智能工業驅動芯片變革

摘要：制造業革命需要大量的工業機器人、PLC、電機，FPGA及模擬芯片廠商需要因應新的工業需求，推出新型的芯片或模塊解決方案。本文網絡版地址： http：//www.eepw.com.cn/article/266048.htm

關鍵詞：工業機器人；PLC；電機；FPGA；ADC

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.11.004

機器人需要新型芯片及模組

世界機器人市場

現代工業正逐漸由“工業自動化”向“工業智能化”邁進，傳統制造業正開啟“智”造之門。實現工業智能化需要更高安全性、可靠性的工業以太網、更高精確度的運動控制技術以及馬達控制解決方案等，機器人就是綜合體現這種智能化的設備之一。

據統計，世界機器人市場2013年出貨量約是18萬個（圖1），增長最快的是中國（圖2），其原因除了勞動力缺乏以外，還有汽車工廠自動化的增長，需要更多的機械手臂，以及智能手機等加工業的發展。機械手臂通常集中在三到六軸，當然還有少部分是七軸。大部分的平臺是以工控機、X86為基礎的，還有高端DSP。

現在的機器人主要是機械手和機械臂，完成兩類工作：第一類是對精度、速度、負載要求高的工作；另一類是靈巧性的工作。當前世界十大流行工業機器人是[1]：電弧焊接，點焊，材料處理（material handing），機器看管（machine tending），噴漆，擺放、包裝，裝配，切割、拋光，上膠、密封，檢查、焊接。

我國機器人市場

在2014年11月北京舉行的“嵌入系統聯誼會”上，北京航空航天大學機器人研究所的王田苗教授介紹道，2013年中國購買了全球五分之一的機器人，首度超越日本。據IFR數據，中國2013年購買了36560個工業機器人，同比增長60%。日本購買了26015個機器人，美國位居第三，購買了23679個機器人。中國機器人仍然有巨大的發展空間，因為每萬名制造業工人機器人保有量，我國低于世界平均水平（表1），更與發達國家存在較大差距。

在中國市場上，國產機器人以三、四軸的機器人為主，外資機器人以多關節機器人為主。國產工業機器人主體是單價較低的工業機器人。

電機、PLC是關鍵

工業自動化的市場成長驅動來自三方面。

第一是能效。在各國推動節能減排的誘引帶動下，電力往往是工廠里消耗最高的資源，以及花費最大的部分。所以要節能減排必須要尋找一些新的方案來替代，除了替代能源以外，就是怎樣提高效能。根據統計，在自動化工廠里馬達是最主要的能耗來源，約占能耗的40%。因此，怎樣在馬達控制方面找出較好的控制方法將是一個重點。

第二是生產力的提升。包括可靠度和穩定度的提升。如何提高產品生產線的效率，降低故障時間，以及包括操作員受傷或者影響整個操作過程順利的因素都能被排除。

第三是現在熱門的互聯網應用在工廠自動化的部分。這里重要的環節就是以太網是否是安全的，也就是所有的資料具有加密性。

圖4是整個工廠自動化的一個典型的系統架構圖，從上方可見的第一個部分是PAC，通常會帶有運動控制的部分，屬于中高端產品。另一部分是中低端產品，通常HMI（人機界面）和PLC（可編程邏輯控制器）是分離的，并不是支持運動控制的功能。Fieldbus（現場總線）連接以太網或者其他傳統的連接方式，來連接從站的部分。從站部分主要是多軸的伺服驅動，從圖4中可以看到三軸和單軸的伺服驅動，加上一些I/O開關。

由從站跟主站的結合，可以集成機械手臂或者是工具機具，就組成了企業型的以太網。企業型的以太網連接著工廠與辦公大樓的部分，需要可靠、穩定，即所謂冗余、不丟包的安全以太網。

FPGA是工業控制的一種新選擇

應用于智能工業中的芯片必須具備多個條件：靈活性；能做到市場的差異化；另外要能使整個系統的成本降低，開發時間縮短。另外，開發工具是不是符合功能安全、可靠度、穩定度。最后一個很重要的因素是芯片的供應時間是不是可以長達15年，因為通常傳統生產線的工廠自動化的產品生命周期通常需要10年以上的時間。

傳統的機器人通常是價格昂貴的工控機，或由X86英特爾四核CPU去控制的。市場上沒有單芯片就可以控制機器人的設備。Altera亞太區工業業務部市場開發首席經理江允貴稱，Altera提出了Cyclone V SoC的單芯片解決方案。

當然，傳統型的單軸伺服驅動，主要是DSP加上FPGA。但是未來，一旦主流是多軸并且低成本產品，例如三軸或以上，單芯片的Cyclone V SoC就更方便。

當前，PLC在國內市場一直都是歐美日幾個大廠占據大多數的市場。國內的企業通常是小型的PLC機。小型PLC支持到200個I/O以下，功能簡單。但本土企業也希望做多功能的PLC，以提高競爭力，例如國內的一些客戶目前想要把HMI集成進PLC，把它的產品定位從低端往中高端移動。

為了幫助國內客戶設計，芯片廠商通常提供一些算法，例如Altera不僅提供多種馬達控制器，還提供FFT振動抑制算法，適用于多軸伺服，“除了我們，目前亞太區沒有一家廠商向客戶提供這種在線式的振動抑制算法”，Altera的江允貴指出?！氨M管日本或者歐洲有這種功能，但是實現方式我們并不清楚，可能是用專用芯片。但我們現在做出來了，用FPGA實現?！?/p>

機器人的安全性、可靠性也很重要。不過，除了FPGA以外，還有其他的器件也需要安全，例如電源控制是不是安全，還有電機里面的材料是不是可靠。

Altera展示擺放型機械手臂

為了展示Altera FPGA在工業中的應用，在剛剛結束的中國國際工業博覽會上，Altera展示了業界首款基于單芯片FPGA的機械手臂控制器，和通過EtherCAT控制多軸伺服馬達。

