit unabdingbar. Geringe Latenzzeiten und definierte Reaktionszeiten stellen eine Grundvoraussetzung für den reibungslosen Betrieb solcher Industrieanlagen dar. Für den synchronen Betrieb der Teilchenbeschleuniger im Advanced-Physics-Bereich wurde in einigen Systemen die Voraussetzung für das „White Rabbit“-Protokoll geschaffen, ein deterministisches Ethernet. Auch hier müssen viele Systeme, die für den Betrieb des Beschleunigers verantwortlich sind, synchronisiert werden. White Rabbit definiert zusätzliche CLK-Leitungen in der Backplane um die einzelnen AMC-Module im System zu synchronisieren. Damit wird eine Synchronisierung mit einer Genauigkeit von kleiner als einer Nanosekunde bei ungefähr 1000 Knoten über eine Distanz von bis zu 10 km per Glasfaser oder Kupferleitung möglich. Die Synchronisation kann auch zwischen verschiedenen Systemen erfolgen.

Erweiterung der Fat Pipe

Ein weiterer Punkt, der von vielen Micro TCA.4-Produkten unterstützt wird, betrifft die Aufhebung der Limitierung der Fat Pipe. Die Fat Pipe wurde in Micro TCA mit vier Ports – beispielsweise 4 x 10 GBit-Ethernet – definiert, was völlig für Prozessoranwendungen ausreicht. Doch will man Micro TCA im Bereich der industriellen Bild- oder Videoverarbeitung oder der Medizintechnik, wie beispielsweise im CT oder der Kernspintomografie, einsetzen, wird eine viel höhere Bandbreite benötigt, um diese großen Grafik-Datenmengen zu übertragen. In einigen Chassis sind mehrere dieser Vierfach-Links zu Acht- oder sogar 16-fach-Links zusammengefasst (siehe Bild 3).

Bild 3: Micro-TCA.4-System mit Erweiterung der Fat Pipe. Pentair

MCHs und einige AMCs unterstützen diese Bündelung und können so AMCs mit x8 oder x16 PCIe-Lanes ansteuern. Pentair bietet hierfür ein Micro TCA.4-System mit zwei verschiedenen Backplane-Topologien an, das speziell für solche Grafikanwendungen konzipiert wurde. In der einen Topologie sind alle sechs AMC-Slots mit je einer Achtfach-Lane an den MCH angebunden, in der zweiten Topologie sind zwei AMC-Module mit je einer 16-fach-Lane angebunden, die übrigen vier Slots mit je einer Vierfach-Lane. Damit können leistungsfähige Grafikboards in eine Applikation integriert werden.

Separate Hochfrequenz-Backplane für analoge Signale

Durch den zusätzlichen RTM-Bereich im Micro-TCA-System lassen sich analoge und digitale Signale in einem System verarbeiten. Wichtig ist hierbei eine klare Trennung dieser Signale und der Stromversorgungen. Störungen, die typischerweise durch Schaltnetzteile und Lüfter im digitalen Teil entstehen, werden durch eine strikte räumliche und elektrische Trennung isoliert und nicht an den Analogteil weitergegeben. Eine separate Hochfrequenz-Backplane für analoge Signale, wie sie von der Physics-Gruppe entwickelt wurde und in der Micro-TCA.4-Spezifikation beschrieben wird, ermöglicht dies. Der Analogteil wird dabei auf einem RTM-Modul untergebracht und über Linearwandler versorgt. Diese liefern eine saubere 12 V-Spannung ohne Rauschen. Stromversorgung und analoge Verbindungen für den RTM-Bereich laufen in diesem Fall über die RTM-Backplane.

Der Digitalteil ist räumlich getrennt im Frontbereich des Systems. Dieser und die notwendigen Lüfter werden über Schaltnetzteile mit Strom versorgt. Ein solches Micro-TCA-System hat also immer mindestens zwei Netzgeräte, bei Redundanz auch mehr, und vor allem zwei verschiedene Arten von Netzgeräten. Die Hersteller von beispielsweise Netzgeräten, Digitizern oder MCHs bieten für solche Lösungen entsprechende Produkte an. Denkbar sind auch andere Arten von separaten RTM-Backplanes, die etwa in spezifischen Industrieapplikationen zum Einsatz kommen. Die Infrastruktur hierfür ist in der Micro-TCA-Spezifikation definiert und innerhalb dieser Grenzen bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten.

eMCH – der „embedded MCH“

Vor allem in der digitalen Video- und Bildverarbeitung, der Automation und Maschinensteuerung oder der elektronischen Signalverarbeitung finden kleinere Micro-TCA-Systeme ihren Einsatz. Dort kommen Applikationen oft mit nur ein oder zwei AMC-Modulen aus, aber es werden dennoch hohe Übertragungsraten über die Backplane gebraucht. Für solche Systeme, die meist auch keine Redundanz und keine Hot-Swap-Funktion benötigen, ist auch der Einsatz eines sogenannten eMCH möglich. Dieser „embedded MCH“ sorgt für die Kommunikation zwischen den Advanced-MC-Modulen sowie die Überwachung des Systems inklusive Power- und Cooling-Management und garantiert damit eine hohe Zuverlässigkeit.

