【導讀】移動機器人的應用場景日益增多，覆蓋工業(yè)自動化到服務型機器人等領域。保障移動機器人的操作安全可靠至關重要，因為它們承載的任務更加復雜，且運行環(huán)境不可控。
移動機器人的應用場景日益增多，覆蓋工業(yè)自動化到服務型機器人等領域。保障移動機器人的操作安全可靠至關重要，因為它們承載的任務更加復雜，且運行環(huán)境不可控。
恩智浦新一代MCX系列微控制器助力應對機器人安全挑戰(zhàn)。MCX MCU基于高性能Arm?Cortex?-M33內(nèi)核，具有先進的錯誤檢測和糾正功能，非常適合開發(fā)對可靠性和安全性要求極高的移動機器人。
移動機器人常見的可靠性和安全問題
移動機器人搭載的電子系統(tǒng)允許機器人感知周圍環(huán)境、進行智能決策，并精確控制自身的動作。然而，移動機器人在執(zhí)行任務時可能會面臨極端溫度、振動和電磁干擾等多種挑戰(zhàn)，隨著時間的推移，這些壓力源會導致機器人的內(nèi)存出現(xiàn)錯誤和損壞?？紤]到移動機器人預期使用壽命較長，確保電子組件長期的可靠性至關重要。
工業(yè)機械臂
移動機器人的內(nèi)存錯誤可能導致各種可靠性和安全性問題。機器人控制固件中的位翻轉(zhuǎn)也可能導致執(zhí)行錯誤的指令，進而引發(fā)意外行為。傳感器數(shù)據(jù)損壞，可能導致解讀錯誤，讓機器人做出錯誤的決策。電機控制出錯可能會導致機器人進行計劃之外的運動，或者對機器人本身或其周圍環(huán)境造成損害。
在安全關鍵應用中，例如在人類周圍工作的移動機器人，此類故障可能帶來嚴重的后果。為了確保移動機器人的操作安全可靠，必須采取嚴密措施規(guī)避內(nèi)存錯誤。
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MCX面向閃存和RAM的糾錯功能
恩智浦MCX A系列微控制器包含幾個關鍵功能，可用于檢測和糾正內(nèi)存錯誤。MCX A內(nèi)置了高達128KB的閃存，具有糾錯碼(ECC)功能(MCX A參考手冊，第4.5節(jié))。MCX N系列閃存最高達2MB，帶有ECC功能。閃存的每個128位字包含額外的9位ECC數(shù)據(jù)。
ECC是指在每個數(shù)據(jù)字旁邊存儲額外冗余位的技術。每次數(shù)據(jù)讀取時，額外冗余位將重新生成ECC位，并與原先存儲的ECC進行比較，從而驗證數(shù)據(jù)的完整性。如果重新生成的ECC位與存儲的ECC位不匹配，則意味著存在錯誤，ECC能夠糾正該錯誤。單個比特出錯時，ECC能確定具體的出錯比特。但出現(xiàn)雙比特錯誤時，ECC只能檢測，不能糾正。
移動機器人示例
如果微控制器檢測到ECC錯誤，則系統(tǒng)控制器(SYSCON)模塊會生成總線故障或使用中斷來處理該錯誤。靈活的故障處理能力允許開發(fā)人員根據(jù)自己的具體應用自定義處理方式。
MCX A還提供32KB的片上SRAM，其中有一個8KB的塊(RAMA0)具有ECC功能，能夠進行單錯誤糾正和雙錯誤檢測(SEC-DED——MCX A參考手冊，第9.1.2節(jié))。當配置為ECC時，MCX N系列提供高達416KB的RAM，在VBAT模式下，其中的32KB RAM可以保持數(shù)據(jù)不丟失。該功能可保護關鍵的運行時數(shù)據(jù)，如傳感器輸入和算法狀態(tài)變量。微控制器中部署了一個錯誤報告模塊(ERM)，可提供全面的錯誤報告和控制功能。ERM從ECC邏輯捕獲并記錄錯誤事件，為監(jiān)測內(nèi)存子系統(tǒng)的健康狀況提供清晰的視圖。開發(fā)人員可以利用錯誤信息進行診斷和預測性維護。
錯誤注入模塊(EIM)在讀取具有ECC功能的RAM時具有注入錯誤的能力，可實現(xiàn)自我診斷。這種自檢功能允許開發(fā)人員進行定期自檢，確保微控制器的可靠運行。
除了ECC之外，MCX A系列還包括一個內(nèi)存塊檢查器(MBC)，為不同內(nèi)存區(qū)域的讀、寫和執(zhí)行權限提供運行時安全控制(MCX A參考手冊，第45.1節(jié))。通過定義內(nèi)存訪問策略，MBC可以防止非法的內(nèi)存訪問。
MCX糾錯技術如何提升機器人的可靠性
MCX的多種糾錯功能相互配合，共同提升移動機器人的可靠性與安全性。通過自動糾正閃存中的單比特錯誤，MCX能夠保持機器人控制固件的完整性。這種完整性可防范機器人執(zhí)行可能引發(fā)非預期行為的錯誤控制邏輯。
