自主設(shè)備的出現(xiàn)可能是本十年最令人期待的發(fā)展之一。它主要是以車(chē)輛的形式進(jìn)行探索，可以展示某種程度的自動(dòng)駕駛;市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了可以與有限駕駛員協(xié)助并行停放的汽車(chē)，而谷歌的自動(dòng)駕駛汽車(chē)項(xiàng)目在美國(guó)累積了超過(guò)150萬(wàn)自治里程。

然而，自主設(shè)備有多種形狀。希思羅機(jī)場(chǎng)的5號(hào)航站樓停車(chē)場(chǎng)“吊艙”是自動(dòng)駕駛車(chē)輛，可以將乘客從他們的汽車(chē)運(yùn)送到候機(jī)室，盡管在規(guī)定的路徑上行駛并且沒(méi)有其他道路使用者的阻礙。現(xiàn)在世界上有許多無(wú)人駕駛輕軌的例子。除了大規(guī)模運(yùn)輸之外，無(wú)人機(jī)變得更加自主，需要從操作員那里直接輸入更少的東西來(lái)懸停，改變高度或方向;這里的潛在趨勢(shì)是無(wú)人機(jī)變得完全自主，將貨物從A點(diǎn)運(yùn)輸?shù)紹點(diǎn)而沒(méi)有任何直接的人為控制。

實(shí)現(xiàn)這種自治水平的大部分技術(shù)仍在開(kāi)發(fā)中，這項(xiàng)法規(guī)將允許其大規(guī)模推廣。

沒(méi)什么新東西？

在很多方面，嵌入式設(shè)備總是自動(dòng)運(yùn)行;不同的是，他們也基本上是靜止的。然而，用于開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序，特別是嵌入式軟件的實(shí)踐反映了嵌入式設(shè)備的性質(zhì)。它們（通常）存在以執(zhí)行特定功能并且具有可預(yù)測(cè)的條件，在這些條件下它們必須具有可清楚識(shí)別的刺激。開(kāi)發(fā)高質(zhì)量嵌入式應(yīng)用程序的“藝術(shù)”是設(shè)備處理不可識(shí)別的刺激或不可預(yù)測(cè)的條件的方式。

在大多數(shù)情況下，軟件將包含一種強(qiáng)有力的邏輯方式來(lái)有效地忽略所有那些不直接影響其主要功能的條件。如果設(shè)備是打印機(jī)那就沒(méi)關(guān)系，如果設(shè)備能夠按照自己的意愿移動(dòng)，那就不太好了。正是這一關(guān)鍵差異定義了開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)自主設(shè)備時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)。忽略與主要功能無(wú)關(guān)的條件或刺激是不可接受的，因?yàn)橹饕δ軐o(wú)法在不可預(yù)測(cè)性是主要輸入的世界中可靠和安全地導(dǎo)航。

美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）使用五個(gè)級(jí)別的自動(dòng)化，明確區(qū)分駕駛員輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。在0級(jí)操作的系統(tǒng)沒(méi)有表現(xiàn)出汽車(chē)（轉(zhuǎn)向，制動(dòng)，加速器）的主要安全功能的自動(dòng)化，因此包括當(dāng)今的大多數(shù)駕駛員輔助系統(tǒng)，例如車(chē)道偏離或碰撞檢測(cè)警告。這些定義最終達(dá)到了第4級(jí)：完全自動(dòng)駕駛自動(dòng)化，其中包括無(wú)人駕駛車(chē)輛。

當(dāng)然，相同的定義不一定適用于不打算運(yùn)送人員的自主設(shè)備;但是在開(kāi)發(fā)能夠?qū)ο到y(tǒng)未必先前描述的條件做出適當(dāng)反應(yīng)的系統(tǒng)方面存在同樣的挑戰(zhàn)。

處理范例

政府和行業(yè)充分意識(shí)到自主設(shè)備的潛力。在英國(guó)，機(jī)器人和自治系統(tǒng)（RAS）特別興趣小組（RAS-SIG）成立于2013年，目的是了解RAS在英國(guó)的景觀和機(jī)遇。它已經(jīng)確定了很多，包括RAS工具：能夠在與環(huán)境和人員互動(dòng)的同時(shí)移動(dòng)自己和其他東西，并規(guī)劃他們的動(dòng)作和行動(dòng)的工具。

