移動機(jī)器人的應(yīng)用場景日益增多，覆蓋工業(yè)自動化到服務(wù)型機(jī)器人等領(lǐng)域。保障移動機(jī)器人的操作安全可靠至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兂休d的任務(wù)更加復(fù)雜，且運(yùn)行環(huán)境不可控。

恩智浦新一代MCX系列微控制器助力應(yīng)對機(jī)器人安全挑戰(zhàn)。MCX MCU基于高性能Arm Cortex-M33內(nèi)核，具有先進(jìn)的錯誤檢測和糾正功能，非常適合開發(fā)開發(fā)對可靠性和安全性要求極高的移動機(jī)器人。

移動機(jī)器人常見的可靠性和安全問題

移動機(jī)器人搭載的電子系統(tǒng)允許機(jī)器人感知周圍環(huán)境、進(jìn)行智能決策，并精確控制自身的動作。然而，移動機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)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(dǎo)致機(jī)器人的內(nèi)存出現(xiàn)錯誤和損壞?？紤]到移動機(jī)器人預(yù)期使用壽命較長，確保電子組件長期的可靠性至關(guān)重要。

工業(yè)機(jī)械臂

移動機(jī)器人的內(nèi)存錯誤可能導(dǎo)致各種可靠性和安全性問題。機(jī)器人控制固件中的位翻轉(zhuǎn)也可能導(dǎo)致執(zhí)行錯誤的指令，進(jìn)而引發(fā)意外行為。傳感器數(shù)據(jù)損壞，可能導(dǎo)致解讀錯誤，讓機(jī)器人做出錯誤的決策。電機(jī)控制出錯可能會導(dǎo)致機(jī)器人進(jìn)行計劃之外的運(yùn)動，或者對機(jī)器人本身或其周圍環(huán)境造成損害。

在安全關(guān)鍵應(yīng)用中，例如在人類周圍工作的移動機(jī)器人，此類故障可能帶來嚴(yán)重的后果。為了確保移動機(jī)器人的操作安全可靠，必須采取嚴(yán)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(guān)鍵功能，可用于檢測和糾正內(nèi)存錯誤。MCX A內(nèi)置了高達(dá)128KB的閃存，具有糾錯碼 (ECC) 功能 (參見MCX A參考手冊，第4.5節(jié))。MCX N系列閃存最高達(dá)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(shù)。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(jìn)行比較，從而驗(yàn)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(jī)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(yīng)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(jìn)行單錯誤糾正和雙錯誤檢測 (參見SEC-DED——MCX A參考手冊，第9.1.2節(jié))。當(dāng)配置為ECC時，MCX N系列提供高達(dá)416KB的RAM，在VBAT模式下，其中的32KB RAM可以保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。該功能可保護(hù)關(guān)鍵的運(yùn)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(jìn)行診斷和預(yù)測性維護(hù)。

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(shí)現(xiàn)自我診斷。這種自檢功能允許開發(fā)人員進(jìn)行定期自檢，確保微控制器的可靠運(yùn)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(quán)限提供運(yùn)行時安全控制 (參見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(shù)提升機(jī)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(jī)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(jī)器人控制固件的完整性。這種完整性可防范機(jī)器人執(zhí)行可能引發(fā)非預(yù)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(jī)器人的安全運(yùn)行和可靠性至關(guān)重要。盡管雙比特錯誤無法被糾正，但其檢測機(jī)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(jī)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(hù)功能擴(kuò)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(dá)416KB的ECC RAM存儲空間。ECC RAM支持對運(yùn)行時數(shù)據(jù)進(jìn)行單比特糾錯和雙比特錯誤檢測。該功能可保護(hù)關(guān)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(dǎo)致機(jī)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(yùn)行時數(shù)據(jù)的完整性，MCX的SRAM ECC有助于確保機(jī)器人在態(tài)勢感知和決策制定過程中的精準(zhǔn)性和可靠性。MCX N還提供了高達(dá)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(guān)鍵信息的安全。

MBC通過采取內(nèi)存保護(hù)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(dǎo)致機(jī)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(jī)器人維護(hù)。它能夠記錄內(nèi)存錯誤事件，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器人可得到主動維護(hù)。

應(yīng)用場景示例

以在工業(yè)環(huán)境中工作的移動服務(wù)機(jī)器人為例。機(jī)器人必須自主導(dǎo)航，在執(zhí)行任務(wù)時避開障礙物和人。

移動服務(wù)機(jī)器人

然而，工業(yè)環(huán)境可能具有挑戰(zhàn)性，設(shè)備會產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。這些干擾隨時間累積，可能會在機(jī)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(jī)器人正確執(zhí)行其控制邏輯。面對更為嚴(yán)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(jī)器人能夠安全地進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。

在這些事件中，MCX的ERM將記錄發(fā)生的錯誤。維護(hù)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(hù)機(jī)器人，可以最大限度地減少停機(jī)時間，同時提高安全性。

MCUXpresso開發(fā)人員體驗(yàn)

恩智浦提供低成本的FRDM開發(fā)平臺，可使用MCX快速進(jìn)行原型設(shè)計。FRDM開發(fā)板具有標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用示例，可以使用應(yīng)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(shè)備、應(yīng)用技術(shù)或外設(shè)/功能進(jìn)行篩選。

擴(kuò)展板中心 (EBH) 是NXP SDK Builder網(wǎng)站的擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展板配對，以評估特定用例或應(yīng)用程序并進(jìn)行快速原型設(shè)計。

恩智浦賦能安全可靠的移動機(jī)器人

移動機(jī)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(guān)鍵。如果忽視這一點(diǎn)，復(fù)雜的操作環(huán)境所引發(fā)的內(nèi)存錯誤可能會導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)預(yù)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(yán)格要求的機(jī)器人。MCX系列不僅提供了ECC保護(hù)的閃存和SRAM，還包括了運(yùn)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(gòu)建了多重防護(hù)屏障。

對于致力于提升移動機(jī)器人可靠性和安全性的設(shè)計人員來說，恩智浦MCX值得考慮。恩智浦MCX具有先進(jìn)的架構(gòu)和全面的功能集，為開發(fā)可靠的自動機(jī)器人提供強(qiáng)大平臺。

本文作者

Altaf Hussain ，恩智浦半導(dǎo)體運(yùn)輸與移動細(xì)分市場市場總監(jiān)。Altaf在企業(yè)、服務(wù)提供商和工業(yè)應(yīng)用的應(yīng)用工程、產(chǎn)品營銷和業(yè)務(wù)開拓方面擁有30多年的經(jīng)驗(yàn)。他目前擔(dān)任恩智浦運(yùn)輸與移動部門的負(fù)責(zé)人，該部門專注于移動機(jī)器人、機(jī)器視覺和倉庫物流自動化領(lǐng)域。Altaf致力于制定系統(tǒng)解決方案，幫助客戶借助自主移動機(jī)器人加速自動化進(jìn)程。他擁有英國倫敦南岸大學(xué)的電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位。