事實(shí)上，機(jī)器人的使用在穩(wěn)定增長(zhǎng)。雖然有些反對(duì)者認(rèn)為，自動(dòng)化將導(dǎo)致人們失業(yè)，但迄今為止的所有證據(jù)表明，機(jī)器人技術(shù)可以提高生產(chǎn)率、安全性和成本效益，并且實(shí)際上會(huì)創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)。到今年年底，全球部署的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量預(yù)計(jì)將上升到約 260 萬(wàn)臺(tái)。

　　國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì) （IFR） 去年公布的數(shù)據(jù)顯示，全球平均每 10，000 名員工安裝了 74 臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。這些數(shù)字還顯示，在實(shí)測(cè)生產(chǎn)率不斷提高的國(guó)家，此平均值明顯更高。例如，德國(guó)、新加坡和韓國(guó)每 10，000 名員工安裝的機(jī)器人最多，分別為 309 臺(tái)、488 臺(tái)和 631 臺(tái)。

　　此外，以德國(guó)的汽車行業(yè)為例，隨著機(jī)器人自動(dòng)化的增長(zhǎng)，員工數(shù)量也在同步增加。ZEW（歐洲經(jīng)濟(jì)研究中心）與烏特勒支大學(xué)合作發(fā)表的一項(xiàng)研究，證實(shí)了自動(dòng)化程度提高對(duì)就業(yè)數(shù)量的積極影響。由此可以推測(cè)，自動(dòng)化程度提高導(dǎo)致生產(chǎn)成本降低，進(jìn)而拉低市場(chǎng)價(jià)格，使產(chǎn)品對(duì)消費(fèi)者更具吸引力并增加了需求。而需求的增加可帶動(dòng)就業(yè)增長(zhǎng)。

　　此外，工業(yè)和制造業(yè)并不是機(jī)器人產(chǎn)生影響的唯一領(lǐng)域。這種影響日益擴(kuò)展到工廠之外，例如提高在線購(gòu)物的交付效率，以及讓學(xué)生對(duì) STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）更感興趣等。

　　為了開發(fā)最智能和最先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)，需要采用創(chuàng)新的模擬和嵌入式技術(shù)。為了幫助深入了解機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作原理，Texas Instruments （TI） 提供了學(xué)習(xí)工具包，以幫助學(xué)生們填補(bǔ)當(dāng)前工程課程的空白。下面討論 TI 目前提供的一些工具：

　　工業(yè)機(jī)器人

　　TIDA-01600 - 智能制動(dòng)控制與診斷參考設(shè)計(jì)，適用于伺服驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人：該 TI 參考設(shè)計(jì)（圖 1）提供雙通道輸出信號(hào)來(lái)控制外部制動(dòng)閘，以便在伺服驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)符合 IEC EN 61800-5-2 標(biāo)準(zhǔn)的安全制動(dòng)控制功能。在功能上，當(dāng)制動(dòng)工作線圈電源切斷時(shí)，制動(dòng)閘鎖定；當(dāng)施加電壓時(shí)，制動(dòng)閘松開。為實(shí)現(xiàn)這種操作，須啟用/禁用為線圈供電的智能電子負(fù)載開關(guān)。該參考設(shè)計(jì)還有診斷功能，用于檢測(cè)各種故障以確保安全操作。為生成制動(dòng)控制信號(hào)并執(zhí)行診斷，該設(shè)計(jì)使用 C2000 Launchpad。

　　圖 1：Texas Instruments 的 TIDA-01600 伺服驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人智能制動(dòng)參考設(shè)計(jì)。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - SIMPLE SWITCHER 電源模塊，可實(shí)現(xiàn)高輸出電壓：TI 的 LMZ1420x 系列電源模塊具有集成屏蔽式電感器、簡(jiǎn)單的 PCB 布局，以及使用外部軟啟動(dòng)和精密使能的靈活啟動(dòng)順序。這些電源模塊提供涌流保護(hù)、輸入 UVLO 和輸出短路保護(hù)。由于模塊的效率高，因此能使系統(tǒng)發(fā)熱量減少。該系列電源模塊均有單個(gè)裸焊盤和標(biāo)準(zhǔn)引腳布局，便于安裝和制造。

