數(shù)字信號處理器DSP在工業(yè)控制、消費電子、雷達(dá)圖像傳感等諸多領(lǐng)域都有很多的應(yīng)用，這得益于DSP接口簡單、集成方便、可重復(fù)性好。DSP在機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展也在不斷深入。

在此前關(guān)于DSP在機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用的文章中我們曾了解到，DSP在視覺應(yīng)用上設(shè)計彈性非常高，相比于Cortex-M4架構(gòu)內(nèi)建浮點運算單元只能實現(xiàn)低階影像訊號處理，以及x86架構(gòu)下工控平臺的大功耗高成本，DSP在視覺應(yīng)用上的都是性能和成本的絕佳選擇。而在運控上，雖然DSP和MCU在控制上爭奪還沒有那么激烈，但隨著機(jī)器人控制系統(tǒng)對實時性、數(shù)據(jù)量以及計算要求的不斷提升，高速高性能的DSP也備受青睞。

機(jī)器人DSP運控設(shè)計

目前國內(nèi)外的機(jī)器人大多數(shù)都采用上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)合控制的方式，上位機(jī)發(fā)出機(jī)器人的控制命令，上位機(jī)和下位機(jī)經(jīng)過通訊完成機(jī)器人的控制指令。下位機(jī)就是機(jī)器人的控制器，負(fù)責(zé)完成機(jī)器人的運動控制，在整個控制系統(tǒng)處于核心的地位，不僅要處理上位機(jī)發(fā)送來的命令，還要向上位機(jī)反饋傳感器信息，實現(xiàn)精確控制機(jī)器人運動的目標(biāo)。

在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)控制設(shè)計中，DSP在數(shù)字處理部分扮演了重要角色。上位機(jī)發(fā)出控制命令（運動控制命令和機(jī)械手控制命令），DSP對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獨立（或者與FPGA一起）完成整個系統(tǒng)的電機(jī)控制和機(jī)械手控制。DSP控制設(shè)計中DSP運算速度直接影響整個閉環(huán)運控的精度。

這一塊市場被TI、ADI、NXP等國際大廠主導(dǎo)，多年的硬件研發(fā)經(jīng)驗和完善的軟件開發(fā)環(huán)境，用戶生態(tài)都較為完備，在機(jī)器人應(yīng)用中也多以這些大廠的DSP為主。TI的C2000系列的DSP 芯片、ADI的ADSP-21xx系列都廣泛應(yīng)用于運動控制領(lǐng)域。

就TI的產(chǎn)品線來說，市面上最常見的就是用最普通的C2000系列DSP來做，性價比高；高端一點的用C55x系列，運算性能提升功耗更低；而TI官網(wǎng)推薦的C6654 DSP屬于更高性能場景才會用到的DSP，850MHz的內(nèi)核速度每個周期能夠執(zhí)行8次單精度浮點MAC運算，并且可執(zhí)行雙精度和混合精度運算。這種性能的內(nèi)核即便是高性能的自動化運控場合也完全沒有問題。

一般來說，主機(jī)不會直接和DSP通訊，都通過共用內(nèi)存來交換數(shù)據(jù)。共享內(nèi)存的通信方式相對來說可以給整個控制更快的數(shù)據(jù)交換，像C6654 DSP因為采用KeyStone架構(gòu)，配置了多種創(chuàng)新組件和技術(shù)，器件內(nèi)和器件間的通信會更快一些。

機(jī)械手的控制利用DSP的ePWM模塊完成，DSP根據(jù)求解出的機(jī)械手各個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角，控制各個舵機(jī)的運動以達(dá)到末端期望目標(biāo)的位姿。

國內(nèi)像青島本原微電子的高端DSP芯片，中科昊芯基于開源指令集架構(gòu)RISC-V的DSP芯片在機(jī)器人DSP應(yīng)用上也頗有建樹。上圖中中科昊芯的32位RISC-V DSP基于自研的H28x內(nèi)核，200MHz主頻并增強(qiáng)了存儲配置了ePWM等增強(qiáng)型外設(shè)，基于FPU浮點處理單元與自定義浮點指令專門支持高性能FOC、多電平控制，在控制領(lǐng)域應(yīng)用頗多。

單芯片DSP集成進(jìn)SoC成主流

從全球領(lǐng)先廠商TI、ADI的產(chǎn)品更新來看，DSP從單核發(fā)展到同構(gòu)多核再到異構(gòu)多核，現(xiàn)在要么使用單芯片DSP模式，要么以處理單元的形式集成在SoC中。

機(jī)器人應(yīng)用往多核異構(gòu)架構(gòu)的發(fā)展才能兼顧算力和擴(kuò)展性，這一趨勢很明顯。且不說視覺應(yīng)用里DSP在性能及成本考量上應(yīng)用于機(jī)器視覺的主、次系統(tǒng)中都較為適宜（不論是單顆DSP還是內(nèi)嵌多核心DSP以及中央處理器SoC方案）。在機(jī)器人控制應(yīng)用里，市面上獨立DSP的方案也肉眼可見得越來越少，獨立DSP正在越來越多地轉(zhuǎn)向SoC的一個處理單元。

小結(jié)

運動控制的發(fā)展無疑是向著更智能更精準(zhǔn)這一方向，機(jī)器人的快速發(fā)展也離不開控制系統(tǒng)的優(yōu)異性能。不斷復(fù)雜化智能化的控制系統(tǒng)，不僅對DSP廠商，對整個上游核心芯片供應(yīng)商來說都是一次發(fā)展的契機(jī)。