Zudem ermöglicht der von Pentair eingesetzte eMCH durch seinen 1 GbE-Switch, an dem auch der 1 GbE-Uplink an der Gehäusevorderseite angeschlossen ist, die direkte Einbindung der Systemkomponenten in eine bestehende Netzwerkinfrastruktur. Auf der Micro-TCA-Backplane sind alle Ports miteinander verbunden, sodass große Datenmengen zwischen den Modulen übertragen werden können. Denkbare Anwendungen finden sich hier auch im Bereich Internet of Things (IoT), wo beispielsweise ein Knoten Informationen von Sensoren sammelt, verarbeitet und ins Netz stellt.

40 GBit-Ethernets

Leistungen und Datentransferraten steigen bei Micro-TCA-Systemen kontinuierlich an. Daher werden die Spezifikationen von der PICMG permanent weiterentwickelt und auch an die Anforderungen unterschiedlichster Industrieapplikationen angepasst. Aktuell arbeitet das Gremium an den letzten Feinheiten für Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 40 Gb/s. Pentair bietet bereits entsprechend leistungsfähige Micro-TCA-Systeme mit 40 G-Backplanes an. Das Portfolio reicht von kleinen Systemen mit nur zwei AMC-Slots über sechs Slot-Systeme (6 Front- und 6 RTM-Slots) bis hin zu voll ausgebauten 19“-breiten Micro-TCA-Systemen (9 HE, 84 TE) mit frontseitig 12 AMC-Slots, zwei MCH-Slots und vier Power-Slots, 12 RTM-Slots auf der Rückseite und verschiedenen Backplane-Topologien und Funktionalitäten. Die AMC-Slots sind hier für Mid-Size-Module ausgelegt. Eine weitere Systemreihe (7/9 HE, 84 TE) bietet sogar zwölf Full-Size-AMC-Slots, zwei Single-MCH-Slots und zwei Single-PM-Slots auf der Vorderseite, sechs RTM-Slots und vier Single-PM-Slots auf der Rückseite.

Zwei redundante Hot-Swap-Lüfterkassetten mit EMMC in Push-Pull-Anordnung vervollständigen die Systeme. Hier erfolgt eine forcierte Belüftung der Front- und Rear-Slots (Front-to-Rear) mit geschwindigkeitsgeregelten Lüftern. Die Lüfterdrehzahl ist für den Front- und Rearbereich getrennt und mittels MCH einstellbar. Bei den kleineren drei HE-Systemen erfolgt die Belüftung ebenfalls per Front-to-Rear-Kühlung im System, auch beim Schrankeinbau. Damit wird immer eine definierte Luftmenge, unabhängig vom Schrank, in den das System eingebaut ist, durch das System geleitet. Je nach notwendiger Kühlleistung sind hierfür zwei oder drei Lüfter in einer Lüfterkassette im System integriert.

Mögliche Applikationen

Durch die beschriebenen Erweiterungen erfüllt die Micro-TCA.4-Spezifikation und die zusätzlichen Features, die durch Marktanforderungen realisiert wurden, nicht nur die Anforderungen der Physics-Community, sondern auch die Anforderungen vieler Industrieapplikationen wie etwa Rear I/O, hohe Verfügbarkeit, Redundanz oder Fernwartung. Micro-TCA.4-Systeme eignen sich daher für Highend-Anwendungen in den Bereichen Industrieautomation, Bildverarbeitung, Real-Time Motion Control, Medizintechnik, Radar, Telekommunikation, Transportation, IoT sowie Test und Measurement. Beispiele in der Industrieautomation sind Bildverarbeitung und Real-Time Motion Control, die Sicherheitsüberwachung von Fertigungszellen per Videokamera und auch das „maschinelle“ Sehen zum Sortieren von Gütern in der Produktion oder zur Oberflächeninspektion per Videokamera und Bildverarbeitungssystem.

Radar-Anwendungen finden sich beispielsweise in der Landwirtschaft, der Schifffahrt oder im Automotive-Umfeld. Auch in der Medizintechnik stehen Bildverarbeitungssysteme für die Diagnostik als Anwendungsbereich im Vordergrund. In der Verkehrstechnik werden etwa Videoüberwachungssysteme oder Informations- (Internet to train, 4 G, Wi-Fi) und Entertainmentsysteme mit Electronic Packaging Systemen auf Micro-TCA-Basis aufgebaut.

(tm)