　　ISO7842：這是一款增強(qiáng)型 4 通道 2/2 數(shù)字隔離器（已獲得 VDE、CSA、CQC 和 TUV 認(rèn)證），具有 8000-VPK 隔離電壓。ISO7842 隔離器可隔離 CMOS 或 LVCMOS 數(shù)字 I/O，同時(shí)在低功耗條件下，具有很高的電磁抗擾度和低輻射性能。每個(gè)隔離通道都有一個(gè)邏輯輸入和輸出緩沖器，并通過(guò)由二氧化硅 （SiO2） 材料組成的絕緣柵進(jìn)行隔離。

　　TPS7B6933QDBVRQ1：TPS7B69xx-Q1 器件是低壓差線性穩(wěn)壓器，針對(duì)高達(dá) 40 V VI 操作而設(shè)計(jì)。TPS7B6933QDBVRQ1 器件在輕負(fù)載時(shí)的靜態(tài)電流為 15 μA（典型值），因此適用于備用微控制器單元系統(tǒng)，尤其是在汽車應(yīng)用中。這些器件集成短路和過(guò)流保護(hù)，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。這些特性使 TPS7B6925-Q1、TPS7B6933-Q1 和 TPS7B6950-Q1 非常適合用于各種汽車電源應(yīng)用。

　　TPS27S100APWPR：TI 的 TPS27S100x 智能高壓側(cè)開關(guān)是單通道、全保護(hù)式高壓側(cè)開關(guān)，集成了 NMOS 和充電泵。TPS27S100APWPR 具有全面診斷和高精度電流監(jiān)控功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的智能控制。它還有可調(diào)限流功能，可以大大提高系統(tǒng)可靠性。憑借精確電流監(jiān)控和可調(diào)限流功能，該器件有別于目前市場(chǎng)上的類似器件。

　　ULN2003APWR：這款 TI 器件是一種高電流晶體管陣列。ULN2003APWR 由七個(gè) NPN 達(dá)林頓復(fù)合晶體管對(duì)組成，每對(duì)均具有高電壓輸出和共陰極箝位二極管，可切換感性負(fù)載。該器件中每個(gè)達(dá)林頓復(fù)合晶體管對(duì)的集電極額定電流為 500 mA。這些達(dá)林頓復(fù)合晶體管對(duì)可以并聯(lián)，以支持更高的電流要求。部分示例應(yīng)用包括燈驅(qū)動(dòng)器、顯示驅(qū)動(dòng)器（LED 和氣體放電）、邏輯緩沖器、錘子驅(qū)動(dòng)器、線路驅(qū)動(dòng)器和繼電器驅(qū)動(dòng)器。

　　TVS3300DRVR：TVS3300 可分流高達(dá) 35 A 的 IEC 61000-4-5 故障電流，保護(hù)系統(tǒng)免受高功率瞬變或雷擊影響；還能滿足常見(jiàn)的工業(yè)信號(hào)線 EMC 要求，可耐受通過(guò) 42 Ω 阻抗耦合的高達(dá) 1 kV IEC 61000-4-5 開路電壓。該器件使用獨(dú)特的反饋機(jī)制，確保系統(tǒng)暴露電壓低于 40 V，從而在故障期間實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的箝位。通過(guò)這種嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)人員能夠自信地選擇電壓容差較低的系統(tǒng)元器件，從而降低整體系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，且不損害穩(wěn)健性。

　　物流和服務(wù)機(jī)器人

　　采用 IO-Link 的超聲波距離傳感器參考設(shè)計(jì) - TI 參考設(shè)計(jì)：該設(shè)計(jì)（圖 2）采用超聲波距離傳感器，由于具有優(yōu)化的布局和高集成度，它能很好地安裝在 M12 外殼中。該器件的 IO-Link 接口設(shè)計(jì)用于與系統(tǒng)控制進(jìn)行通信，因此可支持工業(yè) 4.0。超聲波傳感器用于檢測(cè)和/或測(cè)量物體距離，與物體的顏色、透明度或表面特征無(wú)關(guān)。該器件能夠在工廠和加工廠等惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作。

