事實上，機器人的使用在穩(wěn)定增長。雖然有些反對者認為，自動化將導(dǎo)致人們失業(yè)，但迄今為止的所有證據(jù)表明，機器人技術(shù)可以提高生產(chǎn)率、安全性和成本效益，并且實際上會創(chuàng)造新的就業(yè)機會。到今年年底，全球部署的工業(yè)機器人數(shù)量預(yù)計將上升到約 260 萬臺。

　　國際機器人聯(lián)合會 （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 臺工業(yè)機器人。這些數(shù)字還顯示，在實測生產(chǎn)率不斷提高的國家，此平均值明顯更高。例如，德國、新加坡和韓國每 10，000 名員工安裝的機器人最多，分別為 309 臺、488 臺和 631 臺。

　　此外，以德國的汽車行業(yè)為例，隨著機器人自動化的增長，員工數(shù)量也在同步增加。ZEW（歐洲經(jīng)濟研究中心）與烏特勒支大學(xué)合作發(fā)表的一項研究，證實了自動化程度提高對就業(yè)數(shù)量的積極影響。由此可以推測，自動化程度提高導(dǎo)致生產(chǎn)成本降低，進而拉低市場價格，使產(chǎn)品對消費者更具吸引力并增加了需求。而需求的增加可帶動就業(yè)增長。

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

　　為了開發(fā)最智能和最先進的機器人系統(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器人系統(tǒng)設(shè)計的工作原理，Texas Instruments （TI） 提供了學(xué)習(xí)工具包，以幫助學(xué)生們填補當前工程課程的空白。下面討論 TI 目前提供的一些工具：

　　工業(yè)機器人

　　TIDA-01600 - 智能制動控制與診斷參考設(shè)計，適用于伺服驅(qū)動器和機器人：該 TI 參考設(shè)計（圖 1）提供雙通道輸出信號來控制外部制動閘，以便在伺服驅(qū)動器中實現(xiàn)符合 IEC EN 61800-5-2 標準的安全制動控制功能。在功能上，當制動工作線圈電源切斷時，制動閘鎖定；當施加電壓時，制動閘松開。為實現(xiàn)這種操作，須啟用/禁用為線圈供電的智能電子負載開關(guān)。該參考設(shè)計還有診斷功能，用于檢測各種故障以確保安全操作。為生成制動控制信號并執(zhí)行診斷，該設(shè)計使用 C2000 Launchpad。

　　圖 1：Texas Instruments 的 TIDA-01600 伺服驅(qū)動器和機器人智能制動參考設(shè)計。（圖片來源：Texas Instruments）

　　LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - SIMPLE SWITCHER 電源模塊，可實現(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、簡單的 PCB 布局，以及使用外部軟啟動和精密使能的靈活啟動順序。這些電源模塊提供涌流保護、輸入 UVLO 和輸出短路保護。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裸焊盤和標準引腳布局，便于安裝和制造。

　　ISO7842：這是一款增強型 4 通道 2/2 數(shù)字隔離器（已獲得 VDE、CSA、CQC 和 TUV 認證），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。每個隔離通道都有一個邏輯輸入和輸出緩沖器，并通過由二氧化硅 （SiO2） 材料組成的絕緣柵進行隔離。

　　TPS7B6933QDBVRQ1：TPS7B69xx-Q1 器件是低壓差線性穩(wěn)壓器，針對高達 40 V VI 操作而設(shè)計。TPS7B6933QDBVRQ1 器件在輕負載時的靜態(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流保護，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，可實現(xiàn)對負載的智能控制。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 NPN 達林頓復(fù)合晶體管對組成，每對均具有高電壓輸出和共陰極箝位二極管，可切換感性負載。該器件中每個達林頓復(fù)合晶體管對的集電極額定電流為 500 mA。這些達林頓復(fù)合晶體管對可以并聯(lián)，以支持更高的電流要求。部分示例應(yīng)用包括燈驅(qū)動器、顯示驅(qū)動器（LED 和氣體放電）、邏輯緩沖器、錘子驅(qū)動器、線路驅(qū)動器和繼電器驅(qū)動器。

