使用單線對以太網(wǎng)推動人形機(jī)器人發(fā)展

人形機(jī)器人變得越來越復(fù)雜，也越來越精確，具有更高的自由度(DOF)和AI驅(qū)動的中央計算引擎，現(xiàn)在能夠在幾毫秒內(nèi)評估、適應(yīng)和響應(yīng)周圍環(huán)境。設(shè)計這些先進(jìn)的人形機(jī)器人需要一個通信系統(tǒng)，其可支持在眾多關(guān)節(jié)控件之間進(jìn)行實時高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，并且全部都在空間受限的輕量級框架內(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單線對以太網(wǎng)(SPE)PHY可以解決這些難題并簡化系統(tǒng)架構(gòu)，以實現(xiàn)人形機(jī)器人的無縫運(yùn)動執(zhí)行。

使用SPE實現(xiàn)更簡單的系統(tǒng)架構(gòu)和更輕的重量

為了實現(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)的實時控制系統(tǒng)架構(gòu)。通過提供可促進(jìn)多個系統(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)器人的一個重要因素，減輕重量可以提高機(jī)動性、能源效率和平衡性能）。

圖1 SPE接口

使用單線對以太網(wǎng)PHY推動機(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實現(xiàn)封裝兼容。單板設(shè)計允許在未來 的開發(fā)中升級功能集或帶寬，而無需改動硬件。這種方法有助于加快開發(fā)周期并縮短上市時間，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)計的復(fù)雜性并提高系統(tǒng)性能。 精確的時間同步利用精確的時間同步，可以增強(qiáng)分布式人形機(jī)器人系統(tǒng)，實現(xiàn)關(guān)節(jié)之間無縫的確定性協(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)之間實現(xiàn)精確的網(wǎng)絡(luò)范圍時間同步和單一時間參考。這使得開發(fā)人員能夠?qū)r間戳處理從處理器卸載到PHY上，從而實現(xiàn)低至1-15ns的同步精度。

在SPE PHY中利用時間戳處理

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)的實時決策和自適應(yīng)行為。時間戳處理是在生成或接收數(shù)據(jù)或事件時使用精確的時間信息標(biāo)記傳入和傳出數(shù)據(jù)或事件的過程。如圖 2 所示，時間戳處理可以在數(shù)據(jù)路徑上的多個位置實現(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種類型的時間戳處理。時鐘數(shù)據(jù)的精度和抖動可能會在毫秒到納秒之間變化，具體取決于時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)行的時間戳處理可以提高同步精度，因為它解決了數(shù)據(jù)通過PHY時可能會出現(xiàn)的不確定延遲問題。

圖2 可能的時間戳處理位置

GPIO事件捕獲或生成

精確的 GPIO 事件計時功能進(jìn)一步改善了多個電機(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時鐘實現(xiàn)），也可以采用特定時間的脈沖形式。

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)器人是一個空間受限的系統(tǒng)，其中包含多個電子元件、電機(jī)、傳動器和電力電子器件，所有這些都可能會產(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)可能會破壞機(jī)器人內(nèi)部的傳感器讀數(shù)和控制信號。TI的100BASE-T1和1000BASE-T1以太網(wǎng)PHY設(shè)計為符合OPEN Alliance EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)，可在汽車市場提供成熟的穩(wěn)健性，現(xiàn)在，在機(jī)器人應(yīng)用中至關(guān)重要。通過使用電隔離的穩(wěn)健架構(gòu)來應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參閱單線對以太網(wǎng)的EMC/EMI合規(guī)性設(shè)計應(yīng)用手冊。

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)故障可能是一項艱巨的任務(wù)。憑借可通過串行管理接口(SMI)訪問的以太網(wǎng)PHY的內(nèi)置電纜診斷功能（如信號質(zhì)量指示器(SQI)和時域反射計(TDR)，基于SPE的網(wǎng)絡(luò)可以更大限度地減少排除網(wǎng)絡(luò)問題和電纜故障所需的停機(jī)時間。

SQI通過評估信號強(qiáng)度、噪聲水平和傳輸錯誤來監(jiān)控鏈路質(zhì)量，以提供連接健康狀況的實時狀態(tài)。在人形機(jī)器人 等封閉系統(tǒng)中，SQI可以及早檢測信號衰減或不穩(wěn)定情況，以便進(jìn)行主動維護(hù)，或者確定網(wǎng)絡(luò)的哪個部分出現(xiàn)問題。任何給定時間的 SQI值都存儲在寄存器中，可通過簡單的計算與信噪比(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 可識別整個電纜長度范圍內(nèi)的故障（例如短路或開路），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(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量反射信號（同相、異相或無脈沖）。當(dāng)PHY之間沒有有效鏈路時，通常會運(yùn)行TDR測試來查找根本原因。

圖8 TDR概念

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

系統(tǒng)實現(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）與多種實時以太網(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開發(fā)的SORTE協(xié)議可以實現(xiàn)4μs的周期時間，與基于Arm的MCU系列兼容，適用于需要更高吞吐量并實施SPE的應(yīng)用。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參閱支持PRU-ICSS的簡單開放實時以太網(wǎng)(SORTE)器件 參考設(shè)計。設(shè)計功能安全型以太網(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)動的電機(jī)控制器。通常采用基于網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)來管理多個控制器和電機(jī)子系統(tǒng)。借助ASM + DP83TC812S-Q1(100BASE-T1 SPE PHY)評估模塊，TI展示了多節(jié)點(diǎn)實時系統(tǒng)如何實現(xiàn)60ns抖動性能，從而實現(xiàn)確定性且可預(yù)測的系統(tǒng)行為。有關(guān)測試設(shè)置的更多信息，請聯(lián)系TI。

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

總結(jié)

SPE技術(shù)在推動人形機(jī)器人發(fā)展方面發(fā)揮著變革性的作用，并通過解決受限空間中的高帶寬實時通信、精確的時間同步和 EMI/EMC噪聲穩(wěn)健性等關(guān)鍵設(shè)計難題，為未來的可擴(kuò)展性鋪平道路。通過集成IEEE 802.1AS和GPIO事件觸發(fā)器等功能，單對以太網(wǎng)可實現(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)過優(yōu)化，可與TI以太網(wǎng)PHY驅(qū)動器無縫配合使用，提供兼容性并簡化系統(tǒng)開發(fā)，以滿足現(xiàn)代人形機(jī)器人的高性能需求。

（本文登于《EEPW》202505）