　　圖 2：Texas Instruments 的 TIDA-01386 參考設(shè)計(jì)，針對(duì)采用 IO-Link 的超聲波距離傳感器。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　電源和 EtherCAT? 共用一條電纜的 EtherCAT P? 參考設(shè)計(jì) - TI 參考設(shè)計(jì)：本參考設(shè)計(jì)展示了電源耦合在 EtherCAT P? 供電裝置電路中的物理實(shí)現(xiàn)方法。此設(shè)計(jì)符合 EtherCAT P 官方實(shí)施指南中的所有要求，具有連續(xù)限流、涌流限制和反極性保護(hù)等特性。

　　PLC 模擬輸入模塊浪涌保護(hù)參考設(shè)計(jì) - TI 參考設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)旨在展示用于工廠自動(dòng)化和控制的 TI 33 V 保護(hù)器件（如前面討論過(guò)的 TVS3300）的保護(hù)功能。本設(shè)計(jì)具有測(cè)量 EMI 應(yīng)力之前和之后的保護(hù)器件特性（即泄漏和箝位電壓）所需的精度。

　　TVS3300DRV-EVM：TI 的 TVS3300DRV-EVM 可幫助設(shè)計(jì)人員評(píng)估 TVS3300（之前討論過(guò)）的操作和性能；后者是一款精密箝位器件，可在瞬態(tài)過(guò)壓事件期間，保持超低且穩(wěn)定的箝位電壓。利用 TI 的這種精密浪涌技術(shù)，無(wú)論浪涌電流幅度如何，TVS3300 箝位電壓的變化都非常小。它還能對(duì)浪涌作出快速響應(yīng)，從而在箝位發(fā)生時(shí)限制過(guò)沖電壓。TVS3300DRV-EVM 評(píng)估模塊包含兩套螺紋端子接頭，用于各種連接器配置的通用在線測(cè)試。此外，該板還包含兩個(gè)方便測(cè)試的香蕉插頭輸入端口，以及四個(gè)可輕松連接示波器的 50 Ω SMA 連接器。

　　LM5166DRCT： 該器件是一款易于使用的緊湊型 3 V 至 65 V 超低 IQ 同步降壓轉(zhuǎn)換器，可在寬輸入電壓和負(fù)載電流范圍內(nèi)提供高效率。它集成了高壓側(cè)和低壓側(cè)功率 MOSFET，在 3.3 V 或 5 V 恒定輸出電壓下或者在可調(diào)輸出電壓下，輸出電流可達(dá) 500 mA。該轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在簡(jiǎn)化實(shí)施的同時(shí)，提供了優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)用性能的選項(xiàng)。設(shè)計(jì)人員可以選擇 LM5166DRCT 脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 模式選項(xiàng)，以獲得最佳的輕負(fù)載效率，或獲得恒定導(dǎo)通時(shí)間 （COT） 控制，以實(shí)現(xiàn)幾乎恒定的工作頻率。必須注意的是，兩種控制方案都不需要回路補(bǔ)償，即可提供出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)以及短脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)很大降壓轉(zhuǎn)換比。

　　PGA460TPWRQ1： TI PGA460-Q1 是一款高度集成的片上系統(tǒng)超聲波變送器驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)調(diào)節(jié)器，具有先進(jìn)的 DSP 內(nèi)核。該器件含有互補(bǔ)的低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)，驅(qū)動(dòng)的變送器可以是使用一個(gè)升壓變壓器的基于變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或使用外部高壓側(cè) FET 的直接驅(qū)動(dòng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該器件能夠接收和調(diào)節(jié)反射的超聲回波信號(hào)，從而可靠地檢測(cè)物體。為此，它使用了一個(gè)模擬前端 （AFE），該前端由低噪聲放大器和反饋到 ADC 的可編程時(shí)變?cè)鲆婕?jí)組成。經(jīng) ADC 數(shù)字化的信號(hào)隨后在 DSP 內(nèi)核中處理，然后使用時(shí)變閾值計(jì)算近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)物體檢測(cè)。

　　MSP430FR5959IRHAR： MSP430 超低功耗 （ULP） FRAM 平臺(tái)結(jié)合了嵌入式 FRAM 和超低功耗系統(tǒng)架構(gòu)，能夠在更低的能耗預(yù)算條件下提升性能。TI 之所以在這些器件中使用 FRAM 技術(shù)，是因?yàn)樗芤愿偷目傮w功耗將 SRAM 的速度、靈活性和耐久性與閃存的穩(wěn)定性和可靠性集于一體。MSP430 ULP FRAM 產(chǎn)品組合包括一組不同的器件，整合了 FRAM、ULP 16 位 MSP430 CPU 以及針對(duì)各種不同應(yīng)用的智能外設(shè)。ULP 架構(gòu)具有七種低功耗模式并分別進(jìn)行了優(yōu)化，以使各種大功耗應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池壽命。

