Дизајн штампане плоче за управљање роботом за рачунарство, И/О и DFM

Контролна плоча робота налази се на врху електронске хијерархије – рачунар који покреће апликативни софтвер, координира погоне мотора, очитава стање сензора и комуницира са спољним светом. Робот ради или отказује делимично на основу тога да ли дизајн контролне плоче правилно одређује време, рачунарски капацитет, комуникационе интерфејсе и инжењеринг поузданости. Ова страница се посебно бави дизајном и производњом штампаних плоча контролне плоче робота: како изгледају избори SoC и MCU на модерним платформама, које интерфејсе плоча мора да садржи и која производна разматрања се примењују при поузданој производњи плоче.

Издање контролне плоче треба да дефинише интерфејсе за комуникацију робота, заједно са прикључцима за напајање, сензоре и актуаторе. Нивои сигнала, изолација, конектори и договорено понашање у случају квара морају бити одражени у шеми, распореду и захтевима за тестирање.

Модерне контролне плоче за роботе комбинују MCU или SoC рачунарство са богатим скупом интерфејса, магистралама велике брзине са контролисаном импедансом, неиспарљивом меморијом и често уграђеним управљањем напајањем. Дизајн пресеца неколико дисциплина - уграђено рачунарство, контролу кретања, комуникацију, складиштење, напајање - од којих свака има своју праксу. Програми где је контролна плоча дизајнирана имајући све ово у виду испоручују поуздане производе; програми који третирају контролну плочу као генеричку уграђену платформу обично откривају празнине специфичне за роботику током интеграције или примене на терену.

Шта заправо ради контролна табла робота у роботском систему

Контролна плоча дефинише софтверски плафон робота

Рачунарство, меморија, складиштење, број интерфејса, заглавља за проширење и термички капацитет одређују шта софтверски тим може да испоручи током животног циклуса робота. Контролна плоча оптимизована само за захтеве првог издања често постаје уско грло када се прошире перцепција, евидентирање, дијагностика, повезивање или безбедносне функције.

Контролне плоче робота покрећу софтверске апликације високог нивоа робота, координирају периферне подсистеме и комуницирају са спољним системима. Оне се налазе на врху хијерархије управљања — шаљу команде моторним погонима, очитавају стање сензора, покрећу перцепцију и планирање и повезују се са спољним светом. Оно што разликује контролну плочу робота од других уграђених контролера је комбинација захтева које мора истовремено да обради:

• Координација у реалном времену: Контролна плоча издаје команде моторним погонима и очитава стање сензора брзинама петље које одређују квалитет кретања робота. Брзина петље од 100 Hz до 1 kHz типична за координацију кретања; веће брзине код захтевних апликација.
• Рачунарство на нивоу апликације: Планирање, перцепција, доношење одлука и кориснички интерфејс раде на истој плочи или на заједничкој рачунарској плочи. Рачунарско оптерећење се креће од скромних MCU оптерећења на једноставним роботима до пуних SoC оптерећења Linux класе на сложеним платформама.
• Комуникациони чвор: Контролна плоча обично садржи жичне и бежичне интерфејсе за екстерне системе, као што су Ethernet, USB, Wi-Fi, CAN и често специјализовани интерфејси за протоколе специфичне за роботе.
• Неиспарљиво складиштење: апликативни софтвер, подаци о калибрацији, конфигурација и логови сачувани на eMMC, SD или SSD картици у зависности од захтева за капацитет и поузданост.
• Управљање струјом: регулација напона на плочи за различите шине које су потребне SoC-у и периферним уређајима. Понекад контролна плоча такође управља координацијом буђења/спавања за подсистеме са нижом потрошњом енергије.

Контролна плоча је место где се апстрактне могућности робота сусрећу са његовом физичком имплементацијом. Апликативни софтвер се тамо покреће; стање сензора се тамо агрегира; команде кретања потичу одатле. Оно што контролна плоча може да подржи у време пројектовања одређује шта робот може да ради током свог животног века — контролна плоча са недовољним простором за рачунарство, меморију или интерфејсе ограничава софтверски тим кроз цео животни циклус производа. Програми који специфицирају контролну плочу са великим простором обично омогућавају проширење могућности; програми који прецизно специфицирају обично прерађују плочу средином животног циклуса како би додали могућности које оригинална плоча није предвидела.

