DSP运控应用，单芯片不再是主流

数字信号处理器DSP在工业控制、消费电子、雷达图像传感等诸多领域都有很多的应用，这得益于DSP接口简单、集成方便、可重复性好。DSP在机器人系统的应用随着数字信号处理技术的发展也在不断深入。
 
在此前关于DSP在机器人系统中应用的文章中我们曾了解到，DSP在视觉应用上设计弹性非常高，相比于Cortex-M4架构内建浮点运算单元只能实现低阶影像讯号处理，以及x86架构下工控平台的大功耗高成本，DSP在视觉应用上的都是性能和成本的绝佳选择。而在运控上，虽然DSP和MCU在控制上争夺还没有那么激烈，但随着机器人控制系统对实时性、数据量以及计算要求的不断提升，高速高性能的DSP也备受青睐。
 
机器人DSP运控设计
 
目前国内外的机器人大多数都采用上位机和下位机结合控制的方式，上位机发出机器人的控制命令，上位机和下位机经过通讯完成机器人的控制指令。下位机就是机器人的控制器，负责完成机器人的运动控制，在整个控制系统处于核心的地位，不仅要处理上位机发送来的命令，还要向上位机反馈传感器信息，实现精确控制机器人运动的目标。
 
在工业机器人系统控制设计中，DSP在数字处理部分扮演了重要角色。上位机发出控制命令（运动控制命令和机械手控制命令），DSP对接收的数据进行解析，独立（或者与FPGA一起）完成整个系统的电机控制和机械手控制。DSP控制设计中DSP运算速度直接影响整个闭环运控的精度。
 
这一块市场被TI、ADI、NXP等国际大厂主导，多年的硬件研发经验和完善的软件开发环境，用户生态都较为完备，在机器人应用中也多以这些大厂的DSP为主。TI的C2000系列的DSP 芯片、ADI的ADSP-21xx系列都广泛应用于运动控制领域。
 
就TI的产品线来说，市面上最常见的就是用最普通的C2000系列DSP来做，性价比高；高端一点的用C55x系列，运算性能提升功耗更低；而TI官网推荐的C6654 DSP属于更高性能场景才会用到的DSP，850MHz的内核速度每个周期能够执行8次单精度浮点MAC运算，并且可执行双精度和混合精度运算。这种性能的内核即便是高性能的自动化运控场合也完全没有问题。
 

（C6654 DSP，TI）

 
一般来说，主机不会直接和DSP通讯，都通过共用内存来交换数据。共享内存的通信方式相对来说可以给整个控制更快的数据交换，像C6654 DSP因为采用KeyStone架构，配置了多种创新组件和技术，器件内和器件间的通信会更快一些。
 
机械手的控制利用DSP的ePWM模块完成，DSP根据求解出的机械手各个关节的关节角，控制各个舵机的运动以达到末端期望目标的位姿。
 

（32位RISC-V DSP，中科昊芯）

 
国内像青岛本原微电子的高端DSP芯片，中科昊芯基于开源指令集架构RISC-V的DSP芯片在机器人DSP应用上也颇有建树。上图中中科昊芯的32位RISC-V DSP基于自研的H28x内核，200MHz主频并增强了存储配置了ePWM等增强型外设，基于FPU浮点处理单元与自定义浮点指令专门支持高性能FOC、多电平控制，在控制领域应用颇多。
 
单芯片DSP集成进SoC成主流
 
从全球领先厂商TI、ADI的产品更新来看，DSP从单核发展到同构多核再到异构多核，现在要么使用单芯片DSP模式，要么以处理单元的形式集成在SoC中。
 

（M4内核集成浮点运算单元，ADI）

 
机器人应用往多核异构架构的发展才能兼顾算力和扩展性，这一趋势很明显。且不说视觉应用里DSP在性能及成本考量上应用于机器视觉的主、次系统中都较为适宜（不论是单颗DSP还是内嵌多核心DSP以及中央处理器SoC方案）。在机器人控制应用里，市面上独立DSP的方案也肉眼可见得越来越少，独立DSP正在越来越多地转向SoC的一个处理单元。
 
小结
 
运动控制的发展无疑是向着更智能更精准这一方向，机器人的快速发展也离不开控制系统的优异性能。不断复杂化智能化的控制系统，不仅对DSP厂商，对整个上游核心芯片供应商来说都是一次发展的契机。