以己之長攻彼之短 FPGA在機(jī)器人市場如何突圍

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）上一期中，聊到MCU在機(jī)器人行業(yè)中的發(fā)展時(shí)提到，目前在工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人上用量最多的是MCU。隨著工業(yè)領(lǐng)域每一步自動化升級，機(jī)器人所需的運(yùn)算效能也同步增長，各種高效能要求，人機(jī)協(xié)同應(yīng)用以及各類即時(shí)運(yùn)算都要求機(jī)器人除了提供精準(zhǔn)的電機(jī)控制外還能兼顧靈活性和拓展性。

顯然，FPGA廠商是不會任由MCU靠著電機(jī)控制的紅利大刀闊斧收割機(jī)器人市場的。目前工業(yè)機(jī)器人有多軸化和協(xié)同化的發(fā)展趨勢，這種靈活性和拓展性要求都是為了機(jī)器人能夠執(zhí)行多種精密復(fù)雜的擬人動作。在這種發(fā)展趨勢下工業(yè)機(jī)器人的電機(jī)及軸數(shù)都必須增加，當(dāng)其中一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)到特定角度時(shí)，與其同處一個(gè)連動系統(tǒng)的軸也須旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的正確角度，這樣的要求下，不同系統(tǒng)之間的搭配協(xié)調(diào)也變得格外重要。

FPGA可以應(yīng)用在分散控制的小節(jié)點(diǎn)上，也可以在大節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用更高效能的FPGA SoC。通過FPGA控制的系統(tǒng)最明顯的優(yōu)勢點(diǎn)就是驅(qū)動反應(yīng)時(shí)間會大大縮短，對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度而言會是一個(gè)大提升。復(fù)雜的多軸運(yùn)算需求將FPGA的擴(kuò)展性及運(yùn)作效能優(yōu)勢凸顯，在單一節(jié)點(diǎn)運(yùn)作的MCU在應(yīng)對這種高效能需求時(shí)會顯得乏力。而DSP雖然有更高的處理效能，但在拓展性上仍給了FPGA一定的喘息空間。如何充分利用好高效能和高拓展性優(yōu)勢成了FPGA在和MCU，DSP三足鼎立的機(jī)器人市場中突圍的關(guān)鍵點(diǎn)。

機(jī)器人FPGA高效能運(yùn)控應(yīng)用

像這種擁有全方位機(jī)器人控制的設(shè)計(jì)可以從賽靈思的基于Artix-7 FPGA和Zynq-7000 SoC設(shè)計(jì)的Versal AI Edge來看看該控制方式的優(yōu)勢。

單從Artix-7 FPGA來看提供了高性能的功耗比結(jié)構(gòu)（約50%）、收發(fā)器線速、DSP處理能力以及AMS集成。215K的邏輯單元和 AXI IP以及模擬混合信號集成對給予了系統(tǒng)足夠高的可編程集成性。

而Zynq-7000則是采用與 28nm Artix-7可編程邏輯配對的單核ARM Cortex-A9處理器，同時(shí)提供6.25Gb/s收發(fā)器，在電機(jī)控制與嵌入式視覺等工業(yè)應(yīng)用上既能控制成本又能優(yōu)化系統(tǒng)集成。

基于上述元件構(gòu)成的機(jī)器人控制Versal AI Edge，可以從視覺和非視覺傳感器進(jìn)行元數(shù)據(jù)處理執(zhí)行低時(shí)延電機(jī)控制和確定性聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的同步。對于需要移動功能的機(jī)器人，可加速動作規(guī)劃滿足導(dǎo)航需求。這種通過控制環(huán)路的并行處理，對可擴(kuò)展的運(yùn)動軸數(shù)量進(jìn)行精確確定性控制，在多軸運(yùn)動上具有很高的拓展性。

不僅是Xilinx，另一家FPGA大廠Altera也是用28/20nm FPGA打入機(jī)器人控制市場?；贔PGA以及FPGA SoC的設(shè)計(jì)，除了運(yùn)動控制，傳感器總線管理，攝像頭總線管理包括HMI等等都被集成到一起。通過高層次的集成，縮小物理尺寸并降低功耗。這樣的控制似乎更能體現(xiàn)機(jī)器人的智能性和適應(yīng)性。

機(jī)器視覺FPGA可拓展性應(yīng)用

具備強(qiáng)大平行運(yùn)算功能的FPGA，不只能應(yīng)付多軸機(jī)器人運(yùn)動的需求，也能實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)高彈性的靈活配置。lattice就是這樣的策略，lattice的FPGA雖然也涉及多軸電機(jī)控制，但主要應(yīng)用放在了機(jī)器視覺上。

FPGA與生俱來的可編程優(yōu)勢使其能支援多種工業(yè)通訊協(xié)定，也讓FPGA成為用來擴(kuò)充通訊的不錯(cuò)選擇。從ECP5處理器板上來看，它的輸入和輸出板之間能夠組合和匹配，以連接到各類圖像傳感器和顯示屏，最大限度的提供靈活的互連性。

ECP5 VIP處理器板上帶了ECP5-85 FPGA，專門圖像信號進(jìn)行處理處理。單獨(dú)說一下ECP5 VIP中的VIP，是lattice面向開發(fā)者用于嵌入式視覺應(yīng)用的模塊化視頻接口平臺。就ECP5 FPGA本身特性而言，178個(gè)I/O、20個(gè)差分I/O對、4個(gè)5G SERDES通道和85K LUT，如此多的I/O資源對機(jī)器人設(shè)計(jì)者而言也是不小的助力?？赡懿煌瑥S家能提供給機(jī)器人客戶的拓展性不一樣，但FPGA固有的高拓展性優(yōu)勢是一定的。

寫在最后

不難看出FPGA依靠高效能和拓展性在機(jī)器人行業(yè)已經(jīng)有相當(dāng)大的發(fā)揮。不管是依靠高效能處理能力從MCU手中奪取電機(jī)控制的份額，還是憑借拓展性大舉進(jìn)軍機(jī)器視覺與DSP正面對壘，在機(jī)器人市場中FPGA與MCU，DSP可謂是互不相讓，暗流涌動。畢竟誰都不愿意在這個(gè)大市場上被壓一頭。

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編輯：jq