Правилно подешавање контролне плоче је кључно за поуздан рад робота. Контролна плоча која пропушта временске рокове производи трзаве покрете; контролна плоча која периодично застоји производи непоуздано понашање које никакво подешавање периферних уређаја не може да поправи.

SoC, MCU и избор рачунара за контролне плоче робота

Изаберите рачунарску архитектуру узимајући у обзир латенцију, софтверски стек и век трајања напајања

Опције MCU, SoC, AI акцелератора, FPGA и уграђених x86 треба проценити на основу детерминистичког времена, подршке оперативног система, софтверског екосистема, буџета напајања, термалне облоге, доступности пакета и ризика животног циклуса. Најјефтинији процесор ретко је најјефтинији ако захтева поновно окретање плоче или компромисе у софтверу.

Избор SoC-а или MCU-а је највећа појединачна одлука о контролној плочи робота. Избор одређује рачунарске могућности, доступност периферних уређаја, потрошњу енергије, цену и дугорочно снабдевање. Главне категорије које се користе у роботици су:

• Cortex-M4/M7 микроконтролер: довољно за чисту координацију кретања и једноставне примене. Мала потрошња енергије, детерминистичко време, без оптерећења оперативног система. Уобичајено код индустријских и једноставних сервисних робота где је рачунарска потражња скромна.
• SoC класе Cortex-A: Покреће Linux или RTOS. Довољно за апликације средње сложености са скромном перцепцијом. Ethernet, USB, интерфејси за камеру су стандардни. Уобичајено на индустријским контролним платформама.
• SoC за акцелератор вештачке интелигенције: Интегрише CPU плус NPU или GPU. Рукује перцепцијом, фузијом сензора и израчунавањем на нивоу апликације. Уобичајено код хуманоидних, аутономних и премијум сервисних робота. Већа цена и термално оптерећење.
• x86 уграђени: Индустријски хардвер PC класе. Највећи рачунарски капацитет, најшира софтверска подршка, али виша цена и већи димензије плоче. Користи се тамо где постојећи софтверски стекови захтевају x86 или где то дозвољава термални буџет.
• ФПГА + микроконтролер: Специјална комбинација за обраду сигнала у реалном времену плус општу контролу. Користи се тамо где је детерминистичко време при великим брзинама важније од флексибилности софтвера.

Дугорочна залиха је главни фактор при избору рачунара који се ретко узима у обзир код потрошачке електронике. Роботу са веком трајања од 10 година потребно је да SoC или MCU остану доступни током тог периода, или барем током документоване стратегије куповине залиха „последњи пут“. SoC породице са дефинисаним дугорочним обавезама подршке (делови индустријског квалитета од главних добављача са обавезама доступности од 10-15 година) чувају могућност употребе; делови потрошачког квалитета са кратким животним циклусом касније стварају проблеме са одржавањем. Програми који процењују дугорочну подршку при избору SoC избегавају редизајне средином животног циклуса које делови са краћом залихом приморавају.

Избор зависи од примене. Прекомерно специфициранје SoC-а доноси додатне трошкове и термално оптерећење због могућности које апликација не користи; недовољно специфициранје оставља софтверски тим да се бори са временским ограничењима и ограничењима капацитета. Водич за анализу трошкова PCB-а робота покрива димензије трошкова избора.

Комуникациони интерфејси: Ethernet, USB, Wi-Fi, CAN, серијски, SPI, I²C

Планирање интерфејса треба да укључује време, уземљење и теренску услугу

Интерфејси Ethernet, USB, Wi-Fi, CAN, SPI, I²C, RS-485 и камере имају различите електричне и сервисне импликације. Локација конектора, ESD заштита, повратни пут, дужина кабла, заштита и дијагностика су подједнако важни као и навођење интерфејса на шеми.

Комуникациони интерфејси на контролној плочи робота обично укључују комбинацију екстерних и интерних магистрала. Екстерни интерфејси се повезују са мрежама, хост рачунарима и корисничким уређајима; интерни интерфејси се повезују са моторним погонима, сензорима и периферним плочама. Типичан скуп је:

• Етхернет: гигабитни стандард за платформе које захтевају много рачунарства; 100 Mbit на дизајнима осетљивим на цену. Често два порта: један спољни, један унутрашњи за периферне плоче.
• УСБ: портови хоста и уређаја за екстерну додатну опрему, сервисне интерфејсе, а понекад и периферне рачунаре. USB 3.x за апликације са великим бројем података.
• Ви-Фи и Блуетоотх: бежично повезивање за мобилне роботе и роботе за корисничке услуге. Сертификовани модули су пожељни због регулаторне ефикасности.
• МОЋИ: интерна комуникација са моторним погонима и периферним плочама. Робустан у електрично бучним окружењима; стандард на индустријским и аутомобилским платформама.
• RS-485 или RS-422: серијска комуникација са периферним плочама, понекад за подршку старијих сензора и актуатора.
• SPI и I²C: периферна комуникација на плочи са локалним сензорима и малим интегрисаним колима. Није за сигнале који се преносе каблом.