　　TIOL111： 該系列收發(fā)器具有 IO-Link 接口，可用于工業(yè)級(jí)的雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。當(dāng)通過(guò)三線接口連接到 IO-Link 主機(jī)時(shí)，TIOL111 用作通信的完整物理層。在這種情況下，主機(jī)可以啟動(dòng)與遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的通信并交換數(shù)據(jù)。這些器件能夠承受 IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高達(dá) 1.2 kV （500 Ω） 的浪涌電壓，而且集成了反極性保護(hù)功能。

　　10.8-V/15-W、》90% 效率、2.4-cm2 功率級(jí)參考設(shè)計(jì)，適用于有刷直流伺服驅(qū)動(dòng)器 - TI 參考設(shè)計(jì)： 這款 15 W 功率級(jí)參考設(shè)計(jì)（圖 3）的尺寸僅為 12 mm x 20 mm，旨在驅(qū)動(dòng)和控制由 3 至 6 節(jié)鋰離子電池供電的有刷直流 （BDC） 電機(jī)的位置。該設(shè)計(jì)提供高效率解決方案，并且經(jīng)過(guò)優(yōu)化，外形尺寸非常小，可輕松安裝到電機(jī)外殼中，而且支持精確的電機(jī)位置控制。此外，該參考設(shè)計(jì)還能在沒(méi)有任何位置反饋的情況下高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)電流，從而實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)扭矩控制。最后，板載 MCU 提供 UART 連接，支持通過(guò)任何外部控制器進(jìn)行控制。

　　圖 3： Texas Instruments 的 TIDA-01588 功率級(jí)參考設(shè)計(jì)，適用于有刷直流伺服驅(qū)動(dòng)器。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　用于 PLC 模擬輸入的 IEPE 振動(dòng)傳感器接口參考設(shè)計(jì) - TI 參考設(shè)計(jì)： 振動(dòng)檢測(cè)是工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵組成部分，也是預(yù)測(cè)性維護(hù)必不可少的部分。工業(yè)環(huán)境中最常用的振動(dòng)傳感器是集成電子壓電 （IEPE） 傳感器。該參考設(shè)計(jì)（圖 4）的核心是一個(gè)適用于 IEPE 傳感器接口的完整模擬前端。該設(shè)計(jì)證明，對(duì) IEPE 傳感器數(shù)據(jù)的低功耗、靈活、高分辨率、高速轉(zhuǎn)換可通過(guò)一個(gè)小尺寸方案實(shí)現(xiàn)。

　　圖 4：Texas Instruments 用于 PLC 模擬輸入的 TIDA-01471 振動(dòng)傳感器接口參考設(shè)計(jì)。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　MSP430FR2433IRGER：這是 TI 基于 FRAM 的超低功耗 MSP430FRx 微控制器系列，功耗最低，集成了各種外設(shè)，支持廣泛的低功耗和便攜式應(yīng)用。這些 MCU 非常適合 MCU 主要以待機(jī)模式運(yùn)行的應(yīng)用。此外，基于 FRAM 的 MSP430FRx MCU 系列最近增加了可擴(kuò)展數(shù)據(jù)記錄和安全功能的選項(xiàng)。MSP43FR2433 采用小型 VQFN 封裝 （4 mm × 4 mm），是小尺寸工業(yè)傳感器的理想選擇，而且除超低功耗外，還結(jié)合了各種集成外設(shè)。

　　TPS70933DRVR：TI 的 TPS709xx 系列線性穩(wěn)壓器具有超低靜態(tài)電流特性，非常適合功耗敏感型應(yīng)用。這些器件使用精密帶隙和誤差放大器，在工作溫度范圍內(nèi)的精度為 2%。靜態(tài)電流低至 1 μA，因此這些器件是空閑狀態(tài)功耗極低的電池供電且始終通電應(yīng)用的理想解決方案。該系列器件還有額外的安全特性，包括熱關(guān)斷、限流和反向電流保護(hù)。

