使用單線(xiàn)對以太網(wǎng)推動(dòng)人形機器人發(fā)展

人形機器人變得越來(lái)越復雜，也越來(lái)越精確，具有更高的自由度(DOF)和AI驅動(dòng)的中央計算引擎，現在能夠在幾毫秒內評估、適應和響應周?chē)h(huán)境。設計這些先進(jìn)的人形機器人需要一個(gè)通信系統，其可支持在眾多關(guān)節控件之間進(jìn)行實(shí)時(shí)高帶寬數據傳輸，并且全部都在空間受限的輕量級框架內進(jìn)行，在噪聲大的工業(yè)環(huán)境中也要保持可靠且穩健。TI單線(xiàn)對以太網(wǎng)(SPE)PHY可以解決這些難題并簡(jiǎn)化系統架構，以實(shí)現人形機器人的無(wú)縫運動(dòng)執行。

使用SPE實(shí)現更簡(jiǎn)單的系統架構和更輕的重量

為了實(shí)現關(guān)節控件的高更新速率和高帶寬（高達1000Mbps），需要一種先進(jìn)的實(shí)時(shí)控制系統架構。通過(guò)提供可促進(jìn)多個(gè)系統組件之間的數據交換的單一高帶寬通信標準，基于以太網(wǎng)的系統簡(jiǎn)化了架構。進(jìn)一步使用 SPE (xBASE-T1) 技術(shù)（如圖 1 所示）和/或菊花鏈拓撲可以減小線(xiàn)束的整體尺寸，在更大程度地減輕機器人重量方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用（重量是人形機器人的一個(gè)重要因素，減輕重量可以提高機動(dòng)性、能源效率和平衡性能）。

圖1 SPE接口

使用單線(xiàn)對以太網(wǎng)PHY推動(dòng)機器人發(fā)展

TI 的 SPE PHY產(chǎn)品系列旨在與TI 的 100BASE-T1和1000BASE-T1 PHY實(shí)現封裝兼容。單板設計允許在未來(lái) 的開(kāi)發(fā)中升級功能集或帶寬，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)一步降低人形機器人設計的復雜性并提高系統性能。 精確的時(shí)間同步利用精確的時(shí)間同步，可以增強分布式人形機器人系統，實(shí)現關(guān)節之間無(wú)縫的確定性協(xié)調。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節點(diǎn)之間實(shí)現精確的網(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)人員能夠將時(shí)間戳處理從處理器卸載到PHY上，從而實(shí)現低至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可以改善人形機器人子系統的實(shí)時(shí)決策和自適應行為。時(shí)間戳處理是在生成或接收數據或事件時(shí)使用精確的時(shí)間信息標記傳入和傳出數據或事件的過(guò)程。如圖 2 所示，時(shí)間戳處理可以在數據路徑上的多個(gè)位置實(shí)現：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(lèi)型的時(shí)間戳處理。時(shí)鐘數據的精度和抖動(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，因為它解決了數據通過(guò)PHY時(shí)可能會(huì )出現的不確定延遲問(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 事件計時(shí)功能進(jìn)一步改善了多個(gè)電機控制器之間的同步，并且有利于執行需要在子系統之間進(jìn)行檢測和響應協(xié)調的任務(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存儲一天中的時(shí)間，而且可以使用它以納秒級精度在其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），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

兼具穩定性

克服EMI和EMC難題

人形機器人是一個(gè)空間受限的系統，其中包含多個(gè)電子元件、電機、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，因為電磁干擾(EMI)可能會(huì )破壞機器人內部的傳感器讀數和控制信號。TI的100BASE-T1和1000BASE-T1以太網(wǎng)PHY設計為符合OPEN Alliance EMI/EMC標準，可在汽車(chē)市場(chǎng)提供成熟的穩健性，現在，在機器人應用中至關(guān)重要。通過(guò)使用電隔離的穩健架構來(lái)應對噪聲（如圖 5 所示），使得TI器件能夠符合EMI/EMC的工業(yè)IEC和CISPR標準。有關(guān)更多詳細信息，請參閱單線(xiàn)對以太網(wǎng)的EMC/EMI合規性設計應用手冊。

圖5 電耦合概念

電纜診斷

在封閉的機器人系統中，由于接觸內部元件/組件受到限制，排除網(wǎng)絡(luò )故障可能是一項艱巨的任務(wù)。憑借可通過(guò)串行管理接口(SMI)訪(fǎng)問(wèn)的以太網(wǎng)PHY的內置電纜診斷功能（如信號質(zhì)量指示器(SQI)和時(shí)域反射計(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時(shí)間。

SQI通過(guò)評估信號強度、噪聲水平和傳輸錯誤來(lái)監控鏈路質(zhì)量，以提供連接健康狀況的實(shí)時(shí)狀態(tài)。在人形機器人 等封閉系統中，SQI可以及早檢測信號衰減或不穩定情況，以便進(jìn)行主動(dòng)維護，或者確定網(wǎng)絡(luò )的哪個(gè)部分出現問(wèn)題。任何給定時(shí)間的 SQI值都存儲在寄存器中，可通過(guò)簡(jiǎn)單的計算與信噪比(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 可識別整個(gè)電纜長(cháng)度范圍內的故障（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功能檢測到的不同類(lèi)型的故障。這種診斷方法對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量反射信號（同相、異相或無(wú)脈沖）。當PHY之間沒(méi)有有效鏈路時(shí)，通常會(huì )運行TDR測試來(lái)查找根本原因。

圖8 TDR概念

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

系統實(shí)現

TI 的應用特定MCU (ASM)（例如C2000系列和基于A(yíng)rm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，也可以用于標準以太網(wǎng)技術(shù)。此外，TI開(kāi)發(fā)的SORTE協(xié)議可以實(shí)現4μs的周期時(shí)間，與基于A(yíng)rm的MCU系列兼容，適用于需要更高吞吐量并實(shí)施SPE的應用。有關(guān)更多詳細信息，請參閱支持PRU-ICSS的簡(jiǎn)單開(kāi)放實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(SORTE)器件 參考設計。設計功能安全型以太網(wǎng)PHY并與第三方合作認證MCU軟件棧，可確保滿(mǎn)足機器人系統內部的功能安全要求。

在人形機器人中，SPE用于點(diǎn)對點(diǎn)或菊花鏈配置，以連接用于在各種子系統之間協(xié)調運動(dòng)的電機控制器。通常采用基于網(wǎng)關(guān)的架構來(lái)管理多個(gè)控制器和電機子系統。借助ASM + DP83TC812S-Q1(100BASE-T1 SPE PHY)評估模塊，TI展示了多節點(diǎn)實(shí)時(shí)系統如何實(shí)現60ns抖動(dòng)性能，從而實(shí)現確定性且可預測的系統行為。有關(guān)測試設置的更多信息，請聯(lián)系TI。

圖9 特定于應用的MCU和100BASE-T1 SPE PHY評估模塊

總結

SPE技術(shù)在推動(dòng)人形機器人發(fā)展方面發(fā)揮著(zhù)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噪聲穩健性等關(guān)鍵設計難題，為未來(lái)的可擴展性鋪平道路。通過(guò)集成IEEE 802.1AS和GPIO事件觸發(fā)器等功能，單對以太網(wǎng)可實(shí)現最準確的系統反應和響應?；谶@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驅動(dòng)器無(wú)縫配合使用，提供兼容性并簡(jiǎn)化系統開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足現代人形機器人的高性能需求。

（本文登于《EEPW》202505）