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從科幻走入現(xiàn)實(shí)，人形機(jī)器人正經(jīng)歷一場(chǎng)靜默而深刻的技術(shù)革命：更高效的能源控制、更精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)算法、更高速的通信架構(gòu)、更智能的環(huán)境感知能力......這些變革正在重塑機(jī)器人的“骨骼”、“神經(jīng)”與“感官”。

歡迎來(lái)到《人形機(jī)器人專題》我們將為大家?guī)?lái)四篇系列文章，從不同方面對(duì)人形機(jī)器人進(jìn)行知識(shí)解析。

本文將聚焦單對(duì)以太網(wǎng)的應(yīng)用

人形機(jī)器人變得越來(lái)越復(fù)雜，也越來(lái)越精確，具有更高的自由度 (DOF) 和 AI 驅(qū)動(dòng)的中央計(jì)算引擎，現(xiàn)在能夠在幾毫秒內(nèi)評(píng)估、適應(yīng)和響應(yīng)周圍環(huán)境。設(shè)計(jì)這些先進(jìn)的人形機(jī)器人需要一個(gè)通信系統(tǒng)，其可支持在眾多關(guān)節(jié)控件之間進(jìn)行實(shí)時(shí)高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，并且全部都在空間受限的輕量級(jí)框架內(nèi)進(jìn)行，在噪聲大的工業(yè)環(huán)境中也要保持可靠且穩(wěn)健。TI 單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) PHY可以解決這些難題并簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人的無(wú)縫運(yùn)動(dòng)執(zhí)行。

使用 SPE 實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)架構(gòu)

和更輕的重量

為了實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)控件的高更新速率和高帶寬（高達(dá) 1000Mbps），需要一種先進(jìn)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)架構(gòu)。通過(guò)提供可促進(jìn)多個(gè)系統(tǒng)組件之間的數(shù)據(jù)交換的單一高帶寬通信標(biāo)準(zhǔn)，基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)簡(jiǎn)化了架構(gòu)。進(jìn)一步使用SPE (xBASE-T1) 技術(shù)（如圖 1所示）和/或菊花鏈拓?fù)淇梢詼p小線束的整體尺寸，在更大程度地減輕機(jī)器人重量方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用（重量是人形機(jī)器人的一個(gè)重要因素，減輕重量可以提高機(jī)動(dòng)性、能源效率和平衡性能）。

圖 1：SPE 接口

使用單對(duì)以太網(wǎng) PHY 推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展

TI 的 SPE PHY 產(chǎn)品系列旨在與 TI 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 PHY 實(shí)現(xiàn)封裝兼容。單板設(shè)計(jì)允許在未來(lái)的開(kāi)發(fā)中升級(jí)功能集或帶寬，而無(wú)需改動(dòng)硬件。這種方法有助于加快開(kāi)發(fā)周期并縮短上市時(shí)間，從而節(jié)省研發(fā)成本。

此外，TI SPE 以太網(wǎng) PHY集成了一套先進(jìn)功能，可進(jìn)一步降低人形機(jī)器人設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并提高系統(tǒng)性能。

精確的時(shí)間同步

利用精確的時(shí)間同步，可以增強(qiáng)分布式人形機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)之間無(wú)縫的確定性協(xié)調(diào)。TI 的 SPE PHY（1000BASE-T1 DP83TG721S-Q1 和 100BASE-T1 DP83TC817S-Q1）集成了IEEE 802.1AS，可在控制器和 I/O 節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)精確的網(wǎng)絡(luò)范圍時(shí)間同步和單一時(shí)間參考。這使得開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)r(shí)間戳處理從處理器卸載到 PHY 上，從而實(shí)現(xiàn)低至1-15ns的同步精度。

