MCU在機(jī)器人中的規(guī)范注意事項

機(jī)器人對MCU有獨特的需求。經(jīng)過優(yōu)化用于機(jī)器人的 MCU 通常包含多種功能，包括內(nèi)置互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 連接、信息安全和功能安全保護(hù)以及高級控制算法。將 MCU 內(nèi)核與現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 集成是優(yōu)化機(jī)器人應(yīng)用的一種手段。機(jī)器人操作系統(tǒng) (ROS) 最初針對更高性能的中央處理器 (CPU) 進(jìn)行了優(yōu)化，現(xiàn)在已被簡化并作為微型 ROS 發(fā)布，以便在嵌入式 MCU 和其他資源較少的環(huán)境中運(yùn)行，進(jìn)一步提高了 MCU 在機(jī)器人技術(shù)中的實用性。

用于機(jī)器人的 MCU 采購繼續(xù)成倍增加。本 FAQ 將回顧基本的機(jī)器人平臺架構(gòu)，特別強(qiáng)調(diào) MCU 的使用；它回顧了 MCU 內(nèi)核與 FPGA 集成時打開的性能選項，并回顧了使用 micro-ROS 的好處。 MCU 是機(jī)器人設(shè)計中的重要元素。即使是簡單的消費(fèi)類機(jī)器人也可以包含多個 MCU，用于實現(xiàn)通信、用戶界面、USB 和電機(jī)控制等專用功能（圖 1）。

圖 1：即使是相對簡單的機(jī)器人真空吸塵器，也可以有多個 MCU 來處理專門的用戶界面、連接和電機(jī)控制任務(wù)。 （圖片：Microchip）

智能工廠和工業(yè) 4.0 的出現(xiàn)正在推動對日益精密和復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人的需求。包括網(wǎng)絡(luò)通信、功能安全需求和預(yù)測性維護(hù)等需求增長，需要更高性能外設(shè)和加速器的 MCU 。通常運(yùn)行頻率為 800 MHz 至 1GHz 的異構(gòu)多核 MCU。處理速度對于支持多軸機(jī)器人中電機(jī)位置、方向、速度和扭矩的高精度控制至關(guān)重要。

用于機(jī)器人的高性能 MCU 包括支持伺服控制所需計算的專用加速器硬件。在某些情況下，電流控制環(huán)路計算可以在 1.5μs 內(nèi)完成。在伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，控制回路可以分為多個層次，包括更高級別的運(yùn)動控制回路、位置回路、速度回路和轉(zhuǎn)矩/電流回路，以級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排列（圖 2）。上游控制回路倍數(shù)于下游控制回路，并為下游提供參考數(shù)據(jù)，其中轉(zhuǎn)矩或電流回路是最嚴(yán)密的控制回路。

圖 2：伺服電機(jī)控制回路級聯(lián)拓?fù)洹?（圖片：德州儀器）

上述架構(gòu)中的控制回路可以在多核 MCU 中的不同內(nèi)核實現(xiàn)，也可以在 MCU 內(nèi)核和 FPGA 之間進(jìn)行劃分。分區(qū)的優(yōu)化通過在獨立計算資源之間擴(kuò)展循環(huán)來最大化可用處理帶寬。每個處理核心都可以快速運(yùn)行其特定算法，將結(jié)果向下傳遞以供下一個循環(huán)使用。同時，它根據(jù)需要繼續(xù)提供其他功能，直到下一組輸入數(shù)據(jù)到達(dá)，算法再次開始。

單個 MCU 內(nèi)核需要高水平的性能才能擁有可用于快速處理基本算法和提供系統(tǒng)所需的附加功能的帶寬。由于循環(huán)時間在 32 kHz 控制回路中接近 31.25 μs，或者必須幾乎同時處理來自多軸的輸入，因此必須進(jìn)行快速處理。有時，它可能需要一個或多個高性能 MCU 加上一個 FPGA 的組合。

MCU、FPGA 和 eFPGA

在機(jī)器人系統(tǒng)中，MCU 和 FPGA 的組合可以提供比單一產(chǎn)品更合適的解決方案。其中MCU 靈活且易于編程。 MCU 也可以處理某種級別的并行運(yùn)算，但最終內(nèi)核可能成為更高級別并行性能的瓶頸。 FPGA 由數(shù)千個邏輯塊組成，這些邏輯塊可以配置為大規(guī)模并行處理。 FPGA 還可以提供更高級別的靈活性，但它們往往更昂貴。

MCU 非常適合處理多軸伺服控制等常規(guī)功能。 FPGA 可包含大量 DSP 模塊和可編程邏輯，可支持人工智能 (AI)、機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 推理算法所需的并行處理。機(jī)器人平臺上需要的 AI/ML/CNN 功能越多，將 FPGA 與 MCU 一起結(jié)合的好處就越大。

