當(dāng)機(jī)器人遇上MCU ：飛思卡爾Kinetis E系列與機(jī)器人設(shè)計(jì)研發(fā)相得益彰

從1920年捷克作家卡雷爾•查培克在其劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中最早使用機(jī)器人一詞到今天的近一百年間，人們對(duì)機(jī)器人的追求和完善從未停止。近年來(lái)，機(jī)器人隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展而不斷演進(jìn)。人們對(duì)機(jī)器人的要求已不再局限于代替人做事情，而是能夠連接物聯(lián)網(wǎng)，與其他設(shè)備和人進(jìn)行交互，當(dāng)然對(duì)數(shù)據(jù)反饋、智能判斷速度、機(jī)器人大小等其他性能的要求也越來(lái)越高，如可應(yīng)用在智慧家庭等環(huán)境中的小型移動(dòng)機(jī)器人。

機(jī)器人內(nèi)部架構(gòu)的一個(gè)核心之一就是微控制器（MCU），MCU的種類千差萬(wàn)別，機(jī)器人的研發(fā)人員也在不斷評(píng)估各種新MCU，以找到一個(gè)更合適的。飛思卡爾在今年8月最新推出的業(yè)界首款基于ARM Cortex-M0處理器的5 V Kinetis E系列微控制器就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

Kinetis E與機(jī)器人設(shè)計(jì)相得益彰

Kinetis E系列微控制器結(jié)合了低成本、高性能、先進(jìn)的電磁兼容性（EMC）和靜電放電（ESD）保護(hù)功能，符合工業(yè)級(jí)的可靠性和溫度要求。其中，KE02是Kinetis E系列的入門級(jí)產(chǎn)品，其電壓范圍為2.7 V~5.5 V，閃存寫入電壓范圍為2.7 V~5.5 V, 溫度范圍（環(huán)境）為 –40 °C~105 °C。 從性能上來(lái)看，其具有高達(dá)20 MHz ARM Cortex-M0內(nèi)核，單周期32位× 32位乘法器，單周期輸入/輸出訪問(wèn)端口，內(nèi)置了高達(dá)64 KB的Flash， 256 B的EEPROM以及4 KB的RAM。

Kinetis E系列MCU中的Flex定時(shí)器（FTM）模塊共有三個(gè)：包括一個(gè)具有死區(qū)時(shí)間插入和故障檢測(cè)功能6通道FTM，和兩個(gè)與飛思卡爾8位單片機(jī)HCS08的TPM（Timer PWM Module）模塊向后兼容的2通道FTM。每個(gè)通道都可以針對(duì)輸入捕捉、輸出比較、邊緣或中心對(duì)齊PWM模式進(jìn)行配置。這個(gè)功能非常適用于電機(jī)控制，再加上飛思卡爾的FreeMaster，就適合作算法參數(shù)確定。

Kinetis E系列電源管理模塊（PMC）提供三種電源模式：運(yùn)行、等待和停止模式，可以在保障能源效率的情況下運(yùn)行。Kinetis E還內(nèi)置看門狗和可編程CRC模塊、每芯片64位唯一識(shí)別碼（ID），以提供更高的安全性。

圖1 Kinetis E內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

32位MCU一直以來(lái)都以低電壓運(yùn)行，其在機(jī)器人、電機(jī)控制甚至家庭中應(yīng)用時(shí)，往往由于電磁環(huán)境惡劣而不被人所用，人們只能退而求其次選擇16位乃至8位的單片機(jī)。Kinetis E系列MCU強(qiáng)大的電磁抗噪能力讓人們消除了這種顧慮，為高噪聲環(huán)境中運(yùn)行的系統(tǒng)的MCU“改朝換代”帶來(lái)了可能。

值得一提的是，飛思卡爾提供的Freedom開發(fā)平臺(tái)FRDM-KE02Z兼容Arduino R3引腳布局的規(guī)格，并且具有全新的OpenSDA調(diào)試接口。Arduino 是一個(gè)基于開放源碼的軟硬體平臺(tái)，能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過(guò)控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。板子上的MCU可以通過(guò)Arduino的編程語(yǔ)言來(lái)編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，收錄進(jìn)MCU。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，Arduino是現(xiàn)在最熱門的設(shè)計(jì)機(jī)器人（特別是可連網(wǎng)的小型移動(dòng)機(jī)器人）和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的平臺(tái)之一。這也體現(xiàn)出飛思卡爾以用戶需求為導(dǎo)向的理念。

MCU和多系列產(chǎn)品線為工業(yè)機(jī)器人保駕護(hù)航

在Kinetis E系列之前，飛思卡爾已經(jīng)有一些可以應(yīng)用在機(jī)器人領(lǐng)域的明星產(chǎn)品，如PowerQUICC、QorIQ通信處理器和i.MX多媒體處理器，此外多款傳感器也非常適用于機(jī)器人應(yīng)用。它們以各自的優(yōu)勢(shì)在不同領(lǐng)域各司其職，特別是在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化任務(wù)，包括焊接、涂漆、裝配、拾放、包裝、產(chǎn)品檢驗(yàn)和測(cè)試等。每個(gè)多軸機(jī)器人本身可以是復(fù)雜的系統(tǒng)，配備傳感器、機(jī)械手、電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制裝置。機(jī)器人往往以群組的形式部署，這就需要運(yùn)用監(jiān)控功能對(duì)其進(jìn)行全面控制。高性能PowerQUICC和QorIQ通信處理器集成了監(jiān)控和操作機(jī)器人所需的處理能力和連接功能，具備高耐用、高速度和高精度等特性，尤其適合做運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制。

i.MX系列被認(rèn)為是飛思卡爾歷史上最成功的處理器之一，被用在消費(fèi)電子、汽車和工業(yè)市場(chǎng)、數(shù)據(jù)連接、醫(yī)療保健、網(wǎng)絡(luò)等各種應(yīng)用。最新的i.MX 6系列是基于ARM Cortex-A9架構(gòu)，包括單核、雙核和四核在內(nèi)的高擴(kuò)展性多核系列應(yīng)用處理器平臺(tái)，可以提供全新等級(jí)的多媒體性能和超強(qiáng)的穩(wěn)定性，十分適用于眾多工業(yè)智能設(shè)備。一個(gè)很有意思的i.MX應(yīng)用案例是VGo智能遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人，旨在降低醫(yī)療護(hù)理成本，同時(shí)改善護(hù)理患者的水平。飛思卡爾在一個(gè)集成封裝中融合了多個(gè)i.MX處理器，使VGo能夠在一個(gè)輕型、緊湊、且易用的設(shè)備中包含實(shí)時(shí)視頻和音頻，以及遙控移動(dòng)等多種復(fù)雜的特性。　

圖2 VGo智能遠(yuǎn)程出席機(jī)器人

隨著時(shí)代的進(jìn)步，機(jī)器人和其中的微控制器都必將不斷演進(jìn)，唯一不變的是人們追求更加智能生活的理想，飛思卡爾會(huì)繼續(xù)為實(shí)現(xiàn)人們的理想而不斷努力。