在 SPE PHY 中利用時(shí)間戳處理

集成 IEEE 802.1AS 的以太網(wǎng) PHY 可以改善人形機(jī)器人子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)決策和自適應(yīng)行為。時(shí)間戳處理是在生成或接收數(shù)據(jù)或事件時(shí)使用精確的時(shí)間信息標(biāo)記傳入和傳出數(shù)據(jù)或事件的過(guò)程。如圖 2 所示，時(shí)間戳處理可以在數(shù)據(jù)路徑上的多個(gè)位置實(shí)現(xiàn)：在以太網(wǎng) PHY 的硬件中、在處理器中 MAC IP 的硬件中或在處理器的軟件中。TI 的處理器和以太網(wǎng) PHY 產(chǎn)品系列可支持全部 3 種類型的時(shí)間戳處理。時(shí)鐘數(shù)據(jù)的精度和抖動(dòng)可能會(huì)在毫秒到納秒之間變化，具體取決于時(shí)間戳與電纜的接近程度。以太網(wǎng) PHY 是最靠近電纜的元件，在其中進(jìn)行的時(shí)間戳處理可以提高同步精度，因?yàn)樗鉀Q了數(shù)據(jù)通過(guò) PHY 時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的不確定延遲問(wèn)題。

圖 2：可能的時(shí)間戳處理位置

GPIO 事件捕獲或生成

精確的GPIO 事件計(jì)時(shí)功能進(jìn)一步改善了多個(gè)電機(jī)控制器之間的同步，并且有利于執(zhí)行需要在子系統(tǒng)之間進(jìn)行檢測(cè)和響應(yīng)協(xié)調(diào)的任務(wù)。DP83TG721S-Q1和DP83TC817S-Q1都能夠在 PHY 硬件（而不是控制器）中創(chuàng)建時(shí)間戳和事件觸發(fā)器。以太網(wǎng) PHY 不但可以使用集成的 IEEE 802.1AS 存儲(chǔ)一天中的時(shí)間，而且可以使用它以納秒級(jí)精度在其 GPIO 引腳上捕獲事件（圖 3）或生成事件（圖 4）。生成的事件可以采用模式形式（例如 25MHz 時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)），也可以采用特定時(shí)間的脈沖形式。

圖 3：使用 TI PHY 捕獲 GPIO 事件

圖 4：使用 TI PHY 生成 GPIO 事件

兼具穩(wěn)定性

克服 EMI 和 EMC 難題

人形機(jī)器人是一個(gè)空間受限的系統(tǒng)，其中包含多個(gè)電子元件、電機(jī)、傳動(dòng)器和電力電子器件，所有這些都可能會(huì)產(chǎn)生干擾。因此，管理電磁兼容性 (EMC)至關(guān)重要，因?yàn)殡姶鸥蓴_ (EMI)可能會(huì)破壞機(jī)器人內(nèi)部的傳感器讀數(shù)和控制信號(hào)。TI 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 以太網(wǎng) PHY 設(shè)計(jì)為符合OPEN Alliance EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)，可在汽車市場(chǎng)提供成熟的穩(wěn)健性，現(xiàn)在，在機(jī)器人應(yīng)用中至關(guān)重要。通過(guò)使用電隔離的穩(wěn)健架構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)噪聲（如圖 5 所示），使得 TI 器件能夠符合 EMI/EMC 的工業(yè) IEC 和 CISPR 標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱單對(duì)以太網(wǎng)的 EMC/EMI 合規(guī)性設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè)。

圖 5：電耦合概念

電纜診斷

在封閉的機(jī)器人系統(tǒng)中，由于接觸內(nèi)部元件/組件受到限制，排除網(wǎng)絡(luò)故障可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。憑借可通過(guò)串行管理接口 (SMI)訪問(wèn)的以太網(wǎng) PHY 的內(nèi)置電纜診斷功能（如信號(hào)質(zhì)量指示器 (SQI) 和時(shí)域反射計(jì) (TDR)），基于 SPE 的網(wǎng)絡(luò)可以更大限度地減少排除網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題和電纜故障所需的停機(jī)時(shí)間。

