【導讀】一代又一代，科幻類小說總以各種方式讓機器人融入社會，比如從讓我們的生活變得更輕鬆、更美好的“幫手型”善良仆人
，到試圖消滅我們的殘酷、沒有靈魂的霸主。不論哪種情況，故事一開始都是機器人取代人類完成重複性的危險而又粗重的任務，而隨著AI的興起，它們甚至能超越訓練有素的人類。

圖源：ART STOCK CREATIVE/stock.adobe.com

從小型掃地機器人到送貨機器人和無人機，機器人的使用已是司空見慣。尤其是當機器人變得自主、親近甚至有自我意識時
，社會也接納機器人融入我們的生活。

幾十年來，汽車製造廠
、化(hua)工(gong)廠(chang)和(he)工(gong)廠(chang)中(zhong)的(de)苦(ku)力(li)機(ji)器(qi)人(ren)已(yi)經(jing)取(qu)代(dai)了(le)許(xu)多(duo)人(ren)力(li)

，成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)凸(tu)顯(xian)，生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)和(he)精(jing)度(du)得(de)以(yi)提(ti)高(gao)，因(yin)為(wei)製(zhi)造(zao)業(ye)和(he)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)一(yi)直(zhi)是(shi)機(ji)器(qi)人(ren)進(jin)步(bu)的(de)驅(qu)動(dong)力(li)。

雖然機器人的采購、編程以及投入使用的初始投資仍然很高，但它們對製造公司也助益頗多。

隨sui著zhe人ren們men對dui製zhi造zao業ye回hui歸gui本ben國guo的de願yuan望wang越yue來lai越yue強qiang烈lie，競jing爭zheng壓ya力li意yi味wei著zhe隻zhi有you機ji器qi人ren才cai能neng以yi低di成cheng本ben保bao持chi高gao生sheng產chan率lv。它ta們men可ke以yi一yi天tian二er十shi四si小xiao時shi不bu間jian斷duan地di工gong作zuo。它ta們men不bu需xu要yao休xiu假jia或huo放fang假jia。它ta們men也ye不bu請qing病bing假jia（但確實偶爾也會崩潰）。

關鍵是使用機器人的製造企業不用支付社保

、失業保險、工傷賠償
、醫療保險、退休金等各種費用。

隨著隻在固定工位工作以及執行固定功能的機器人被可移動
、能自主的多功能學習型機器所取代，能力
、安全性和成本敏感性也變得更加重要。機器人設計師現在麵臨著構建機器人和機器人工作環境的選擇。

五公斤的機器人裝有十公斤的芯片

傳感器是所有機器人設計的關鍵所在。它們為機器提供有關外部世界的信息。雖然老一代固定工位的機器人不需要導航、感知障礙物、知道它們在哪裏並尋找替代路線，但新一代機器人卻需要。因此，必須實現
、監控
、解jie釋shi和he使shi用yong多duo種zhong類lei型xing的de傳chuan感gan器qi並bing設she定ding其qi優you先xian級ji來lai確que定ding行xing動dong。當dang今jin設she計ji師shi麵mian臨lin的de問wen題ti是shi如ru何he分fen配pei傳chuan感gan器qi，同tong時shi保bao持chi合he理li的de尺chi寸cun和he重zhong量liang。所suo有you傳chuan感gan器qi都dou安an裝zhuang在zai機ji器qi人ren內nei部bu嗎ma
？ 或者機器人是否從設施、無線控製器或雲端獲取傳感數據和指令
？

機器人的功能越多，尺寸越大。機器人越重，需要的電池電量也越大。這就限製了運行時間、速度和性能
，而且，機器人充電或更換電池時需停止使用

，因此還會提高成本。

空間總是有限的，重量是個大麻煩。因此
，機器人所處環境越智能，需要嵌入機器人的元件越少。更小
、更快
、更長的運行時間
、更低的成本。雙贏對吧？ 不過
，僅目前如此。

即ji使shi在zai智zhi能neng環huan境jing中zhong，每mei個ge機ji器qi人ren也ye必bi須xu嵌qian入ru智zhi能neng元yuan件jian和he傳chuan感gan器qi。容rong錯cuo意yi味wei著zhe在zai發fa生sheng通tong信xin故gu障zhang時shi安an全quan性xing不bu受shou影ying響xiang。因yin此ci
，可ke使shi用yong諸zhu如ru換huan能neng器qi
、攝像頭、溫度和電池電壓傳感器等輕型板載傳感器。即使是目前的2D Lidar激光雷達技術也可以集成到低成本
、高效率的機器人中。

