Hardware & Software für ein Schaltfeld mit Kassenmodul-Umschaltern

Das Projekt auf einen Blick: Für ein europäisches Unternehmen im Bereich Einzelhandelsautomatisierung entwickelte Promwad die Hardware, Software und das Gehäuse für einen Kassenmodul-Switch im 19-Zoll-Rackformat mit 1,5 HE. Die auf den Ethernet-Switches Microchip VSC7421 und VSC7425 basierende Architektur mit zwei Leiterplatten (Segment- und Aggregatormodul) verbindet bis zu 15 Kassenmodule über Ethernet mit jeweils nur einem Kabel. Die vollständige Layer-2-Switch-Software unterstützt die Verwaltung über CLI, Weboberfläche und SNMP sowie STP/RSTP, LACP und DHCP. Promwad lieferte eine schlüsselfertige Lösung für den Einzelhandel, die Hotellerie und Gastronomie (HoReCa), den Transportsektor und Versorgungsunternehmen, die auf Basis von Microchip-Chips für die Serienproduktion bereit ist.

Kunde

Ein europäisches Technologieunternehmen, das den Einzelhandel und den Dienstleistungssektor mit eigenen Geräten und Softwarelösungen automatisiert.

Herausforderung 

Wir wurden mit der Entwicklung der Hardware und Software für einen Kassenmodul-Switch beauftragt. Darüber hinaus waren wir für die Konstruktion des Gerätegehäuses für ein 19-Zoll-Rack mit einer Höhe von 1,5 HE verantwortlich. In Bezug auf Elektronik und Software sollte das neue System aus mehreren grundlegenden Leiterplatten, Modulen und Kabelverbindungen bestehen:

• Zwei Leiterplatten für das Segment und den Aggregator des Kassenmodul-Switches.
• AC/DC-Netzteil mit internen Anschlusskabeln.
• Externe Steckverbinder, LEDs, Tasten sowie Kabel für Ethernet und die Stromversorgung.

Das Gerät muss bei Temperaturen von +10 °C bis +30 °C zuverlässig funktionieren und auf seine Beständigkeit gegen elektrostatische Entladungen an Steckverbindern und externen stromführenden Elementen geprüft werden.

Lösung

1. Hardwareentwicklung

^{Abbildung 1. Blockdiagramm des Kassenmodul-Switch-Segments}

Wir haben ein Gerät auf Basis des 16-Port-Switches VSC7421XJG-02 von Microchip entwickelt. Um zusätzliche Ports für die physikalische Ethernet-Schicht bereitzustellen, haben wir auf der Segmentplatine einen Vier-Port-Chip VSC8514XMK mit QSGMII-Schnittstelle zur Anbindung an den Netzwerk-Switch integriert.

Außerdem haben wir auf der Segmentplatine 15 PCIe-Steckplätze für den Anschluss von 15 Kassensteuerungsmodulen sowie einen ungeschirmten RJ-45-Steckverbinder mit LEDs für die Verbindung zum Aggregator (Uplink zum Segment-Switch) vorgesehen. Übertragungsgeschwindigkeit und Pinbelegung entsprechen den Standards 100BASE-TX bzw. TIA/EIA-568-B.

Die Segmentplatine wird vom Aggregator mit 12 V Gleichspannung versorgt. Bei Bestückung mit allen 15 Modulen beträgt die maximale Leistungsaufnahme 21 W (die durchschnittliche Leistungsaufnahme der Module liegt bei 0,6 W, die Spitzenleistungsaufnahme bei 0,7 W).

Die Spannungsversorgung erfolgt über zwei freie Adernpaare der RJ-45-Steckverbinder (gemäß der Pinbelegung für 100BASE-TX und TIA/EIA-568-B): Ein Adernpaar dient als +VCC (12 VDC), das andere als 0 V (GND). Das Segment kann im laufenden Betrieb angeschlossen werden (Hot-Plugging), während am RJ-45-Kabelstecker vom Aggregator die Versorgungsspannung anliegt.

Zum Booten des Netzwerk-Switches haben wir einen 16-MByte-SPI-Flash-Chip IS25LP128-JLLE integriert. Auf der Segmentplatine haben wir außerdem einen Steckverbinder zum Anschluss eines externen SPI-Flash-Programmiergeräts vorgesehen.

^{Abbildung 2. Blockdiagramm des Aggregators}

Die Aggregatorplatine wurde auf Basis des 16-Port-Ethernet-Switch-Chips VSC7425XJG-02 (Layer-2-Ethernet-Switch) von Microchip entwickelt.

