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

　　國際機器人聯合會 （IFR） 去年公布的數據顯示，全球平均每 10，000 名員工安裝了 74 臺工業機器人。這些數字還顯示，在實測生產率不斷提高的國家，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，以德國的汽車行業為例，隨著機器人自動化的增長，員工數量也在同步增加。ZEW（歐洲經濟研究中心）與烏特勒支大學合作發表的一項研究，證實了自動化程度提高對就業數量的積極影響。由此可以推測，自動化程度提高導致生產成本降低，進而拉低市場價格，使產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增長。

　　此外，工業和制造業并不是機器人產生影響的唯一領域。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，以及讓學生對 STEM（科學、技術、工程和數學）更感興趣等。

　　為了開發最智能和最先進的機器人系統，需要采用創新的模擬和嵌入式技術。為了幫助深入了解機器人系統設計的工作原理，Texas Instruments （TI） 提供了學習工具包，以幫助學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：

　　工業機器人

　　TIDA-01600 - 智能制動控制與診斷參考設計，適用于伺服驅動器和機器人：該 TI 參考設計（圖 1）提供雙通道輸出信號來控制外部制動閘，以便在伺服驅動器中實現符合 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。為實現這種操作，須啟用/禁用為線圈供電的智能電子負載開關。該參考設計還有診斷功能，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行診斷，該設計使用 C2000 Launchpad。

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

　　LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - SIMPLE SWITCHER 電源模塊，可實現高輸出電壓：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，因此能使系統發熱量減少。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壓器，針對高達 40 V VI 操作而設計。TPS7B6933QDBVRQ1 器件在輕負載時的靜態電流為 15 μA（典型值），因此適用于備用微控制器單元系統，尤其是在汽車應用中。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用。

　　TPS27S100APWPR：TI 的 TPS27S100x 智能高壓側開關是單通道、全保護式高壓側開關，集成了 NMOS 和充電泵。TPS27S100APWPR 具有全面診斷和高精度電流監控功能，可實現對負載的智能控制。它還有可調限流功能，可以大大提高系統可靠性。憑借精確電流監控和可調限流功能，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合晶體管對的集電極額定電流為 500 mA。這些達林頓復合晶體管對可以并聯，以支持更高的電流要求。部分示例應用包括燈驅動器、顯示驅動器（LED 和氣體放電）、邏輯緩沖器、錘子驅動器、線路驅動器和繼電器驅動器。

　　TVS3300DRVR：TVS3300 可分流高達 35 A 的 IEC 61000-4-5 故障電流，保護系統免受高功率瞬變或雷擊影響；還能滿足常見的工業信號線 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，確保系統暴露電壓低于 40 V，從而在故障期間實現精確穩定的箝位。通過這種嚴格的電壓調節，設計人員能夠自信地選擇電壓容差較低的系統元器件，從而降低整體系統成本和復雜性，且不損害穩健性。

　　物流和服務機器人

　　采用 IO-Link 的超聲波距離傳感器參考設計 - TI 參考設計：該設計（圖 2）采用超聲波距離傳感器，由于具有優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 接口設計用于與系統控制進行通信，因此可支持工業 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。該器件能夠在工廠和加工廠等惡劣的工業環境中工作。

　　圖 2：Texas Instruments 的 TIDA-01386 參考設計，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? 參考設計 - TI 參考設計：本參考設計展示了電源耦合在 EtherCAT P? 供電裝置電路中的物理實現方法。此設計符合 EtherCAT P 官方實施指南中的所有要求，具有連續限流、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計 - TI 參考設計：本設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。本設計具有測量 EMI 應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，可在瞬態過壓事件期間，保持超低且穩定的箝位電壓。利用 TI 的這種精密浪涌技術，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，從而在箝位發生時限制過沖電壓。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 同步降壓轉換器，可在寬輸入電壓和負載電流范圍內提供高效率。它集成了高壓側和低壓側功率 MOSFET，在 3.3 V 或 5 V 恒定輸出電壓下或者在可調輸出電壓下，輸出電流可達 500 mA。該轉換器設計在簡化實施的同時，提供了優化目標應用性能的選項。設計人員可以選擇 LM5166DRCT 脈沖頻率調制 （PFM） 模式選項，以獲得最佳的輕負載效率，或獲得恒定導通時間 （COT） 控制，以實現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響應以及短脈沖寬度調制 （PWM） 導通時間，從而實現很大降壓轉換比。