應(ying)優(you)先(xian)考(kao)慮(lv)用(yong)於(yu)感(gan)知(zhi)接(jie)近(jin)或(huo)電(dian)源(yuan)問(wen)題(ti)等(deng)的(de)故(gu)障(zhang)安(an)全(quan)傳(chuan)感(gan)器(qi)。例(li)如(ru)，機(ji)器(qi)人(ren)可(ke)能(neng)不(bu)知(zhi)道(dao)它(ta)被(bei)障(zhang)礙(ai)物(wu)卡(ka)在(zai)某(mou)個(ge)位(wei)置(zhi)，但(dan)驅(qu)動(dong)電(dian)機(ji)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)快(kuai)速(su)檢(jian)測(ce)到(dao)故(gu)障(zhang)並(bing)立(li)即(ji)切(qie)斷(duan)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)電(dian)源(yuan)。中(zhong)心(xin)設(she)施(shi)計(ji)算(suan)機(ji)或(huo)雲(yun)控(kong)製(zhi)器(qi)無(wu)法(fa)迅(xun)速(su)做(zuo)出(chu)反(fan)應(ying)以(yi)防(fang)止(zhi)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)的(de)火(huo)災(zai)。

在(zai)工(gong)廠(chang)或(huo)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)中(zhong)，無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)可(ke)能(neng)是(shi)一(yi)項(xiang)挑(tiao)戰(zhan)。製(zhi)造(zao)車(che)間(jian)是(shi)一(yi)個(ge)充(chong)滿(man)電(dian)子(zi)噪(zao)聲(sheng)的(de)環(huan)境(jing)。如(ru)果(guo)發(fa)生(sheng)錯(cuo)誤(wu)和(he)重(zhong)試(shi)，機(ji)器(qi)人(ren)可(ke)能(neng)無(wu)法(fa)及(ji)時(shi)獲(huo)得(de)保(bao)持(chi)安(an)全(quan)所(suo)需(xu)的(de)信(xin)號(hao)。這(zhe)也(ye)可(ke)能(neng)意(yi)味(wei)著(zhe)無(wu)線(xian)鏈(lian)路(lu)傳(chuan)輸(shu)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)以(yi)獲(huo)得(de)可(ke)靠(kao)的(de)通(tong)信(xin)。

開放的世界
，封閉的樓層
；分布式通信選項

keyijiejueqizhongxuduowentideyizhongdutefangfashishiyongfengbidefenbushiwangluoduichuanganqijinxingzhenliebushu，yijishiyonglaizijiqirendefanxiangtongdaoxinxi。shiyongfensanzaizhizaochejianzhouweidetongxinjiediankeyichuangjianyigebihuanfankuijizhi，qizhongsheshikongzhiqikeyiduijiqirencaiqudemeiyibucaozuojinxinggaojiyanzheng。

傳感器和通信節點可放置在具體的戰略規劃位置。5G、Wi-Fi®或藍牙信號在10英尺處比在50英尺處更可靠。因此，能夠立即以低成本實現可靠的主要和/或備用通信方案。即使是成本最低的窄帶AM或FM數據鏈路也可以與高級通信同時運行。例如，移動機器人經過固定工位機器人時可以收集其安全數據並傳遞出去。

經過這些數字檢查點的機器人可報告電池電量、內部溫度、振動水平

、壓力和可承載負載應變，以及其中央處理器、視覺係統的運行狀況和整體狀態。射頻識別（RFID）技ji術shu甚shen至zhi可ke用yong於yu在zai機ji器qi人ren經jing過guo單dan個ge文wen件jian檢jian查zha點dian時shi對dui其qi進jin行xing驗yan證zheng。正zheng如ru你ni所suo見jian

，即ji使shi在zai這zhe種zhong方fang法fa中zhong具ju有you高gao度du的de自zi主zhu性xing，機ji器qi人ren也ye變bian得de像xiang製zhi造zao車che間jian的de外wai圍wei設she備bei。

分布式串行架構：拓撲和優勢

串(chuan)行(xing)通(tong)信(xin)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)圍(wei)繞(rao)局(ju)部(bu)或(huo)廣(guang)大(da)地(di)區(qu)進(jin)行(xing)分(fen)布(bu)式(shi)通(tong)信(xin)。係(xi)統(tong)與(yu)設(she)施(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)和(he)管(guan)理(li)人(ren)員(yuan)對(dui)於(yu)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)實(shi)現(xian)的(de)串(chuan)行(xing)網(wang)絡(luo)的(de)技(ji)術(shu)和(he)類(lei)型(xing)有(you)多(duo)種(zhong)選(xuan)擇(ze)和(he)選(xuan)項(xiang)。