Altera展示的Mini Delta Robot，屬于Pick Place（擺放型）機械手臂，主要展現速度跟位置的精確控制，其身高大概是1.65米，重量是170公斤。該展示不是最終產品，最終產品也許非常龐大和沉重，一般無法搬運和維護。

演示分為三部分，第一部分是下跳棋，展現了其擺放精確度。第二是做圓弧或直線運動。第三個是繞半圓。其中繞半圓的難度最大，機器夾抓夾了棋子以后，要繞過每個棋子，并保證速度，展現了精密的算法控制。

工業需要ADC多樣化

據市場調查公司IHS分析，去年工業半導體市場接近320億美元。這個市場不僅巨大，而且從模擬器件的角度，還對芯片提出了一些特殊要求。

多樣化需求

工業系統的每一個應用系統都較為復雜。圖6是模擬系統在工業系統中的通用框圖。數據轉換器在所有的工業器件選擇里，或者應用中起著非常重要的作用，選用不同型號的數據轉換器產品就會牽動整個系統的速度、精度和功耗的變化。因此，需要推出多種ADC滿足個性化的應用，而不是一種大而全的產品，就是考慮到工業應用中每一種應用，對速度、采樣率、精度、接口、通道數的要求都是不一樣的。

為此，TI近日開發了ADC3k高速采樣產品，主要用在高精度的馬達、高端馬達和醫療器械產品上；還有ADS8688系列數據轉換器，5V電源供電，集成20款有源器件。

高精度需要重新定義

對于數據轉換器來說，其實高精度不僅僅是采樣速度非常快，數據分辨率越來越高，這兩個的確是個非常重要的指標，但實際還有很多其他的指標來代表ADC的高精度，例如高精度還體現在直接對電感信號的測量。TI中國區高性能模擬產品業務發展經理宋浩然介紹說，TI首款電感數字轉換器LDC1000，以及在LDC1000之后的LDC1041、LDC1051等產品，特點是直接把電感轉換成數字信號，完成中間沒有轉換動作的產生，這樣從速度、精度、可靠性上大幅度提升。

TI還有超小型12V SAR ADC——DS7042，看起來好像只有12位，速度似乎也不是很快，但其賣點是超小型，另外一個賣點是功耗非常低，應該是整個業界功耗最低的一款12位的ADC。

因為最終產品考量的是綜合性指標，要想綜合性指標達到非常高的水平，其實是非常難的。例如TI最新的ADC3k以及ADS8688，拿出某個單一指標，并不是行業最高的，但看綜合性指標，比如ADC3k速度只有160MHz，業界上GHz采樣率的產品都有，但看它綜合性指標，比如位數最高可以到14位；它的體積最小是7×7mm，通道只有200mA/通道，綜合去看這個芯片的指標就會提高很多。

ADS8688速度不快，只有500k SPS采樣率，精度16位，這兩個指標在TI現有產品里不是最高的，TI最高有18位ADC，也有上MSPS的ADC。但ADS8688的賣點，可以用單5V電源，從而可以把±15V的雙電源省掉，包括直流指標、交流指標、溫漂都已經達到行業最高點，這放在ADC去看的話，它的位置馬上就會提高很多。

因此，不能追求某個單一的極高指標數字，而要追求整體性能的提高。

分立ADC器件vs帶ADC功能的 MCU

另外，現在一個趨勢是：越來越多的MCU和SoC里也集成了ADC，位數和速度越來越高。它們能否代替分立ADC器件？宋浩然承認，的確，包括TI的很多MCU也集成了比特數、速度越來越高的ADC。

不過，現在MCU里集成ADC可能是16位，SAR ADC可以達到1MSPS或幾百kSPS，它的效果達到的是什么呢？可能是分辨率。在業內，分辨率和精度這兩個指標經常容易弄混，包括16位、14位，這些都是分辨率，也就是ADC可以分辨的最小刻度，所以MCU里集成了16位甚至24位。比如Resolution（分辨率）是16位。而客戶關注的是工業指標，工業現場和工業儀器關注的指標是我整個占系統千分之一或萬分之五。那么，是不是所有的工業客戶都在用10位的ADC？沒有，整個行業典型應用也沒有用10位的ADC，說我為了達到千分之一的精度。所以Resolution和精度是完全不同的概念。精度是從輸入到輸出，MCU采樣，其間所有誤差的累計，從最小信號到最大信號，不管輸入什么信號，我測試的線路所有加起來能夠實現的效果是千分之一，這是精度的概念。因此，并不是說ADC的精度越高，將來系統的精度越高。即使你用16位甚至24位ADC，如果前端不好（例如運放誤差較大），中間電路設計不合理，可能連1/10都達不到。

集成是把雙刃劍

未來幫助客戶設計，TI還提供整套的工具，例如基于ADC3k的評估板ADC34J22，可與Altera FPGA對接。并針對PLC等應用，TI專門做了參考性設計，設計符合了IEC-61000標準的測試。當然今后，TI會把更多的有源器件集成在同一器件里。不過，集成也是一把雙刃劍，集成也會帶來其他的問題，例如 ADS8688在集成了眾多器件之后更加針對PLC應用，但可能它的應用覆蓋面沒有原來那么寬了。

現在，一些芯片廠商可以直接做出解決方案、甚至是產品。但宋浩然稱，TI Design的出發點不是做一個解決方案，而是一個參考，TI只是針對一個系統。雖然TI做最終的產品也可以符合IEC-61000標準，客戶用這些標準去生產沒有問題，但TI還是希望通過參考性設計給客戶一些靈感或設計理念。