這樣的系統(tǒng)將更加“可預(yù)測(cè)”運(yùn)行'環(huán)境比其他形式的自動(dòng)駕駛汽車(chē)，旨在移動(dòng)城市和農(nóng)村地區(qū)的貨物和乘客。在這種情況下，設(shè)備需要的不僅僅是前視雷達(dá)，以避免碰撞;他們將依靠系統(tǒng)的方法來(lái)連接自動(dòng)道路車(chē)輛，使他們能夠共享信息，甚至相互學(xué)習(xí)。新興的車(chē)輛到車(chē)輛（V2V）和車(chē)輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2X）通信系統(tǒng)旨在提供這種級(jí)別的連接，這是在任何駕駛條件下保持所有道路使用者安全所必需的。

收集和處理此級(jí)別信息所需的智能已經(jīng)可用，并且可以在多核設(shè)備和片上系統(tǒng)（SoC）中找到。其中一些設(shè)備專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)市場(chǎng)和ADAS（高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)），但更多設(shè)備用于更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

這些設(shè)備將高吞吐量數(shù)據(jù)處理能力與實(shí)際相結(jié)合單個(gè)設(shè)備中的時(shí)間控制功能。多個(gè)處理內(nèi)核的緊密集成允許子系統(tǒng)之間更快的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)獨(dú)立工作以保持安全性和安全性要求。通常，這些設(shè)備還將集成專(zhuān)用于特定應(yīng)用的外圍設(shè)備，例如傳感器接口。當(dāng)然，傳感器將在自主設(shè)備中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并將包括攝像機(jī)以及其他類(lèi)型的傳感器技術(shù)，例如紅外線和各種形式的光傳感器，用于檢測(cè)路徑，障礙物和接近度。超聲波和雷達(dá)也正在開(kāi)發(fā)時(shí)考慮到自主設(shè)備。

多核有意義

像VF6xx（恩智浦Vybrid系列的一部分）這樣的異構(gòu)多核設(shè)備結(jié)合了不同但互補(bǔ)的處理子系統(tǒng)，以及模擬和數(shù)字外設(shè)，使其適用于許多應(yīng)用。對(duì)于VF6xx，有兩個(gè)內(nèi)核：具有DSP功能的ARM?Cortex?-M4和ARM Cortex-A5。雖然能夠使用網(wǎng)絡(luò)互連（NIC）系統(tǒng)（構(gòu)成Vybrid系列中設(shè)備的“主干”）來(lái)交換數(shù)據(jù)，但這兩個(gè)內(nèi)核旨在獨(dú)立運(yùn)行，并在必要時(shí)運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)。圖1顯示了VF6xx的框圖。

圖1：恩智浦的Vybrid VF6xx具有兩個(gè)ARM內(nèi)核，可提供實(shí)時(shí)控制和高水平的數(shù)據(jù)處理

例如，Cortex-A5內(nèi)核可以執(zhí)行Linux發(fā)行版和應(yīng)用程序代碼，而Cortex-M4內(nèi)核可以運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。雖然不是專(zhuān)為自主設(shè)備開(kāi)發(fā)的，但是在單個(gè)設(shè)備中的這種分離水平可用于在必須處理來(lái)自多個(gè)源的大量數(shù)據(jù)的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)低成本，高效的控制系統(tǒng)，同時(shí)保持實(shí)時(shí)控制電機(jī)和執(zhí)行器。

延遲是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要因素，因此需要RTOS。由于所有數(shù)據(jù)傳輸必須通過(guò)VF6xx中的NIC，因此它旨在最大程度地減少延遲。它還維護(hù)總線主控器（內(nèi)核和DMA）與從器件（外設(shè)和存儲(chǔ)器）之間的關(guān)系。主設(shè)備和從設(shè)備之間的任何數(shù)據(jù)傳輸都會(huì)產(chǎn)生延遲，因此系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)是設(shè)計(jì)基于多核SoC的系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。