以太網是一種可以使用的串行網絡技術。它可以在單根電纜中使用Cat5和/或Cat 6類lei型xing的de多duo雙shuang絞jiao線xian進jin行xing接jie線xian。每mei個ge點dian對dui點dian以yi太tai網wang連lian接jie需xu要yao八ba根gen電dian線xian，這zhe會hui增zeng加jia成cheng本ben並bing降jiang低di可ke靠kao性xing。以yi太tai網wang確que實shi能neng提ti供gong快kuai速su通tong信xin和he幾ji百bai英ying尺chi的de覆fu蓋gai能neng力li，並bing且qie可ke以yi用yong作zuo區qu域yu中zhong串chuan行xing網wang絡luo的de集ji線xian器qi。但dan它ta依yi然ran無wu法fa抑yi製zhi噪zao聲sheng或huo靜jing電dian放fang電dian（ESD）
，因yin此ci對dui於yu機ji器qi位wei置zhi而er言yan
，它ta並bing不bu是shi一yi個ge好hao的de選xuan擇ze。此ci外wai
，以yi太tai網wang上shang的de每mei個ge節jie點dian都dou需xu要yao更geng多duo的de處chu理li器qi資zi源yuan和he帶dai寬kuan。不bu過guo
，可ke以yi使shi用yong成cheng本ben較jiao低di的de通tong用yong異yi步bu接jie收shou器qi/發送器（UART）幀異步數據包幀串行數據鏈路。

基於UART的串行鏈接可能最直接、最可靠。即使在最高電磁幹擾（EMI）噪聲和最惡劣的ESD環境中
，無線串行鏈路依然穩定可靠。還有各種驅動器和接收器
，即便移動數百甚至數千英尺，仍能將數據速率保持在一定範圍內。

在架構上，分布式串行傳感器陣列可以通過中心位置、分(fen)布(bu)式(shi)或(huo)遠(yuan)程(cheng)訪(fang)問(wen)來(lai)控(kong)製(zhi)和(he)監(jian)控(kong)。這(zhe)些(xie)都(dou)不(bu)相(xiang)互(hu)排(pai)斥(chi)。例(li)如(ru)
，中(zhong)央(yang)計(ji)算(suan)機(ji)始(shi)終(zhong)可(ke)以(yi)總(zong)攬(lan)大(da)局(ju)，而(er)備(bei)用(yong)係(xi)統(tong)則(ze)負(fu)責(ze)監(jian)控(kong)，並(bing)在(zai)主(zhu)係(xi)統(tong)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)時(shi)啟(qi)動(dong)。

串行網絡還自帶點對點靈活性。最簡單、最可靠的架構就是點對點直連（圖1A）。這是最快、最直接的鏈路。硬件和/或軟件握手可以確保可靠的數據傳輸。

可以配置一串菊花鏈設備
，其中單個數據鏈路與許多分布式傳感器或執行器通信（圖1B）。shujujingguomeigejiedianbingtongguochongdangchuandihuanchongqudexianlujieshouqihequdongqiluyouhuiqishidian。liru，meigejiediandoukeyidanduxunzhi，yekeyitongshifangwensuoyoujiedian

，liru“緊急關機”命令。

如(ru)果(guo)將(jiang)設(she)備(bei)配(pei)置(zhi)在(zai)一(yi)個(ge)回(hui)路(lu)中(zhong)，就(jiu)可(ke)以(yi)不(bu)使(shi)用(yong)傳(chuan)遞(di)驅(qu)動(dong)器(qi)，所(suo)有(you)數(shu)據(ju)返(fan)回(hui)到(dao)起(qi)始(shi)點(dian)。對(dui)於(yu)串(chuan)行(xing)或(huo)環(huan)路(lu)架(jia)構(gou)網(wang)絡(luo)，數(shu)據(ju)速(su)率(lv)通(tong)常(chang)設(she)置(zhi)為(wei)單(dan)一(yi)波(bo)特(te)率(lv)。如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)多(duo)端(duan)口(kou)串(chuan)行(xing)控(kong)製(zhi)台(tai)控(kong)製(zhi)器(qi)，也(ye)可(ke)采(cai)用(yong)樹(shu)形(xing)配(pei)置(zhi)（圖1C）。如ru果guo來lai自zi主zhu機ji的de數shu據ju速su率lv快kuai到dao能neng為wei所suo有you較jiao低di電dian平ping供gong電dian，則ze允yun許xu在zai串chuan行xing域yu中zhong建jian立li多duo個ge傳chuan感gan器qi或huo傳chuan感gan器qi區qu域yu。如ru果guo沒mei有you，那na麼me以yi太tai網wang連lian接jie可ke用yong作zuo頂ding級ji控kong製zhi台tai服fu務wu器qi。如ru果guo傳chuan感gan器qi區qu域yu是shi用yong局ju部bu區qu域yu定ding義yi的de
，這zhe可ke能neng是shi一yi種zhong有you用yong的de架jia構gou。