Избор између жичног и бежичног повезивања зависи од радног окружења робота. Индустријски роботи у фиксним инсталацијама обично користе Етернет као примарни екстерни интерфејс; мобилни роботи користе Wi-Fi или мобилну мрежу; роботи за услуге потрошачима користе оно што захтева корисничко искуство. Програми обично пружају и жично и бежично повезивање са истом плочом јер различити сценарији примене имају користи од различитих интерфејса. Трошкови додавања бежичног повезивања на плочу која већ има Етернет су скромни; предност флексибилности је значајна.

Периферни интерфејс: Погон мотора, сензор, безбедносни улаз/излаз, кориснички интерфејс

Периферни улази/излази треба да одвоје функције безбедности, кретања и практичности

Команде за погон мотора, улази енкодера, безбедносне блокаде, дугмад корисничког интерфејса и помоћни сензори не треба третирати као заменљиве У/И. Безбедносне путање и путање кретања захтевају детерминистичко понашање и дијагностичку покривеност; функције погодности могу толерисати већу апстракцију. Распоред штампане плоче и архитектура фирмвера треба да одражавају ту разлику.

Интерфејси ка моторним погонима, сензорима и безбедносним У/И дефинишу шта контролна плоча може да интегрише. Роботски програми често касно у развоју открију да периферна повезаност није била довољно планирана; усклађивањем скупа интерфејса са захтевима периферије у време пројектовања избегава се накнадно уграђивање. Главна разматрања су:

• Команда за погон мотора: CAN, EtherCAT или власнички серијски порт за сваки диск. Захтеви за брзину петље и латенцију одређују избор магистрале.
• Повратне информације енкодера: понекад директно на контролној плочи, понекад усмерено кроз моторне погоне. Брзина петље и захтеви за прецизност одређују избор.
• Очитавање сензора: аналогно очитавање за основне сензоре; дигитално очитавање за паметне сензоре. Сензорска интерфејсна плоча растерећује велики део овога на сложеним платформама.
• Безбедносни улаз/излаз: Заустављање у случају нужде, безбедносни улази са спољних уређаја. Двоканални тамо где то захтева безбедносна архитектура.
• Кориснички интерфејс: дугмад, индикатори и веза са екраном за локалну интеракцију корисника. Понекад интегрисано на контролној плочи, понекад на посебној корисничкој плочи.

Разлика између скупа интерфејса контролне плоче и скупа интерфејса периферних плоча је важна и за дизајн и за производњу. Контролна плоча садржи главне интерфејсе; периферне плоче конвертују те интерфејсе у оно што захтева њихова специфична функција. Ова партиција држи контролну плочу фокусираном на координацију и израчунавање, док истовремено омогућава периферним плочама да буду специјализоване за своје функције. Програми који се превише консолидују на контролној плочи обично завршавају са превише сложеном плочом коју је тешко редизајнирати; програми који се партиционишу производе плоче од којих свака има јасну одговорност.

Складиштење, покретање, ажурирање фирмвера и безбедно покретање

Стратегија ажурирања фирмвера утиче на захтеве хардвера ПЦБ-а

Безбедно покретање, складиштење две слике, режим опоравка, приступ за отклањање грешака, програмирање серијских бројева и складиштење калибрације захтевају одлуке о хардверу. Тимови који одлажу стратегију ажурирања до интеграције софтвера често открију да штампаној плочи недостаје складиште, пинови, приступ тестирању или секвенцирање напајања потребно за робусна ажурирања на терену.