　　TVS3300DRVR：TVS3300 可分流高達 35 A 的 IEC 61000-4-5 故障電流，保護系統(tǒng)免受高功率瞬變或雷擊影響；還能滿足常見的工業(yè)信號線 EMC 要求，可耐受通過 42 Ω 阻抗耦合的高達 1 kV IEC 61000-4-5 開路電壓。該器件使用獨特的反饋機制，確保系統(tǒng)暴露電壓低于 40 V，從而在故障期間實現(xiàn)精確穩(wěn)定的箝位。通過這種嚴格的電壓調(diào)節(jié)，設(shè)計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)機器人

　　采用 IO-Link 的超聲波距離傳感器參考設(shè)計 - TI 參考設(shè)計：該設(shè)計（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)計用于與系統(tǒng)控制進行通信，因此可支持工業(yè) 4.0。超聲波傳感器用于檢測和/或測量物體距離，與物體的顏色、透明度或表面特征無關(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，針對采用 IO-Link 的超聲波距離傳感器。（圖片來源：Texas Instruments）

　　電源和 EtherCAT? 共用一條電纜的 EtherCAT P? 參考設(shè)計 - TI 參考設(shè)計：本參考設(shè)計展示了電源耦合在 EtherCAT P? 供電裝置電路中的物理實現(xiàn)方法。此設(shè)計符合 EtherCAT P 官方實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等特性。

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

　　TVS3300DRV-EVM：TI 的 TVS3300DRV-EVM 可幫助設(shè)計人員評估 TVS3300（之前討論過）的操作和性能；后者是一款精密箝位器件，可在瞬態(tài)過壓事件期間，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。它還能對浪涌作出快速響應(yīng)，從而在箝位發(fā)生時限制過沖電壓。TVS3300DRV-EVM 評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試。此外，該板還包含兩個方便測試的香蕉插頭輸入端口，以及四個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 500 mA。該轉(zhuǎn)換器設(shè)計在簡化實施的同時，提供了優(yōu)化目標應(yīng)用性能的選項。設(shè)計人員可以選擇 LM5166DRCT 脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 模式選項，以獲得最佳的輕負載效率，或獲得恒定導(dǎo)通時間 （COT） 控制，以實現(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償，即可提供出色的線路和負載瞬態(tài)響應(yīng)以及短脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 導(dǎo)通時間，從而實現(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)動器和信號調(diào)節(jié)器，具有先進的 DSP 內(nèi)核。該器件含有互補的低壓側(cè)驅(qū)動器對，驅(qū)動的變送器可以是使用一個升壓變壓器的基于變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)，或使用外部高壓側(cè) FET 的直接驅(qū)動型拓撲結(jié)構(gòu)。該器件能夠接收和調(diào)節(jié)反射的超聲回波信號，從而可靠地檢測物體。為此，它使用了一個模擬前端 （AFE），該前端由低噪聲放大器和反饋到 ADC 的可編程時變增益級組成。經(jīng) ADC 數(shù)字化的信號隨后在 DSP 內(nèi)核中處理，然后使用時變閾值計算近場和遠場物體檢測。

　　MSP430FR5959IRHAR： MSP430 超低功耗 （ULP） FRAM 平臺結(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)，是因為它能以更低的總體功耗將 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行了優(yōu)化，以使各種大功耗應(yīng)用實現(xiàn)更長的電池壽命。

　　TIOL111： 該系列收發(fā)器具有 IO-Link 接口，可用于工業(yè)級的雙向點對點通信。當通過三線接口連接到 IO-Link 主機時，TIOL111 用作通信的完整物理層。在這種情況下，主機可以啟動與遠程節(jié)點的通信并交換數(shù)據(jù)。這些器件能夠承受 IEC 61000-4-5 標準規(guī)定的高達 1.2 kV （500 Ω） 的浪涌電壓，而且集成了反極性保護功能。