圖1：（A）點對點直連

（B）鏈接設備的回路或菊花鏈、（C）樹形配置

（圖源：貿澤電子）

除了遠程分配傳感器和執行器外，分布式節點還可包括用於安全控製的專用射頻鏈路或RFID掃(sao)描(miao)儀(yi)
，以(yi)便(bian)工(gong)廠(chang)內(nei)的(de)機(ji)器(qi)人(ren)經(jing)過(guo)特(te)定(ding)關(guan)鍵(jian)位(wei)置(zhi)時(shi)讀(du)取(qu)和(he)寫(xie)入(ru)數(shu)據(ju)。任(ren)何(he)時(shi)候(hou)都(dou)可(ke)在(zai)幾(ji)乎(hu)不(bu)增(zeng)加(jia)額(e)外(wai)成(cheng)本(ben)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)設(she)計(ji)安(an)全(quan)冗(rong)餘(yu)，利(li)用(yong)該(gai)安(an)全(quan)冗(rong)餘(yu)是(shi)明(ming)智(zhi)的(de)。

串行鏈路層協議的類型

RS-232

RS-232是我們大多數人都熟悉的老牌產品。這種單端物理層方案使用不歸零（NRZ）信令協議
，將邏輯0表示為正電壓
，邏輯1表示為負電壓。信號線永遠不依賴地線。因此，RS-232相對穩健，可以很好地抑製噪聲和脈衝毛刺。由於未連接的電線不顯示電壓
，因此故障檢測更容易。

S-232

S-232可以覆蓋幾百英尺，而RS-422可以覆蓋幾千英尺。RS-422duimeigexinhaoshiyongyiduichafenxian。zheshiqikeyibushoucaozagongchanghuanjingzhongkenengcunzaidegongmozaoshengdeyingxiang。taxuyaoliangbeidedianxianshuliang
，bingqiebuxiangguoquyongyudaduoshujisuanjiwaiweishebeihetiaozhijietiaoqideRS-232那樣常見。

RS-485

RS-485是一種差分介質，但也是一種共享介質。所有RS-485設備都連接到相同的物理線對。這意味著RS-485設備隻能在半雙工模式下運行
，而RS-232和RS-422可以在全雙工模式下運行。所有RS-485設備通常具有相同的通信特性
，例如波特率、奇偶校驗和停止位。

如果實施得當
，RS-485還可以覆蓋數千英尺，並且通常用於工廠和工業環境中。任何情況下，半導體製造商都為所有這些環境提供具有成本效益、設計精良
、具有競爭力的線路驅動器和接收器，並內置ESD和噪聲防護。

請注意，UART幀異步數據包格式（如RS-232、RS-422和RS-485）也用於汽車領域的控製器局域網（CAN）和OBDII控製和傳感器總線。

傳統但比較流行的Midi接口也采用基於UART的de數shu據ju包bao協xie議yi。工gong具ju和he開kai發fa固gu件jian很hen好hao地di理li解jie並bing支zhi持chi這zhe些xie信xin令ling技ji術shu。它ta們men是shi工gong業ye環huan境jing中zhong分fen布bu式shi傳chuan感gan器qi和he執zhi行xing器qi的de理li想xiang選xuan擇ze，尤you其qi是shi在zai可ke以yi使shi用yong多duo端duan口kou服fu務wu器qi的de情qing況kuang下xia。

媒體服務器解決方案

多端口控製台提供可通過IP訪問的多個單獨串行端口，例如以太網和TCP/IP接入點。采用8或16端口RS-232配置，這些端口可用作RS-485或RS-422，並帶有適當的接口。

兩個10/100/1000以太網端口可支持單個串行端口高達921.6Kbits/sec數據速率的總帶寬
，並允許連接到本地計算機資源以及遠程和分布式全球計算機和基於雲的服務。

