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国产机器人主控芯片:高性能不落下风,国产替代正当时

发布日期:2022-01-10 11:11浏览次数:642

 
聊过了那么多一流国际大厂的机器人驱控芯片,我们终于将视线调转回国内半导体厂商。目前看来,长于控制的MCU仍然是国内机器人厂商最先考虑的选择,也是国内半导体厂商做机器人应用最多的一块领域。毕竟在单个工业机器人中内建的控制器平均约有八成为MCU,剩下的才是MPU、DSP等高效能处理元件。

首先,在机器人应用这个市场潜力大并且利润较高的领域,驱动芯片大头仍然是之前我们提到的那些品牌,但“国产替代”也的确为国内MCU厂商创造了大好的商机。国内不少MCU厂商以ARM Cortex-M4系列为代表的产品打入了机器人市场,并且在成本周期等多重因素的影响下受到各个机器人厂商的青睐,国内机器人驱动芯片的增长空间依然很大。那我们就从国产机器人应用的MCU看起。

兆易创新GD32F4

 

兆易创新的GD32系列在诸如工业控制、电机驱动领域已经有很多应用了,整个系列有M3的内核、M4的内核、M23的内核以及RISC-V内核。这里我们选取 GD32 Cortex-M4内核的GD32F4系列产品,相较众多国际厂商的M4内核产品性能如何。

(图源:兆易创新)

如上图所示,GD32F4系列属于增强系列,168MHz的高主频,3MB的闪存与192KB的SRAM。STM32F4系列里的高性能产品主频170MHz,闪存2 MB,SRAM为384 KB,对比之下GD32F4系列性能丝毫不逊色。GD32F4系列融合了兆易创新先进的专利gFlash存储器技术,存储器配置上有着极高的设计灵活度。

GD32F4系列内核包含一个浮点运算器(FPU),用于提高单精度浮点运算速度。此内核可执行全套DSP指令并支持所有ARM单精度指令和数据类型,还配备了MPU和强大的跟踪能力满足高级调试的要求。外设接口同样很丰富,GD32F4系列支持连接到两条APB总线的增强型I/O口和各种片内外设。标准的通信接口配置不在话下,还有一些高级通信接口该系列也都做进去了,包括SPI、I2C、USART、USB 2.0 OTG FS和CAN。

作为增强型高性能系列,为了满足工业级别的应用,GD32F4系列配备高达3个12 bit 1Msps ADC、10个通用16位定时器和1个PWM高级定时器。高性能与丰富外设这个系列是做到了,剩下的就是尽可能降低功耗,这也是所有MCU的重中之重。GD32F4系列具有三种省电模式,可针对低功耗应用实现唤醒延迟和能耗之间的最大限度优化,尽可能兼顾高性能和低功耗。

国民技术N32G455

 

国民技术基于ARM Cortex-M系列32位处理器内核,结合SoC芯片研发技术积累,打磨出了高集成度、高性能、低功耗MCU产品。N32G455系列是国民技术通用MCU的增强型产品系列。


(图源:国民技术)

N32G455系列采用32位ARM Cortex-M4内核,主频144MHz,支持浮点运算和DSP指令,拥有 512KB片内FLASH和144KB的SRAM。与前者相比存储的确不是这个系列主攻的方向,高集成性才是。多达17个高性能模拟器件, 18个数字通讯接口,还内置了10余种密码算法硬件加速引擎,支持存储加密、用户分区保护、安全启动等多种安全特性。安全的高集成性是N32G455系列的特色。

丰富的集成性还体现在模拟外设的集成上,诸如4x12bit ADC(@5Mbps)、2x12bit DAC(@1Mbps)、内置可编程增益放大的轨到轨OP-AMP以及高速模拟比较器。为了提高机器人控制性能,在基础和通用定时器基础上,N32G455系列还配置了2个6.9 ns控制精度的16位高级定时器用于互补PWM输出。

高集成性与稳定的控制让N32G455系列足够适应目前大多数工业机器人驱动,最后看看这个系列的功耗。3.3V下待机状态3uA,正常工况下90uA/MHz的功耗也的确不高。据悉国民技术也正在推进M7内核产品,对于往后灵活性拓展性越来越高的协作机器人,M7内核的驱控芯片值得期待。

灵动微MM32

 

灵动微在国内ARM MCU的实力名列前茅,其产品在工业自动化中也有不少应用。这里选了灵动微两个系列。虽然我们这个系列探寻的机器人芯片都是尽可能找高性能高算力的主控芯片,但在这里还是将MM32SPIN222C拿出来说一下。MM32SPIN系列的MM32SPIN222C在工业机器人小型关节上应用的很广泛,虽然M0内核的MM32SPIN222C计算性能没法与M4和M7相比,但是对于目前这种智能化程度的工业机器人,其实并不需要多少太高的算力。


(图源:灵动微电子)

而MM32F3270则使用了高性能的Arm Cortex-M3为内核,最高工作频率可达120MHz。512KB 的Flash和128KB RAM足够满足基本需求。这个系列的I/O端口与外设也非常丰富,2 个I2C 接口、3个SPI接口、3个I2S接口和8个UART接口;3个12位ADC(1us转换时间)、2个12位DAC、2个比较器。

该系列为了增强控制能力,在通用定时器之外配置了2个高级定时器,由16位计数器、4 个捕获/比较通道以及三相互补PWM发生器组成,它们具有带死区插入的互补PWM输出。作为PWM发生器时,其调制能力覆盖0-100%。

MM32系列同样做了很多省电模式来尽可能降低功耗,可以在要求低功耗、短启动时间和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡。

小结

 

国产机器人主控芯片在“国产替代”的浪潮中以更低的价格和毫不逊色的性能逐渐取得了国内机器人厂商的青睐,下一期我们继续将目光对准国内厂商,看看在机器人应用上还有哪些不得不提的系列。