使用單線對以太網推動人形機器人發展

人形機器人變得越來越復雜，也越來越精確，具有更高的自由度(DOF)和AI驅動的中央計算引擎，現在能夠在幾毫秒內評估、適應和響應周圍環境。設計這些先進的人形機器人需要一個通信系統，其可支持在眾多關節控件之間進行實時高帶寬數據傳輸，并且全部都在空間受限的輕量級框架內進行，在噪聲大的工業環境中也要保持可靠且穩健。TI單線對以太網(SPE)PHY可以解決這些難題并簡化系統架構，以實現人形機器人的無縫運動執行。

使用SPE實現更簡單的系統架構和更輕的重量

為了實現關節控件的高更新速率和高帶寬（高達1000Mbps），需要一種先進的實時控制系統架構。通過提供可促進多個系統組件之間的數據交換的單一高帶寬通信標準，基于以太網的系統簡化了架構。進一步使用 SPE (xBASE-T1) 技術（如圖 1 所示）和/或菊花鏈拓撲可以減小線束的整體尺寸，在更大程度地減輕機器人重量方面發揮著至關重要的作用（重量是人形機器人的一個重要因素，減輕重量可以提高機動性、能源效率和平衡性能）。

圖1 SPE接口

使用單線對以太網PHY推動機器人發展

TI 的 SPE PHY產品系列旨在與TI 的 100BASE-T1和1000BASE-T1 PHY實現封裝兼容。單板設計允許在未來 的開發中升級功能集或帶寬，而無需改動硬件。這種方法有助于加快開發周期并縮短上市時間，從而節省研發成本。 此外，TI SPE以太網PHY集成了一套先進功能，可進一步降低人形機器人設計的復雜性并提高系統性能。 精確的時間同步利用精確的時間同步，可以增強分布式人形機器人系統，實現關節之間無縫的確定性協調。TI 的 SPE PHY （1000BASE-T1 DP83TG721S-Q1 和 100BASE-T1 DP83TC817S-Q1）集成了IEEE 802.1AS，可在控制器和I/O節點之間實現精確的網絡范圍時間同步和單一時間參考。這使得開發人員能夠將時間戳處理從處理器卸載到PHY上，從而實現低至1-15ns的同步精度。

在SPE PHY中利用時間戳處理

集成IEEE 802.1AS的以太網PHY可以改善人形機器人子系統的實時決策和自適應行為。時間戳處理是在生成或接收數據或事件時使用精確的時間信息標記傳入和傳出數據或事件的過程。如圖 2 所示，時間戳處理可以在數據路徑上的多個位置實現：在以太網PHY的硬件中、在處理器中MAC IP的硬件中或在處理器的軟件中。TI的處理器和以太網PHY產品系列可支持全部3種類型的時間戳處理。時鐘數據的精度和抖動可能會在毫秒到納秒之間變化，具體取決于時間戳與電纜的接近程度。以太網PHY是最靠近電纜的元件，在其中進行的時間戳處理可以提高同步精度，因為它解決了數據通過PHY時可能會出現的不確定延遲問題。

圖2 可能的時間戳處理位置

GPIO事件捕獲或生成

精確的 GPIO 事件計時功能進一步改善了多個電機控制器之間的同步，并且有利于執行需要在子系統之間進行檢測和響應協調的任務。DP83TG721S-Q1和DP83TC817S-Q1都能夠在 PHY 硬件（而不是控制器）中創建時間戳和事件觸發器。以太網PHY不但可以使用集成的IEEE 802.1AS存儲一天中的時間，而且可以使用它以納秒級精度在其GPIO引腳上捕獲事件（圖3）或生成事件（圖4）。生成的事件可以采用模式形式（例如25MHz時鐘實現），也可以采用特定時間的脈沖形式。