　　DRV8870DDAR：TI 的 DRV8870 是一款 3.6 A 有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可用于工業(yè)設(shè)備、電器、打印機(jī)和其他小型機(jī)器等應(yīng)用。兩個(gè)邏輯輸入控制四個(gè) N 溝道 MOSFET H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙向電機(jī)控制，峰值電流為 3.6 A。為了控制電機(jī)速度，可以使用可選的電流衰減模式對(duì)輸入進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制。當(dāng)兩個(gè)輸入均設(shè)置為低電平時(shí)，器件進(jìn)入低功耗休眠模式。DRV8870 還集成了基于 VREF 模擬輸入和引腳 ISEN 電壓的電流調(diào)節(jié)功能，該電壓來(lái)自電機(jī)電流從中流過(guò)的外部檢測(cè)電阻。該器件能將電流限制在已知水平，從而大大降低系統(tǒng)功率要求以及維持電機(jī)電壓穩(wěn)定所需的大容量電容，尤其是在啟動(dòng)和失速情況下。

　　ESD122DMXR：這是 TI 的一款雙向 TVS ESD 保護(hù)二極管陣列，針對(duì) USB Type-C? 和 HDMI 2.0 電路保護(hù)而設(shè)計(jì)，其額定 ESD 沖擊消散值達(dá)到 IEC 61000-4-2 規(guī)定的最高水平（17 kV 接觸放電、17 kV 氣隙放電）。ESD122 每通道的 IO 電容很低，引腳布局適合于對(duì)稱差分高速信號(hào)路由，故其非常適于保護(hù)高達(dá) 10 Gbps 的高速接口，應(yīng)用包括第 2 代 USB 3.1 和 HDMI 2.0 等。該器件的低動(dòng)態(tài)電阻和低箝位電壓確保提供對(duì)瞬變事件的進(jìn)一步系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。此外，ESD122 是 USB Type-C Tx/Rx 線路的理想 ESD 解決方案。由于 USB Type-C 連接器具有兩層結(jié)構(gòu)，因此使用四通道 ESD 器件時(shí)需要 VIA，這會(huì)降低信號(hào)完整性。但是，使用四個(gè) ESD122（雙通道）器件會(huì)將 VIA 數(shù)量降至最少，并簡(jiǎn)化電路板布局。

　　TLV9061IDPWR：TLV9061、TLV9062 和 TLV9064 分別是單、雙、四通道低壓（1.8 V 至 5.5 V）運(yùn)算放大器（運(yùn)放），均具有軌至軌輸入和輸出擺幅能力。這些器件為低壓、小尺寸和高容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供極具性價(jià)比的解決方案。雖然 TLV906x 容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)為 100 pF，但阻性開環(huán)輸出阻抗使得在更高容性負(fù)載情況下更易于穩(wěn)定。如前所述，這些運(yùn)算放大器專用于低壓工作（1.8 V 至 5.5 V），且性能規(guī)格類似于 TI 的 TLVx316 和 OPAx316 器件。

　　TVS3300DRVR：請(qǐng)參閱上面“工業(yè)機(jī)器人”部分中的說(shuō)明。

　　IWR1642：該器件基于調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW） 雷達(dá)技術(shù)，是一款集成單芯片毫米波傳感器，能夠在 76 至 81 GHz 頻段工作，最高提供 4 GHz 連續(xù)線性調(diào)頻。該解決方案采用 TI 的低功耗 45 nm RFCMOS 工藝制造，能夠在超小的外形尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的集成度。IWR1642 是工業(yè)應(yīng)用中低功耗、自監(jiān)控、超高精度雷達(dá)系統(tǒng)的理想解決方案，如安防監(jiān)控、工廠自動(dòng)化、物料搬運(yùn)、交通監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化和無(wú)人機(jī)。

　　總結(jié)

　　當(dāng)今的工業(yè)技術(shù)不僅需要最智能和最先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)，而且需要?jiǎng)?chuàng)新的模擬和嵌入式技術(shù)。為了支持這種需求，TI 提供了各種解決方案和參考設(shè)計(jì)，可以加快甚至簡(jiǎn)化開發(fā)工作。