SQI通過(guò)評(píng)估信號(hào)強(qiáng)度、噪聲水平和傳輸錯(cuò)誤來(lái)監(jiān)控鏈路質(zhì)量，以提供連接健康狀況的實(shí)時(shí)狀態(tài)。在人形機(jī)器人等封閉系統(tǒng)中，SQI 可以及早檢測(cè)信號(hào)衰減或不穩(wěn)定情況，以便進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)，或者確定網(wǎng)絡(luò)的哪個(gè)部分出現(xiàn)問(wèn)題。任何給定時(shí)間的 SQI 值都存儲(chǔ)在寄存器中，可通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算與信噪比 (SNR)相關(guān)聯(lián)。圖 6 顯示了 SQI 值隨噪聲的增加而增加的示例。

圖 6：SQI 示例

TDR可識(shí)別整個(gè)電纜長(zhǎng)度范圍內(nèi)的故障（例如短路或開(kāi)路），以及與 PHY 的距離。圖 7（Buntz 和 Daimler AG，2017）顯示了可使用 TDR 功能檢測(cè)到的不同類型的故障。這種診斷方法對(duì)于精確定位電纜中故障的確切位置非常有用。

圖 7：電纜中可能出現(xiàn)的故障

如圖 8所示，TDR 的工作原理是向電纜中注入高能脈沖并測(cè)量反射信號(hào)（同相、異相或無(wú)脈沖）。當(dāng) PHY 之間沒(méi)有有效鏈路時(shí)，通常會(huì)運(yùn)行 TDR 測(cè)試來(lái)查找根本原因。

圖 8：TDR 概念

在人形機(jī)器人中使用時(shí)，這些強(qiáng)大且高效的故障隔離工具可以提高整體系統(tǒng)可靠性并延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

TI 的應(yīng)用特定 MCU (ASM)（例如 C2000 系列和基于 Arm 的 MCU 產(chǎn)品系列）與多種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議兼容，也可以用于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)。此外，TI 開(kāi)發(fā)的SORTE 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn) 4μs 的周期時(shí)間，與基于 Arm 的 MCU 系列兼容，適用于需要更高吞吐量并實(shí)施 SPE 的應(yīng)用。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱支持 PRU-ICSS 的簡(jiǎn)單開(kāi)放實(shí)時(shí)以太網(wǎng) (SORTE) 器件參考設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)功能安全型以太網(wǎng) PHY并與第三方合作認(rèn)證 MCU 軟件棧，可確保滿足機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部的功能安全要求。

在人形機(jī)器人中，SPE 用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或菊花鏈配置，以連接用于在各種子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)控制器。通常采用基于網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)來(lái)管理多個(gè)控制器和電機(jī)子系統(tǒng)。借助 ASM + DP83TC812S-Q1 (100BASE-T1 SPE PHY) 評(píng)估模塊，TI 展示了多節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)60ns 抖動(dòng)性能，從而實(shí)現(xiàn)確定性且可預(yù)測(cè)的系統(tǒng)行為。有關(guān)測(cè)試設(shè)置的更多信息，請(qǐng)聯(lián)系 TI。

圖 9：特定于應(yīng)用的 MCU 和 100BASE-T1 SPE PHY 評(píng)估模塊

總結(jié)

SPE 技術(shù)在推動(dòng)人形機(jī)器人發(fā)展方面發(fā)揮著變革性的作用，并通過(guò)解決受限空間中的高帶寬實(shí)時(shí)通信、精確的時(shí)間同步和 EMI/EMC 噪聲穩(wěn)健性等關(guān)鍵設(shè)計(jì)難題，為未來(lái)的可擴(kuò)展性鋪平道路。通過(guò)集成IEEE 802.1AS和GPIO 事件觸發(fā)器等功能，單對(duì)以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)最準(zhǔn)確的系統(tǒng)反應(yīng)和響應(yīng)。基于這些功能，TI 高度集成的MCU 產(chǎn)品系列經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可與 TI 以太網(wǎng) PHY 驅(qū)動(dòng)器無(wú)縫配合使用，提供兼容性并簡(jiǎn)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以滿足現(xiàn)代人形機(jī)器人的高性能需求。