Механика складиштења, покретања и ажурирања фирмвера утиче на одржавање робота током животног циклуса производа. Роботи који се испоручују без одговарајуће архитектуре складиштења суочавају се са проблемима ажурирања фирмвера током употребе. Главна разматрања су:

• еММЦ или СД: заједничко складиштење за SoC платформе Linux класе. eMMC интегрисан ради поузданости; SD се користи за дизајне осетљиве на цену са скромним захтевима за поузданошћу.
• Спољни SSD: већи капацитет и брзина. Уобичајено на аутономним платформама са великим бројем података где евидентирање и мапирање захтевају пропусност.
• Фирмвер са две слике: Две слике фирмвера са пребацивањем при неуспешном покретању. Стандардна пракса за роботе који се могу ажурирати на терену да би се спречило бриковање током ОТА ажурирања.
• Сигурно покретање: Криптографска верификација потписа фирмвера при покретању. Стандардно на регулисаним производима и све чешће на комерцијалним производима ради безбедности.
• Трајна конфигурација: Неиспарљива меморија за конфигурацију робота, калибрацију и податке по јединици. Стандардни EEPROM или резервисана флеш меморија.

Опоравак од неуспелих ажурирања фирмвера једно је од најмање инвестираних подручја у роботичкој електроници. Робот који се „брика“ током ОТА ажурирања постаје скуп сервисни позив. Флеш меморија са две слике и дефинисаним пребацивањем при покретању спречава ову класу квара уз скромне трошкове хардвера — друга флеш партиција и код за покретање за управљање избором слике. Програми који ово уграђују у дизајн од самог почетка штите од режима квара који би се иначе појавио током великих ОТА кампања.

Разматрања дизајна специфична за контролне плоче робота

Распоред контролне плоче мора да уравнотежи велику брзину, снагу и једноставност одржавања

Модерне контролне плоче комбинују DDR ​​меморију, брзе серијске интерфејсе, прекидачке регулаторе, бежичне модуле, сензоре, конекторе и приступ за отклањање грешака. Добар распоред одржава повратне путање кратким, одваја шумне шине од осетљивих сигнала, оставља приступачне тачке тестирања и подржава поправку или дијагностику када је робот у употреби.

Разматрања дизајна специфична за контролне плоче робота комбинују опште праксе уграђеног рачунарства са специфичним захтевима за роботе. Програми који прате обе категорије заједно производе поуздане плоче; програми који третирају роботе као опште уграђене системе не узимају у обзир специфичне проблеме везане за роботику. Кључна разматрања су:

• Секвенцирање напајања: SoC и периферне шине за напајање захтевају дефинисан редослед током укључивања и искључивања. Грешке у секвенцирању узрокују кварове покретања или закључавање система.
• Имунитет на електромагнетне сметње: Контролна плоча мора да одбије шум од суседних моторних погона и прекидача. Филтрирање, партиционисање распореда и заштита доприносе томе.
• Термички дизајн: Дисипација SoC-а мора достићи хлађење без прегревања. Причвршћивање хладњака или путања протока ваздуха пројектовани су уз електрични распоред.
• Приступ за отклањање грешака: JTAG, UART конзола или Ethernet приступ за дебаговање за развој и теренску услугу. Стандардне породице конектора у свим производима ради доследности.
• Откривање грешке: тајмер за чување, детектор пада струје и праћење исправности на самој контролној плочи. Плоча која покреће робота такође мора да детектује када је дошло до квара.

Програми који третирају контролну плочу као последњу дизајнирану плочу често пропуштају питања интеграције која би се раније лако могла решити. Скуп интерфејса контролне плоче ограничава шта друге плоче могу бити. Механичка величина контролне плоче ограничава где се она уклапа у робота. Термичко оптерећење контролне плоче ограничава дизајн хлађења. Прво пројектовање контролне плоче — или барем рано у циклусу пројектовања система — даје осталим плочама стабилан циљ интерфејса и спречава редизајнирање у каснијим фазама.

Захтеви за производњу, програмирање и тестирање контролне плоче робота

Производња треба да провери покретање, комуникацију и програмирани идентитет

Тест контролне плоче није завршен када лемљени спојеви изгледају исправно. Производња треба да провери напајање, редослед покретања, приступ меморији, верзију фирмвера, јединствени идентитет, главне интерфејсе и било какву калибрацију на нивоу плоче. То ствара поверење да је контролна плоча спремна за системску интеграцију.