用戶可以使用多種微控制器軟件開發(fā)工具中的一種。在 FPGA 的情況下，邏輯不是固定的，而是通過在硬件中設(shè)計互連結(jié)構(gòu)來“編程”設(shè)備以執(zhí)行特定功能。這些差異導(dǎo)致了 MCU 和 FPGA 之間的成本和性能權(quán)衡（圖 3）。

圖 3：FPGA 和 MCU 為機(jī)器人平臺設(shè)計人員提供了多種性能和成本權(quán)衡。 （圖片：Digilent）

根據(jù)具體設(shè)計的需要，MCU和FPGA的結(jié)合方式有以下三種：

MCU 和 FPGA 可以組合為兩個分立組件
FPGA 可以包含一個集成的 MCU 內(nèi)核
MCU 可以包括一個集成的 FPGA 部分

這些方法中的每一種都有其優(yōu)點。對于同時需要高性能伺服控制能力和大量 AI/ML/CNN 功能的應(yīng)用，高性能 MCU 可以與單獨的大型 FPGA 相結(jié)合。 MCU 可能用于控制功能，而 FPGA 用于機(jī)器人平臺上更密集的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)活動。在需要大規(guī)模并行處理和 AI/ML/CNN 占主導(dǎo)地位的情況下，MCU 內(nèi)核可以與大型 FPGA 集成。在 MCU 占主導(dǎo)地位且需要相對少量并行處理的情況下，可以將較小的嵌入式 FPGA (eFPGA) 與高性能 MCU 集成。

在許多機(jī)器人應(yīng)用中，通常首選其中一種集成解決方案，集成解決方案可以提供更高的性能水平。當(dāng)分立的 FPGA 與單獨的 MCU 結(jié)合使用時，每個設(shè)備都需要其內(nèi)存緩沖區(qū)來處理它們之間的數(shù)據(jù)傳輸。如果需要在 MCU 和 FPGA 之間傳輸大量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性能會受到影響。另一方面，如果 FPGA 和 MCU 集成在一塊芯片中，它們可以共享 DDR 內(nèi)存，并且數(shù)據(jù)傳輸不需要緩沖。在這種情況下，數(shù)據(jù)傳輸只涉及在 MCU 和 FPGA 之間傳輸存儲器指針。

MCU 機(jī)器人操作系統(tǒng)

基本機(jī)器人操作系統(tǒng) (ROS) 是一個用于機(jī)器人應(yīng)用程序開發(fā)的開源軟件框架，針對運(yùn)行 Ubuntu Focal、macOS 和 Windows 10 等操作系統(tǒng)的微處理器進(jìn)行了優(yōu)化。ROS 2 是新一代的 ROS。 ROS 2 采用分層架構(gòu)設(shè)計，將 ROS 客戶端層與 ROS 中間件層分開。 ROS 領(lǐng)域的最新發(fā)展是 micro-ROS，它將 ROS 2 帶入中檔和更高級別的 MCU。需要具有數(shù)十 KB RAM 的 MCU 來實現(xiàn)微型 ROS。 MCU 中還需要支持 micro-ROS 客戶端到代理通信的通信外圍設(shè)備。

micro-ROS 提供了一個 ROS 2 開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，可以在實時操作系統(tǒng) (RTOS) 之上運(yùn)行，使它們能夠滿足需要時間期限或確定性響應(yīng)的機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)的時間關(guān)鍵要求。FreeRTOS 是 micro-ROS 項目支持的首批 RTOS 之一，并已集成到其軟件堆棧中。 FreeRTOS 社區(qū)開發(fā)的所有實現(xiàn)和工具都可以與 micro-ROS 兼容（圖 4）。

圖 4：微型 ROS 堆棧顯示與 FreeRTOS 環(huán)境的兼容性。 （圖片：FreeRTOS）

FreeRTOS 具有最小的內(nèi)存和處理開銷，RTOS 內(nèi)核二進(jìn)制映像僅需要 6K 到 12K 字節(jié)，非常適合運(yùn)行 micro-ROS。除了 FreeRTOS 之外，micro-ROS 還可以與 Zepher RTOS 一起運(yùn)行，并且 Zepher 由 micro-ROS 客戶端庫及其中間件支持。

總結(jié)

為機(jī)器人平臺指定 MCU 是一個復(fù)雜的過程。通常需要多個 MCU 或具有多個內(nèi)核的單個 MCU，以及可能添加的 FPGA，作為外部設(shè)備或 MCU 內(nèi)的嵌入式元件。在考慮 MCU 和 FPGA 的集成時，需要進(jìn)行多種權(quán)衡。例如，MCU 可用于控制功能，而 FPGA 則用于機(jī)器人平臺上更密集的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)。在 MCU 上運(yùn)行的微型 ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)的發(fā)布是高級機(jī)器人平臺設(shè)計人員可用的另一個重要工具。

審核編輯：湯梓紅