如何借助恩智浦MCX系列MCU糾錯(cuò)功能，打造可靠安全的移動(dòng)機(jī)器人？

移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景日益增多，覆蓋工業(yè)自動(dòng)化到服務(wù)型機(jī)器人等領(lǐng)域。保障移動(dòng)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(duì)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(cuò)誤檢測(cè)和糾正功能，非常適合開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)對(duì)可靠性和安全性要求極高的移動(dòng)機(jī)器人。

移動(dòng)機(jī)器人常見(jiàn)的可靠性和安全問(wèn)題

移動(dòng)機(jī)器人搭載的電子系統(tǒng)允許機(jī)器人感知周?chē)h(huán)境、進(jìn)行智能決策，并精確控制自身的動(dòng)作。然而，移動(dòng)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)可能會(huì)面臨極端溫度、振動(dòng)和電磁干擾等多種挑戰(zhàn)，隨著時(shí)間的推移，這些壓力源會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的內(nèi)存出現(xiàn)錯(cuò)誤和損壞。考慮到移動(dòng)機(jī)器人預(yù)期使用壽命較長(zhǎng)，確保電子組件長(zhǎng)期的可靠性至關(guān)重要。

工業(yè)機(jī)械臂

移動(dòng)機(jī)器人的內(nèi)存錯(cuò)誤可能導(dǎo)致各種可靠性和安全性問(wèn)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(cuò)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(cuò)誤，讓機(jī)器人做出錯(cuò)誤的決策。電機(jī)控制出錯(cuò)可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人進(jìn)行計(jì)劃之外的運(yùn)動(dòng)，或者對(duì)機(jī)器人本身或其周?chē)h(huán)境造成損害。

在安全關(guān)鍵應(yīng)用中，例如在人類(lèi)周?chē)ぷ鞯囊苿?dòng)機(jī)器人，此類(lèi)故障可能帶來(lái)嚴(yán)重的后果。為了確保移動(dòng)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(cuò)誤。

利用邊緣處理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策并增強(qiáng)自主性。了解恩智浦移動(dòng)機(jī)器人解決方案，點(diǎn)擊這里>>

MCX面向閃存和RAM的糾錯(cuò)功能

恩智浦MCX A系列微控制器包含幾個(gè)關(guān)鍵功能，可用于檢測(cè)和糾正內(nèi)存錯(cuò)誤。MCX A內(nèi)置了高達(dá)128KB的閃存，具有糾錯(cuò)碼 (ECC) 功能 (參見(jiàn)MCX A參考手冊(cè)，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(gè)128位字包含額外的9位ECC數(shù)據(jù)。

ECC是指在每個(gè)數(shù)據(jù)字旁邊存儲(chǔ)額外冗余位的技術(shù)。每次數(shù)據(jù)讀取時(shí)，額外冗余位將重新生成ECC位，并與原先存儲(chǔ)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(chǔ)的ECC位不匹配，則意味著存在錯(cuò)誤，ECC能夠糾正該錯(cuò)誤。單個(gè)比特出錯(cuò)時(shí)，ECC能確定具體的出錯(cuò)比特。但出現(xiàn)雙比特錯(cuò)誤時(shí)，ECC只能檢測(cè)，不能糾正。

移動(dòng)機(jī)器人示例

如果微控制器檢測(cè)到ECC錯(cuò)誤，則系統(tǒng)控制器 (SYSCON) 模塊會(huì)生成總線(xiàn)故障或使用中斷來(lái)處理該錯(cuò)誤。靈活的故障處理能力允許開(kāi)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(gè)8KB的塊 (RAMA0) 具有ECC功能，能夠進(jìn)行單錯(cuò)誤糾正和雙錯(cuò)誤檢測(cè) (參見(jiàn)SEC-DED——MCX A參考手冊(cè)，第9.1.2節(jié))。當(dāng)配置為ECC時(shí)，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(shí)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(gè)錯(cuò)誤報(bào)告模塊 (ERM)，可提供全面的錯(cuò)誤報(bào)告和控制功能。ERM從ECC邏輯捕獲并記錄錯(cuò)誤事件，為監(jiān)測(cè)內(nèi)存子系統(tǒng)的健康狀況提供清晰的視圖。開(kāi)發(fā)人員可以利用錯(cuò)誤信息進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

