電子發燒友網報道（文/李寧遠）上一期中，聊到MCU在機器人行業中的發展時提到，目前在工業機器人和服務機器人上用量最多的是MCU。隨著工業領域每一步自動化升級，機器人所需的運算效能也同步增長，各種高效能要求，人機協同應用以及各類即時運算都要求機器人除了提供精準的電機控制外還能兼顧靈活性和拓展性。

顯然，FPGA廠商是不會任由MCU靠著電機控制的紅利大刀闊斧收割機器人市場的。目前工業機器人有多軸化和協同化的發展趨勢，這種靈活性和拓展性要求都是為了機器人能夠執行多種精密復雜的擬人動作。在這種發展趨勢下工業機器人的電機及軸數都必須增加，當其中一個軸旋轉到特定角度時，與其同處一個連動系統的軸也須旋轉至相應的正確角度，這樣的要求下，不同系統之間的搭配協調也變得格外重要。

FPGA可以應用在分散控制的小節點上，也可以在大節點上應用更高效能的FPGA SoC。通過FPGA控制的系統最明顯的優勢點就是驅動反應時間會大大縮短，對整個系統的運行速度而言會是一個大提升。復雜的多軸運算需求將FPGA的擴展性及運作效能優勢凸顯，在單一節點運作的MCU在應對這種高效能需求時會顯得乏力。而DSP雖然有更高的處理效能，但在拓展性上仍給了FPGA一定的喘息空間。如何充分利用好高效能和高拓展性優勢成了FPGA在和MCU，DSP三足鼎立的機器人市場中突圍的關鍵點。

機器人FPGA高效能運控應用

像這種擁有全方位機器人控制的設計可以從賽靈思的基于Artix-7 FPGA和Zynq-7000 SoC設計的Versal AI Edge來看看該控制方式的優勢。

單從Artix-7 FPGA來看提供了高性能的功耗比結構（約50%）、收發器線速、DSP處理能力以及AMS集成。215K的邏輯單元和 AXI IP以及模擬混合信號集成對給予了系統足夠高的可編程集成性。

而Zynq-7000則是采用與 28nm Artix-7可編程邏輯配對的單核ARM Cortex-A9處理器，同時提供6.25Gb/s收發器，在電機控制與嵌入式視覺等工業應用上既能控制成本又能優化系統集成。

基于上述元件構成的機器人控制Versal AI Edge，可以從視覺和非視覺傳感器進行元數據處理執行低時延電機控制和確定性聯網，以實現整個系統的同步。對于需要移動功能的機器人，可加速動作規劃滿足導航需求。這種通過控制環路的并行處理，對可擴展的運動軸數量進行精確確定性控制，在多軸運動上具有很高的拓展性。

不僅是Xilinx，另一家FPGA大廠Altera也是用28/20nm FPGA打入機器人控制市場。基于FPGA以及FPGA SoC的設計，除了運動控制，傳感器總線管理，攝像頭總線管理包括HMI等等都被集成到一起。通過高層次的集成，縮小物理尺寸并降低功耗。這樣的控制似乎更能體現機器人的智能性和適應性。

機器視覺FPGA可拓展性應用

具備強大平行運算功能的FPGA，不只能應付多軸機器人運動的需求，也能實現機器視覺系統高彈性的靈活配置。lattice就是這樣的策略，lattice的FPGA雖然也涉及多軸電機控制，但主要應用放在了機器視覺上。

FPGA與生俱來的可編程優勢使其能支援多種工業通訊協定，也讓FPGA成為用來擴充通訊的不錯選擇。從ECP5處理器板上來看，它的輸入和輸出板之間能夠組合和匹配，以連接到各類圖像傳感器和顯示屏，最大限度的提供靈活的互連性。

ECP5 VIP處理器板上帶了ECP5-85 FPGA，專門圖像信號進行處理處理。單獨說一下ECP5 VIP中的VIP，是lattice面向開發者用于嵌入式視覺應用的模塊化視頻接口平臺。就ECP5 FPGA本身特性而言，178個I/O、20個差分I/O對、4個5G SERDES通道和85K LUT，如此多的I/O資源對機器人設計者而言也是不小的助力。可能不同廠家能提供給機器人客戶的拓展性不一樣，但FPGA固有的高拓展性優勢是一定的。

寫在最后

不難看出FPGA依靠高效能和拓展性在機器人行業已經有相當大的發揮。不管是依靠高效能處理能力從MCU手中奪取電機控制的份額，還是憑借拓展性大舉進軍機器視覺與DSP正面對壘，在機器人市場中FPGA與MCU，DSP可謂是互不相讓，暗流涌動。畢竟誰都不愿意在這個大市場上被壓一頭。

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編輯：jq