雖然VF6xx具有多個(gè)內(nèi)存，可以通過(guò)NIC訪問(wèn)兩個(gè)內(nèi)核，Cortex-M4還有自己的緊耦合存儲(chǔ)器（TCM），這是一個(gè)使用本地存儲(chǔ)器控制器直接連接到核心的標(biāo)準(zhǔn)SRAM。因此，內(nèi)核可以在一個(gè)周期內(nèi)訪問(wèn)TCM，使其成為實(shí)時(shí)控制的理想選擇。

高分辨率控制

多核設(shè)備現(xiàn)在可用于各種應(yīng)用程序，通常需要將連接性與精確和自適應(yīng)控制相結(jié)合。這是德州儀器公司的Concerto系列目前定位的地方，盡管可以想象它可以用于自動(dòng)設(shè)備。

它采用了與TI自己的C28x浮點(diǎn)內(nèi)核集成的ARM Cortex-M3內(nèi)核;與TI的Piccolo?和Delfino?系列相同的核心。 ARM內(nèi)核旨在提供通信子系統(tǒng)，而C28x內(nèi)核則涵蓋實(shí)時(shí)控制。

該架構(gòu)具有許多可由任一內(nèi)核訪問(wèn)的模擬外設(shè)。其中包括兩個(gè)12位ADC和六個(gè)10位DAC模塊（每個(gè)模塊都包含一個(gè)比較器）。

處理器間通信外圍設(shè)備（IPC）為兩個(gè)內(nèi)核提供交換數(shù)據(jù)和同步程序執(zhí)行的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。交換通過(guò)寄存器和軟件中的簡(jiǎn)單握手進(jìn)行控制。提供外部外設(shè)接口（EPI），也可由兩個(gè)內(nèi)核訪問(wèn)，允許高速并行總線與外部外設(shè)和存儲(chǔ)器連接。 EPI的靈活性意味著它可以使用標(biāo)準(zhǔn)控制協(xié)議以及FPGA和CPLD與大多數(shù)類(lèi)型的外設(shè)接口。

自主設(shè)備的一個(gè)主要特點(diǎn)是它們的移動(dòng)能力，這很有可能使用無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCs）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和“重載”，以及步進(jìn)電機(jī)，可以在操作較小的物品時(shí)精確控制“手臂”和“手指”。現(xiàn)在通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）來(lái)控制BLDC的默認(rèn)方法。 Concerto F28M35x具有9個(gè)PWM模塊;其中八個(gè)是高分辨率。

反饋是控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素，在自主設(shè)備中同樣重要。 Concerto解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一是通過(guò)增強(qiáng)型正交編碼脈沖模塊或eQEP。這旨在直接連接到線性或旋轉(zhuǎn)編碼器，以收集位置，方向和速度數(shù)據(jù)。圖2顯示了旋轉(zhuǎn)編碼器的典型實(shí)現(xiàn)以及eQEP模塊檢測(cè)到的結(jié)果波形。

圖2：德州儀器的Concerto系列將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3與其自己的C28xx內(nèi)核結(jié)合在一起，提供適用于各種控制的多核處理器應(yīng)用程序。

結(jié)論

自主設(shè)備，包括無(wú)人駕駛飛行器，下一代“智能工具”，當(dāng)然還有車(chē)輛，預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年內(nèi)變得更加普遍到了我們都熟悉他們?cè)诖蠖鄶?shù)人的生活中的存在。在開(kāi)發(fā)任何類(lèi)型的自主設(shè)備時(shí)，安全是一個(gè)主要考慮因素，國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將繼續(xù)發(fā)展以解決這個(gè)問(wèn)題。今天針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的所有高度集成的處理器將能夠滿(mǎn)足當(dāng)今的安全要求，并使它們處于成為自治時(shí)代先鋒的絕佳位置。

盡管炒作，自主設(shè)備市場(chǎng)目前仍處于起步階段，因此半導(dǎo)體制造商需要一些時(shí)間才能有足夠的信心和市場(chǎng)洞察力來(lái)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用設(shè)備來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。與此同時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以依賴(lài)本文中描述的異構(gòu)多核設(shè)備。