Funktionale Sicherheit ist keine Hexerei

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SafeTI - Ein kompletter Chipsatz für funktionale Sicherheit

Die Hercules-Familie ist Teil der SafeTI™-Produkte, die nach einem produktlinienübergreifenden Entwicklungsstandard für funktional sichere Bauteile entwickelt wurden und ausführliche Sicherheitsdokumente, wie Safety Manuals oder Safety Assessment Reports (FMEDA) für die IEC 61508 und die ISO 26262, beinhalten.

Als Ergänzung zur Hercules-Familie steht mit dem TPS65381 ein Bauteil zur Verfügung, das die Spannungsversorgung sowie weitere Sicherheits- und Diagnosefunktionen übernimmt. Durch das SafeTI-HSK von Hitex ist es einfach möglich, die Safety-Konzepte von TI kennenzulernen und das Zusammenspiel zwischen einer Hercules-Safety-MCU und einem TPS65381 Safety Companion Chip zu analysieren.

Das im SafeTI-HSK enthaltene Board enthält zwei Hercules-Controller, die Safety-MCU und die Control-MCU. Die Safety-MCU führt – überwacht durch den externen Safety Companion Chip TPS65381 – die eigentliche Safety-Applikation aus. Die Control-MCU hingegen stellt die Kommunikation mit einer PC-Oberfläche, der sog. Host Control GUI, sicher und dient u. a. zur Injektion von Fehlern in das System – hat also keinen Safety-Bezug.

Beim TPS65381 handelt es sich um ein Spannungsversorgungs-IC , welcher besonderen Anforderungen an die funktionale Sicherheit genügt und standardmäßig die Mikrocontroller der Hercules-Familie unterstützt. Um die korrekte Funktionsweise des angeschlossenen Mikrocontrollers zu überwachen, enthält der Companion Chip einen Watchdog. Dieser erwartet in bestimmten Zeitintervallen spezifische Nachrichten von der Safety-MCU. Bleiben diese aus, wird der Safety Path – und damit das EUC (Equipment Under Control) - deaktiviert.

In der Abbildung sind die verschiedenen Teile des Software-Stacks, der auf der Safety-MCU ausgeführt wird, schematisch dargestellt worden. Dazu gehören neben der Hardware-Abstraktionsschicht, die Hercules Safety Library von Texas Instruments, das Echtzeitbetriebssystem SAFERTOS und die eigentliche Benutzer-Applikation.

Das SAFERTOS ist ein vom TÜV SÜD vorzertifiziertes Echtzeitbetriebssystem, das vom populären FreeRTOS Betriebssystem abgeleitet wurde. Bei SAFERTOS handelt es sich ein sog. „compliant item“ (s. a. IEC 61508-3, Abschnitt 7.4.2.12 und Anhang D), das den Anforderungen der Sicherheitsgrundnorm IEC 61508 auf SIL 3 genügt und deshalb insbesondere für den Einsatz in sicherheitskritischen Systemen geeignet ist.

Während der Startphase werden die Safety Mechanismen der Hercules-MCU durch die Safety Library konfiguriert. Anschließend wird durch die Ausführung entsprechender Tests sichergestellt, dass die MCU fehlerfrei arbeitet.

Nach dem Start des Betriebssystems läuft die Benutzerapplikation in Form von unabhängigen Tasks, die über FIFO-Queues Informationen austauschen können, auf dem SAFERTOS Echtzeitbetriebssystem. Zu den Tasks zählt ein sog. Command Handler, der Kommandos von der Control-MCU entgegennimmt und an die jeweiligen Zieltasks weiterleitet. Ein Kommando, durch das ein Fehler in die MCU eingestreut werden soll, würde z. B. vom sog. Fault Injection Task verarbeitet.

Die Control-Applikation auf der Control-MCU stellt die Kommunikation zwischen Board und Host Control GUI sicher und ermöglicht die Injektion von Fehlern in die Safety-MCU als auch in die Kommunikation zwischen TPS65381 und Safety-MCU. Darüber hinaus erlaubt sie nach dem Einstreuen eines Fehlers die Beobachtung des Systemverhaltens und das Messen von Systemantwortzeiten.

SafeTI-HSK Host Control GUI und Fehlerinjektion

Mit der Benutzeroberfläche können diverse Merkmale der Safety-MCU, die für einen Einsatz in sicherheitskritischen Systemen relevant sind, auf bequeme Weise evaluiert werden. Durch die grafische Darstellung des Systemverhaltens wird schnell auch ein grundlegendes Verständnis für das Zusammenspiel zwischen Safety-MCU und Safety Companion Chip erreicht.

SafeTI-Familie vereint Controller und Companion Chips

Die SafeTI™-Produkte von Texas Instruments, zu denen auch die Mikrocontroller der Hercules-Familie sowie verschiedene Safety Companion Chips gehören, eignen sich aufgrund ihrere einzigartigen Safety-Merkmale insbesondere für die Entwicklung von sicherheitsbezogenen Systemen, wie z. B. Maschinensteuerungen, die oft die Anforderungen der Maschinenrichtlinie erfüllen müssen.

Das SafeTI-HSK-Evaluierungskit von Hitex ermöglicht einen schnellen Einstieg in die Safey-Konzepte von Texas Instruments und kann in vielen Fällen als Referenzdesign herangezogen werden. Hitex bietet darüber hinaus mit entsprechenden Dienstleistungen Unterstützung rund um das Thema Safety.

Weitere Informationen finden Sie unter www.ti.com/hercules und www.ti.com/safeti sowie www.hitex.com/safeti-hsk.

Literaturhinweise:

[1] P. Löw, R. Papst, E. Petry: Funktionale Sicherheit in der Praxis, dpunkt.verlag, 2010

[2] Funktionale Sicherheit in Maschinensteuerungen, Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung, 2008

* * Frank Forster ist Marketing- und System-Applikations-Manager für Sicherheits-Mikrocontroller bei Texas Instruments in Freising.

* * Dr. Björn Sander ist Technical Sales Engineer bei Hitex in Karlsruhe.

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