此外，MCX還具備檢測雙比特錯誤的能力，這一功能對于機器人的安全運行和可靠性至關重要。盡管雙比特錯誤無法被糾正，但其檢測機制有助于防止使用可能損壞的指令或數(shù)據(jù)。一旦發(fā)現(xiàn)雙比特錯誤，機器人便能夠平穩(wěn)過渡到安全狀態(tài)，有效避免可能的危險或故障。
MCX的ECC將其內(nèi)存保護功能擴展到閃存以外的SRAM。MCX A的8KB RAMA0 SRAM塊集成了ECC功能，而MCX N可以將RAMG和RAMH存儲塊重新用于ECC校正，提供高達416KB的ECC RAM存儲空間。ECC RAM支持對運行時數(shù)據(jù)進行單比特糾錯和雙比特錯誤檢測。該功能可保護關鍵數(shù)據(jù)，如傳感器讀數(shù)、控制輸出和中間算法變量，免受可能導致機器人感知、規(guī)劃和控制邏輯不一致的單比特錯誤。通過保持這些運行時數(shù)據(jù)的完整性，MCX的SRAM ECC有助于確保機器人在態(tài)勢感知和決策制定過程中的精準性和可靠性。MCX N還提供了高達32KB的ECC RAM，在VBAT模式下可保留數(shù)據(jù)，即便在低功耗狀態(tài)亦能確保關鍵信息的安全。
MBC通過采取內(nèi)存保護策略提供額外的安全層。它可以阻止非法的內(nèi)存訪問，有助于抑制可能的故障發(fā)生，并防止因故障導致機器人的行為不受控制。
最后，ERM支持基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器人維護。它能夠記錄內(nèi)存錯誤事件，實現(xiàn)機器人電子組件的健康狀態(tài)監(jiān)測。糾正錯誤的頻率增加可能表明即將發(fā)生故障，機器人可得到主動維護。
應用場景示例
以在工業(yè)環(huán)境中工作的移動服務機器人為例。機器人必須自主導航，在執(zhí)行任務時避開障礙物和人。
擴展板移動服務機器人
然而，工業(yè)環(huán)境可能具有挑戰(zhàn)性，設備會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。這些干擾隨時間累積，可能會在機器人的內(nèi)存中引發(fā)比特錯誤。
MCX的ECC將檢測并糾正由EMI引起的任何單比特錯誤，確保機器人正確執(zhí)行其控制邏輯。面對更為嚴重的雙比特錯誤，MCX也能夠及時發(fā)現(xiàn)并阻止使用受損的數(shù)據(jù)，從而使機器人能夠安全地進入關斷狀態(tài)。
在這些事件中，MCX的ERM將記錄發(fā)生的錯誤。維護人員可以監(jiān)測ERM日志，觀察任何潛在故障的跡象。通過主動維護機器人，可以最大限度地減少停機時間，同時提高安全性。
MCUXpresso Developer Experience (MCUXpresso開發(fā)人員體驗)
恩智浦提供了低成本的FRDM開發(fā)平臺，可使用MCX快速進行原型設計。FRDM開發(fā)板具有標準規(guī)格和接頭，便于連接MCU的輸入/輸出端口，并內(nèi)置了MCU-Link調(diào)試器，帶有USB-C線纜。
恩智浦的GitHub 還允許訪問應用示例，可以使用應用代碼中心門戶 (ACH)訪問這些示例。MCUXpresso IDE和MCUXpresso for VS Code內(nèi)置了ACH瀏覽功能，開發(fā)人員可以輕松搜索可用的演示和示例，并在直接加載項目使用之前按設備、應用技術或外設/功能進行篩選。
擴展板中心 (EBH)是NXP SDK Builder網(wǎng)站的擴展，開發(fā)人員可以在其中找到恩智浦及其合作伙伴提供的一系列附加板，以擴展所選評估板的功能。 該中心提供直觀的篩選功能，可快速查找板卡和可用的支持軟件。開發(fā)人員可以將他們的板與不同類型的擴展板配對，以評估特定用例或應用程序并進行快速原型設計。
恩智浦賦能安全可靠的移動機器人
移動機器人自動化程度日益提高，確保其操作的可靠性和安全性變得尤為關鍵。如果忽視這一點，復雜的操作環(huán)境所引發(fā)的內(nèi)存錯誤可能會導致機器人出現(xiàn)預期外的行為。
恩智浦的MCX系列微控制器具有糾錯功能，可滿足對可靠性有著嚴格要求的機器人。MCX系列不僅提供了ECC保護的閃存和SRAM，還包括了運行時內(nèi)存訪問控制和錯誤事件的日志記錄，為內(nèi)存錯誤構建了多重防護屏障。
對于致力于提升移動機器人可靠性和安全性的設計人員來說，恩智浦MCX值得考慮。恩智浦MCX具有先進的架構和全面的功能集，為開發(fā)可靠的自動機器人提供強大平臺。
（來源：恩智浦半導體，作者：Altaf Hussain，運輸與移動細分市場市場總監(jiān)）
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