　　PGA460TPWRQ1： TI PGA460-Q1 是一款高度集成的片上系統超聲波變送器驅動器和信號調節器，具有先進的 DSP 內核。該器件含有互補的低壓側驅動器對，驅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構，或使用外部高壓側 FET 的直接驅動型拓撲結構。該器件能夠接收和調節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 ADC 數字化的信號隨后在 DSP 內核中處理，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 平臺結合了嵌入式 FRAM 和超低功耗系統架構，能夠在更低的能耗預算條件下提升性能。TI 之所以在這些器件中使用 FRAM 技術，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定性和可靠性集于一體。MSP430 ULP FRAM 產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用的智能外設。ULP 架構具有七種低功耗模式并分別進行了優化，以使各種大功耗應用實現更長的電池壽命。

　　TIOL111： 該系列收發器具有 IO-Link 接口，可用于工業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點的通信并交換數據。這些器件能夠承受 IEC 61000-4-5 標準規定的高達 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 功率級參考設計，適用于有刷直流伺服驅動器 - TI 參考設計： 這款 15 W 功率級參考設計（圖 3）的尺寸僅為 12 mm x 20 mm，旨在驅動和控制由 3 至 6 節鋰離子電池供電的有刷直流 （BDC） 電機的位置。該設計提供高效率解決方案，并且經過優化，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，該參考設計還能在沒有任何位置反饋的情況下高速驅動電機，并能快速準確地檢測電流，從而實現高品質扭矩控制。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 功率級參考設計，適用于有刷直流伺服驅動器。（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計 - TI 參考設計： 振動檢測是工業狀態監測的關鍵組成部分，也是預測性維護必不可少的部分。工業環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。該設計證明，對 IEPE 傳感器數據的低功耗、靈活、高分辨率、高速轉換可通過一個小尺寸方案實現。

　　圖 4：Texas Instruments 用于 PLC 模擬輸入的 TIDA-01471 振動傳感器接口參考設計。（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，支持廣泛的低功耗和便攜式應用。這些 MCU 非常適合 MCU 主要以待機模式運行的應用。此外，基于 FRAM 的 MSP430FRx MCU 系列最近增加了可擴展數據記錄和安全功能的選項。MSP43FR2433 采用小型 VQFN 封裝 （4 mm × 4 mm），是小尺寸工業傳感器的理想選擇，而且除超低功耗外，還結合了各種集成外設。

　　TPS70933DRVR：TI 的 TPS709xx 系列線性穩壓器具有超低靜態電流特性，非常適合功耗敏感型應用。這些器件使用精密帶隙和誤差放大器，在工作溫度范圍內的精度為 2%。靜態電流低至 1 μA，因此這些器件是空閑狀態功耗極低的電池供電且始終通電應用的理想解決方案。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 有刷直流電機驅動器，可用于工業設備、電器、打印機和其他小型機器等應用。兩個邏輯輸入控制四個 N 溝道 MOSFET H 橋電機驅動器，進而實現雙向電機控制，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制。當兩個輸入均設置為低電平時，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 電壓的電流調節功能，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，從而大大降低系統功率要求以及維持電機電壓穩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 電路保護而設計，其額定 ESD 沖擊消散值達到 IEC 61000-4-2 規定的最高水平（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，應用包括第 2 代 USB 3.1 和 HDMI 2.0 等。該器件的低動態電阻和低箝位電壓確保提供對瞬變事件的進一步系統級保護。此外，ESD122 是 USB Type-C Tx/Rx 線路的理想 ESD 解決方案。由于 USB Type-C 連接器具有兩層結構，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動應用提供極具性價比的解決方案。雖然 TLV906x 容性負載驅動為 100 pF，但阻性開環輸出阻抗使得在更高容性負載情況下更易于穩定。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），且性能規格類似于 TI 的 TLVx316 和 OPAx316 器件。

　　TVS3300DRVR：請參閱上面“工業機器人”部分中的說明。

　　IWR1642：該器件基于調頻連續波 （FMCW） 雷達技術，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 連續線性調頻。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實現無與倫比的集成度。IWR1642 是工業應用中低功耗、自監控、超高精度雷達系統的理想解決方案，如安防監控、工廠自動化、物料搬運、交通監控、樓宇自動化和無人機。

　　總結

　　當今的工業技術不僅需要最智能和最先進的機器人系統，而且需要創新的模擬和嵌入式技術。為了支持這種需求，TI 提供了各種解決方案和參考設計，可以加快甚至簡化開發工作。