^{Abbildung 3. Aggregator- und Kassenmodul-Segmentplatinen}

Wir haben den Aggregator mit 14 RJ-45-Steckverbindern zum Anschluss von 14 Segmenten ausgestattet. Die Stromversorgung der Segmente erfolgt direkt, ohne Spannungswandlung oder Schaltung, vom Anschluss des AC/DC-Netzteils über die Aggregatorplatine und die Ethernet-Kabel.

^{Abbildung 4. Blockdiagramm des vollständigen Geräts}

2. Softwareentwicklung

• Segment

Wir haben die Ethernet-Switch-Software auf Basis des Microchip VSC6811 SDK Web Config Software Package entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Anwendung zur Steuerung der Funktionen des VSC7421-Switches.

Die Software läuft auf dem internen 8051-Prozessor des Microchip-Switch-Chips VSC7421 und ist im internen SPI-Flash-Speicher des Switches abgelegt.

Die Software ermöglicht drei Steuerungsmethoden:

• Kommandozeilenschnittstelle (CLI);
• Weboberfläche;
• SNMP.

• Aggregator

Wir haben die Software für den Ethernet-Switch auf Basis des VSC7425XJG-02 unter Verwendung des Microchip-Softwarepakets SMBStaX entwickelt.

Die Software wird auf dem internen MIPS32-Prozessor des Switch-Chips ausgeführt und ist in dessen internem NOR-Speicher abgelegt. Sie unterstützt die Protokolle STP und RSTP.

Die Switch-Software bietet dem Netzwerkadministrator drei Verwaltungsmöglichkeiten mit umfangreichem Funktionsumfang:

• Kommandozeilenschnittstelle (CLI);
• Weboberfläche;
• SNMP.

Der Switch speichert seine Konfiguration in mehreren CLI-Textdateien.

Die Software unterstützt außerdem DHCP, wodurch sichergestellt wird, dass alle Segmente und Kassenmodule eine IP-Adresse erhalten.

Die webbasierte Verwaltungsoberfläche der Software ermöglicht die Fernkonfiguration und -steuerung der Switches. Sie ist in Funktionsgruppen für folgende Aufgaben unterteilt:

• Konfiguration der Switch-Funktionen;
• Überwachung der konfigurierten Funktionen mit automatischer Aktualisierung;
• Ausführung unterstützter Diagnosefunktionen.

Zur Unterstützung des Netzwerkadministrators haben unsere Ingenieure Referenzseiten entwickelt.

Die Grundfunktionen des Layer-2-Switches:

• Dynamische MAC-Adresstabelle;
• Statische MAC-Adresstabelle;
• Kanalbündelung nach IEEE 802.3ad;
• Statische Link-Aggregation;
• Link Aggregation Control Protocol: LACP tauscht LACPDU-Nachrichten mit dem entfernten Switch aus und richtet automatisch eine Link-Aggregation ein;
• Spanning Tree.

3. Gehäuseentwicklung und mechanische Konstruktion

Wir waren außerdem für die Entwicklung des Gerätegehäuses verantwortlich. Das Gehäuse mit den Abmessungen 64x426x832 wurde aus 1,5 mm starkem Blech gefertigt.

Der obere Deckel wurde in zwei unterschiedlich große Teile unterteilt, um die Steifigkeit zu erhöhen. Der größere Teil der Abdeckung ist abnehmbar und ermöglicht einen einfachen Zugang zu den internen Komponenten, sodass diese schnell ausgetauscht werden können. Der kleinere Teil ist fest montiert, stützt die abnehmbare Abdeckung und schützt Komponenten, die nicht häufig ausgetauscht werden müssen.

^{Abbildung 5. Gehäuse des Kassensystems}

Die Frontplatte ist als Blende ausgeführt: Sie erfüllt eine dekorative Funktion und schützt die Lüftungsöffnungen sowie die Ein-/Aus-Tasten vor versehentlicher Betätigung. An der Frontplatte befinden sich Griffe, mit denen das Gerät aus dem Rack herausgezogen werden kann.

Zur Kühlung des Geräts werden vier Lüfter und ein perforiertes Gehäuse eingesetzt.

Geschäftlicher Nutzen

Unser Kunde erhielt eine neue Hardware- und Softwarelösung für seine Produktpalette, die für den Einzelhandel, die Hotellerie und Gastronomie (HoReCa), den Transport- und Logistiksektor sowie Versorgungsunternehmen entwickelt wurde. Die neuen Switches werden im mittleren und großen Unternehmenssegment eingesetzt, da sie den Anschluss von bis zu 15 Kassenmodulen ermöglichen und in standardisierten 19-Zoll-Racks untergebracht sind. Die Produktion der Geräte wird auf Basis der Switches von Microchip aufgebaut.