Производња контролних плоча робота одговара захтевној рачунарској комбинацији коју носе. Фино-наставак BGA расветљавања, HDI конструкција, контролисана импеданса на меморијским и комуникационим интерфејсима и програмирање фирмвера приликом склапања, све се то појављује у производњи контролних плоча. Highleap могућности за производњу контролних плоча укључују:

• ХДИ конструкција: вишеслојни са микропрелазним отворима где је потребно BGA распршивање. Могућност 1-N-1 кроз било који слој. Обрађено на страници са водичем за пројектовање HDI штампаних плоча за роботику.
• Контролисана импеданса: ±10% стандардно, строже на захтев. Верификација импедансе по лоту у производњи.
• Фино-набојна SMT: Подржани су BGA чипови од 0.4 mm и пасивни чипови од 01005. Процесна дисциплина укључује SPI, AOI и рендгенску инспекцију.
• Програмирање фирмвера: Учитавање корисничког фирмвера при склапању. Подршка за серијски број по јединици и податке о калибрацији.
• Функционални тест: са фирмвером и причвршћивачем које обезбеђује купац. Покривеност тестовима специфична за плочу усклађена са дизајном.
• Следљивост: подаци о испитивању по јединици и евиденција о серијама компоненти који подржавају подношење захтева купаца за сертификацију.

Производња контролних плоча у компанији Highleap покрива технолошку комбинацију коју користе модерне контролне плоче за роботе: HDI конструкција за BGA распршивање, контролисана импеданса за меморијске и комуникационе интерфејсе, SoC равни напајања за рачунарство и SMT са финим кораком корака за мале пасивне елементе којих се стотине налазе на модерним контролним плочама. Програмирање фирмвера при склапању са подршком за податке о калибрацији по јединици одржава производну линију као природну тачку интеграције за прилагођавање на нивоу јединице.

Честа питања о штампаним плочама за управљање роботом

Шта је ПЦБ плоча за управљање роботом?

ПЦБ контролне плоче робота је главна електронска плоча која покреће апликативни софтвер, координира погоне мотора, очитава сензоре, управља комуникацијом, чува конфигурацију и надгледа понашање система.

Да ли би контролна плоча робота требало да користи микроконтролер или системски чип?

Користите микроконтролер (MCU) када су довољни детерминистичко управљање, мала потрошња енергије и једноставнији софтвер. Користите систем на чипу (SoC) када је роботу потребан софтвер Linux класе, перцепција, умрежавање, кориснички интерфејс, евидентирање података или виши рачунарски капацитет. Неки роботи користе оба: микроконтролер за управљање у реалном времену и SoC за обраду апликација.

Који су интерфејси уобичајени на контролним таблама робота?

Уобичајени интерфејси укључују Ethernet, USB, Wi-Fi, Bluetooth, CAN, RS-485, SPI, I²C, UART, MIPI камеру, LVDS, GPIO, улазе за енкодер, безбедносне I/O, портове за дебаговање и заглавље за проширење. Тачна комбинација зависи од архитектуре робота.

Зашто је контролним плочама робота потребна контролисана импеданса?

Контролисана импеданса је потребна за брзу меморију, Ethernet, USB, PCIe, везе камера, LVDS и друге брзе интерфејсе. Она држи рефлексије сигнала и грешке у времену у границама и требало би да буде наведена за сваки интерфејс понаособ.

Које су уобичајене грешке у распореду контролне плоче робота?

Уобичајене грешке укључују лоше повратне путање, мешано уземљење са буком и осетљивим уземљењем, недовољно планирање равни напајања, неприступачне тачке за дебаговање, слабу заштиту од електростатичног стања (ESD), положај конектора који је у сукобу са кабловима и неадекватне термичке путање за SoC или регулаторе напајања.

Како треба да се програмира фирмвер током PCBA?

Програмирање фирмвера треба да укључује исправну слику, запис верзије, верификацију програмирања, јединствени серијски број или MAC адресу где је потребно, снимање података о калибрацији и метод опоравка ако програмирање не успе.

Да ли је потребно безбедно покретање контролних плоча робота?

Безбедно покретање је вредно када је робот умрежен, релевантан за безбедност, ажуриран на терену или комерцијално примењен. Помаже у спречавању покретања неовлашћеног фирмвера, али захтева компатибилан хардвер, управљање кључевима и планирани процес ажурирања.

Који су тестови важни за производњу контролних плоча робота?

Важни тестови укључују верификацију напајања, тест покретања система, тест меморије, верификацију фирмвера, провере комуникационог интерфејса, записе програма, инспекцију интерфејса осетљивог на електростатични струјни пражњење и функционалне тестове са репрезентативним периферним уређајима.