圖3 使用TI PHY捕獲GPIO事件

圖4 使用TI PHY生成GPIO事件

兼具穩定性

克服EMI和EMC難題

人形機器人是一個空間受限的系統，其中包含多個電子元件、電機、傳動器和電力電子器件，所有這些都可能會產生干擾。因此，管理電磁兼容性(EMC)至關重要，因為電磁干擾(EMI)可能會破壞機器人內部的傳感器讀數和控制信號。TI的100BASE-T1和1000BASE-T1以太網PHY設計為符合OPEN Alliance EMI/EMC標準，可在汽車市場提供成熟的穩健性，現在，在機器人應用中至關重要。通過使用電隔離的穩健架構來應對噪聲（如圖 5 所示），使得TI器件能夠符合EMI/EMC的工業IEC和CISPR標準。有關更多詳細信息，請參閱單線對以太網的EMC/EMI合規性設計應用手冊。

圖5 電耦合概念

電纜診斷

在封閉的機器人系統中，由于接觸內部元件/組件受到限制，排除網絡故障可能是一項艱巨的任務。憑借可通過串行管理接口(SMI)訪問的以太網PHY的內置電纜診斷功能（如信號質量指示器(SQI)和時域反射計(TDR)，基于SPE的網絡可以更大限度地減少排除網絡問題和電纜故障所需的停機時間。

SQI通過評估信號強度、噪聲水平和傳輸錯誤來監控鏈路質量，以提供連接健康狀況的實時狀態。在人形機器人 等封閉系統中，SQI可以及早檢測信號衰減或不穩定情況，以便進行主動維護，或者確定網絡的哪個部分出現問題。任何給定時間的 SQI值都存儲在寄存器中，可通過簡單的計算與信噪比(SNR)相關聯。圖6顯示了SQI值隨噪聲的增加而增加的示例。

圖6 SQI示例

TDR 可識別整個電纜長度范圍內的故障（例如短路或開路），以及與 PHY 的距離。圖 7（Buntz和Daimler AG，2017）顯示了可使用TDR功能檢測到的不同類型的故障。這種診斷方法對于精確定位電纜中故障的確切位置非常有用。

圖7 電纜中可能出現的故障

如圖 8 所示，TDR的工作原理是向電纜中注入高能脈沖并測量反射信號（同相、異相或無脈沖）。當PHY之間沒有有效鏈路時，通常會運行TDR測試來查找根本原因。

圖8 TDR概念

在人形機器人中使用時，這些強大且高效的故障隔離工具可以提高整體系統可靠性并延長正常運行時間。

系統實現

TI 的應用特定MCU (ASM)（例如C2000系列和基于Arm的MCU產品系列）與多種實時以太網通信協議兼容，也可以用于標準以太網技術。此外，TI開發的SORTE協議可以實現4μs的周期時間，與基于Arm的MCU系列兼容，適用于需要更高吞吐量并實施SPE的應用。有關更多詳細信息，請參閱支持PRU-ICSS的簡單開放實時以太網(SORTE)器件 參考設計。設計功能安全型以太網PHY并與第三方合作認證MCU軟件棧，可確保滿足機器人系統內部的功能安全要求。

在人形機器人中，SPE用于點對點或菊花鏈配置，以連接用于在各種子系統之間協調運動的電機控制器。通常采用基于網關的架構來管理多個控制器和電機子系統。借助ASM + DP83TC812S-Q1(100BASE-T1 SPE PHY)評估模塊，TI展示了多節點實時系統如何實現60ns抖動性能，從而實現確定性且可預測的系統行為。有關測試設置的更多信息，請聯系TI。

圖9 特定于應用的MCU和100BASE-T1 SPE PHY評估模塊

總結

SPE技術在推動人形機器人發展方面發揮著變革性的作用，并通過解決受限空間中的高帶寬實時通信、精確的時間同步和 EMI/EMC噪聲穩健性等關鍵設計難題，為未來的可擴展性鋪平道路。通過集成IEEE 802.1AS和GPIO事件觸發器等功能，單對以太網可實現最準確的系統反應和響應。基于這些功能，TI 高度集成的MCU產品系列經過優化，可與TI以太網PHY驅動器無縫配合使用，提供兼容性并簡化系統開發，以滿足現代人形機器人的高性能需求。

（本文登于《EEPW》202505）