標準的1U機架安裝配置可輕鬆集成到幾乎任何設施中。此外，每個串口保護方案都內置有15KV ESD保護。這些控製台服務器充當理想接口，連接TCP/IP網絡與PLC、CNC機器、磅秤、掃描儀和幾乎任何類型基於傳感器的係統。許多可以由原始設備製造商（OEM）提(ti)供(gong)的(de)易(yi)於(yu)使(shi)用(yong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)支(zhi)持(chi)這(zhe)些(xie)串(chuan)行(xing)標(biao)準(zhun)
，並(bing)且(qie)控(kong)製(zhi)台(tai)服(fu)務(wu)器(qi)允(yun)許(xu)單(dan)獨(du)連(lian)接(jie)到(dao)這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)。請(qing)注(zhu)意(yi)
，每(mei)個(ge)設(she)備(bei)都(dou)可(ke)以(yi)有(you)自(zi)己(ji)的(de)波(bo)特(te)率(lv)、奇偶校驗和停止位配置
，從而簡化設置和使用
，並最大化帶寬，因為最慢的設備並不會限製更快的設備。

通過Windows實用程序、Web瀏覽器、Telenet和各種控製台進行控製，使操作員和程序員可以輕鬆設置、操作和監控。SNMP MIB-IIdengwangluoguanligongjuhaiyunxushiyongbiaozhungongjujijinxingcaozuohejiankong。houbuanzhuangdejiexianshixitongbaochiqingjiehekeweixiu，yibianyukuozhanhuogengxin。shiyongneizhiyitaiwanglianjiekeyishixiangezhongtuopu
，yichuangjianjiandan、低成本、有效的分布式傳感器陣列。

工廠和分布式機器人傳感器示例：

例li如ru，我wo們men可ke以yi將jiang中zhong央yang計ji算suan機ji係xi統tong視shi為wei主zhu機ji
，它ta通tong過guo以yi太tai網wang交jiao換huan機ji連lian接jie到dao串chuan行xing控kong製zhi台tai服fu務wu器qi。這zhe樣yang可ke以yi為wei每mei個ge區qu域yu提ti供gong高gao速su帶dai寬kuan，其qi中zhong的de控kong製zhi台tai控kong製zhi器qi充chong當dang各ge傳chuan感gan器qi的de互hu連lian設she施shi。

圖2中(zhong)，示(shi)例(li)拓(tuo)撲(pu)使(shi)用(yong)冗(rong)餘(yu)控(kong)製(zhi)鏈(lian)路(lu)，通(tong)過(guo)高(gao)速(su)以(yi)太(tai)網(wang)交(jiao)換(huan)機(ji)路(lu)由(you)到(dao)局(ju)部(bu)區(qu)域(yu)。每(mei)個(ge)局(ju)部(bu)區(qu)域(yu)都(dou)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)串(chuan)行(xing)控(kong)製(zhi)台(tai)服(fu)務(wu)器(qi)建(jian)立(li)直(zhi)連(lian)鏈(lian)路(lu)，與(yu)機(ji)器(qi)人(ren)將(jiang)經(jing)過(guo)的(de)每(mei)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)、射頻鏈路或執行器相連。

即使主控製器出現故障
，也可以建立遠程或冗餘鏈路作為備份
、看門狗或故障保護措施。這可以是本地冗餘控製器，也可以是遠程或基於雲的監控係統。

圖2：示例拓撲

（圖源：貿澤電子）

結語

zaijiqirenhuanjingzhongjieheqianrushihefenbushichuanganqikenengshishishigongchanghuogongyehuanjingzuianquanqiezuikekaodefangshi
，keyijiangzidonghuatishengdaoxindeshuiping。keyishezhiduogequyu，bingjiankongrongyuanquanjizhi
，yiquebaosuoyouxitongzhengchangyunxing。

串行端口仍然是分配傳感器和執行器最具成本效益的方式。

幾乎每個微控製器都支持基於UART的通信
，並且OEM傳chuan感gan器qi和he設she計ji的de傳chuan感gan器qi可ke以yi輕qing鬆song集ji成cheng到dao這zhe類lei網wang絡luo中zhong。這zhe也ye使shi機ji器qi人ren能neng夠gou簡jian化hua並bing降jiang低di複fu雜za性xing，因yin為wei它ta們men的de許xu多duo職zhi責ze可ke以yi轉zhuan移yi到dao更geng智zhi能neng的de設she施shi上shang。

來源： 貿澤電子

推薦閱讀：

TDK推出SmartSound係列多模式PDM數字MEMS麥克風T583x及開發平台

Bourns推出四款符合AEC-Q200標準的大功率厚膜芯片電阻

大聯大品佳推出基於Infineon產品的智能門鎖方案

東芝推出采用新型高散熱封裝的車載40V N溝道功率MOSFET

倍加福推出全新F99係列慣性測量單元