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

　　圖 3： Texas Instruments 的 TIDA-01588 功率級參考設(shè)計，適用于有刷直流伺服驅(qū)動器。（圖片來源：Texas Instruments）

　　用于 PLC 模擬輸入的 IEPE 振動傳感器接口參考設(shè)計 - TI 參考設(shè)計： 振動檢測是工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵組成部分，也是預(yù)測性維護必不可少的部分。工業(yè)環(huán)境中最常用的振動傳感器是集成電子壓電 （IEPE） 傳感器。該參考設(shè)計（圖 4）的核心是一個適用于 IEPE 傳感器接口的完整模擬前端。該設(shè)計證明，對 IEPE 傳感器數(shù)據(jù)的低功耗、靈活、高分辨率、高速轉(zhuǎn)換可通過一個小尺寸方案實現(xiàn)。

　　圖 4：Texas Instruments 用于 PLC 模擬輸入的 TIDA-01471 振動傳感器接口參考設(shè)計。（圖片來源：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 主要以待機模式運行的應(yīng)用。此外，基于 FRAM 的 MSP430FRx MCU 系列最近增加了可擴展數(shù)據(jù)記錄和安全功能的選項。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。

　　DRV8870DDAR：TI 的 DRV8870 是一款 3.6 A 有刷直流電機驅(qū)動器，可用于工業(yè)設(shè)備、電器、打印機和其他小型機器等應(yīng)用。兩個邏輯輸入控制四個 N 溝道 MOSFET H 橋電機驅(qū)動器，進而實現(xiàn)雙向電機控制，峰值電流為 3.6 A。為了控制電機速度，可以使用可選的電流衰減模式對輸入進行脈沖寬度調(diào)制。當兩個輸入均設(shè)置為低電平時，器件進入低功耗休眠模式。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，該電壓來自電機電流從中流過的外部檢測電阻。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電壓穩(wěn)定所需的大容量電容，尤其是在啟動和失速情況下。

　　ESD122DMXR：這是 TI 的一款雙向 TVS ESD 保護二極管陣列，針對 USB Type-C? 和 HDMI 2.0 電路保護而設(shè)計，其額定 ESD 沖擊消散值達到 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，引腳布局適合于對稱差分高速信號路由，故其非常適于保護高達 10 Gbps 的高速接口，應(yīng)用包括第 2 代 USB 3.1 和 HDMI 2.0 等。該器件的低動態(tài)電阻和低箝位電壓確保提供對瞬變事件的進一步系統(tǒng)級保護。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 器件時需要 VIA，這會降低信號完整性。但是，使用四個 ESD122（雙通道）器件會將 VIA 數(shù)量降至最少，并簡化電路板布局。

　　TLV9061IDPWR：TLV9061、TLV9062 和 TLV9064 分別是單、雙、四通道低壓（1.8 V 至 5.5 V）運算放大器（運放），均具有軌至軌輸入和輸出擺幅能力。這些器件為低壓、小尺寸和高容性負載驅(qū)動應(yīng)用提供極具性價比的解決方案。雖然 TLV906x 容性負載驅(qū)動為 100 pF，但阻性開環(huán)輸出阻抗使得在更高容性負載情況下更易于穩(wěn)定。如前所述，這些運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：請參閱上面“工業(yè)機器人”部分中的說明。

　　IWR1642：該器件基于調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW） 雷達技術(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)實現(xiàn)無與倫比的集成度。IWR1642 是工業(yè)應(yīng)用中低功耗、自監(jiān)控、超高精度雷達系統(tǒng)的理想解決方案，如安防監(jiān)控、工廠自動化、物料搬運、交通監(jiān)控、樓宇自動化和無人機。

　　總結(jié)

　　當今的工業(yè)技術(shù)不僅需要最智能和最先進的機器人系統(tǒng)，而且需要創(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，可以加快甚至簡化開發(fā)工作。