本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)，作者/李寧遠(yuǎn)。
數(shù)字信號(hào)處理器DSP在工業(yè)控制、消費(fèi)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(jiǎn)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(hào)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?cè)私獾?，DSP在視覺應(yīng)用上設(shè)計(jì)彈性非常高，相比于Cortex-M4架構(gòu)內(nèi)建浮點(diǎn)運(yùn)算單元只能實(shí)現(xiàn)低階影像訊號(hào)處理，以及x86架構(gòu)下工控平臺(tái)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(yùn)控上，雖然DSP和MCU在控制上爭(zhēng)奪還沒有那么激烈，但隨著機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量以及計(jì)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(yùn)控設(shè)計(jì)
目前國(guó)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(yùn)動(dòng)控制，在整個(gè)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(shí)現(xiàn)精確控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。
在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)控制命令和機(jī)械手控制命令），DSP對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獨(dú)立（或者與FPGA一起）完成整個(gè)系統(tǒng)的電機(jī)控制和機(jī)械手控制。DSP控制設(shè)計(jì)中DSP運(yùn)算速度直接影響整個(gè)閉環(huán)運(yùn)控的精度。
這一塊市場(chǎng)被TI、ADI、NXP等國(guó)際大廠主導(dǎo)，多年的硬件研發(fā)經(jīng)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(jià)比高；高端一點(diǎn)的用C55x系列，運(yùn)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(chǎng)景才會(huì)用到的DSP，850MHz的內(nèi)核速度每個(gè)周期能夠執(zhí)行8次單精度浮點(diǎn)MAC運(yùn)算，并且可執(zhí)行雙精度和混合精度運(yùn)算。這種性能的內(nèi)核即便是高性能的自動(dòng)化運(yùn)控場(chǎng)合也完全沒有問題。
（C6654 DSP，TI）
一般來說，主機(jī)不會(huì)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(duì)來說可以給整個(gè)控制更快的數(shù)據(jù)交換，像C6654 DSP因?yàn)椴捎肒eyStone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(huì)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(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角，控制各個(gè)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)以達(dá)到末端期望目標(biāo)的位姿。
（32位RISC-V DSP，中科昊芯）
國(guó)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(chǔ)配置了ePWM等增強(qiáng)型外設(shè)，基于FPU浮點(diǎn)處理單元與自定義浮點(diǎn)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。
（M4內(nèi)核集成浮點(diǎn)運(yùn)算單元，ADI）
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(shì)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(dú)立DSP的方案也肉眼可見得越來越少，獨(dú)立DSP正在越來越多地轉(zhuǎn)向SoC的一個(gè)處理單元。
小結(jié)
運(yùn)動(dòng)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(duì)DSP廠商，對(duì)整個(gè)上游核心芯片供應(yīng)商來說都是一次發(fā)展的契機(jī)。