錯(cuò)誤注入模塊 (EIM) 在讀取具有ECC功能的RAM時(shí)具有注入錯(cuò)誤的能力，可實(shí)現(xiàn)自我診斷。這種自檢功能允許開(kāi)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(gè)內(nèi)存塊檢查器 (MBC)，為不同內(nèi)存區(qū)域的讀、寫(xiě)和執(zhí)行權(quán)限提供運(yùn)行時(shí)安全控制 (參見(jiàn)MCX A參考手冊(cè)，第45.1節(jié))。通過(guò)定義內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)策略，MBC可以防止非法的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)。

MCX糾錯(cuò)技術(shù)提升機(jī)器人的可靠性

MCX的多種糾錯(cuò)功能相互配合，共同提升移動(dòng)機(jī)器人的可靠性與安全性。通過(guò)自動(dòng)糾正閃存中的單比特錯(cuò)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(cuò)誤控制邏輯。

此外，MCX還具備檢測(cè)雙比特錯(cuò)誤的能力，這一功能對(duì)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(cuò)誤無(wú)法被糾正，但其檢測(cè)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(cuò)誤，機(jī)器人便能夠平穩(wěn)過(guò)渡到安全狀態(tài)，有效避免可能的危險(xiǎn)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(chǔ)塊重新用于ECC校正，提供高達(dá)416KB的ECC RAM存儲(chǔ)空間。ECC RAM支持對(duì)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行單比特糾錯(cuò)和雙比特錯(cuò)誤檢測(cè)。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(cuò)誤。通過(guò)保持這些運(yùn)行時(shí)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(shì)感知和決策制定過(guò)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(guò)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(fǎng)問(wèn)，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(dòng)的機(jī)器人維護(hù)。它能夠記錄內(nèi)存錯(cuò)誤事件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人電子組件的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)。糾正錯(cuò)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(dòng)維護(hù)。

應(yīng)用場(chǎng)景示例

以在工業(yè)環(huán)境中工作的移動(dòng)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(shí)避開(kāi)障礙物和人。

移動(dòng)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(huì)產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。這些干擾隨時(shí)間累積，可能會(huì)在機(jī)器人的內(nèi)存中引發(fā)比特錯(cuò)誤。

MCX的ECC將檢測(cè)并糾正由EMI引起的任何單比特錯(cuò)誤，確保機(jī)器人正確執(zhí)行其控制邏輯。面對(duì)更為嚴(yán)重的雙比特錯(cuò)誤，MCX也能夠及時(shí)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(cuò)誤。維護(hù)人員可以監(jiān)測(cè)ERM日志，觀(guān)察任何潛在故障的跡象。通過(guò)主動(dòng)維護(hù)機(jī)器人，可以最大限度地減少停機(jī)時(shí)間，同時(shí)提高安全性。

MCUXpresso開(kāi)發(fā)人員體驗(yàn)

恩智浦提供低成本的FRDM開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可使用MCX快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。FRDM開(kāi)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(xiàn)纜。

恩智浦的GitHub還允許訪(fǎng)問(wèn)應(yīng)用示例，可以使用應(yīng)用代碼中心門(mén)戶(hù) (ACH)訪(fǎng)問(wèn)這些示例。MCUXpresso IDE和MCUXpresso for VS Code內(nèi)置了ACH瀏覽功能，開(kāi)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(xiàng)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(kāi)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(píng)估板的功能。該中心提供直觀(guān)的篩選功能，可快速查找板和可用的支持軟件。開(kāi)發(fā)人員可以將他們的板與不同類(lèi)型的擴(kuò)展板配對(duì)，以評(píng)估特定用例或應(yīng)用程序并進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)。

恩智浦賦能安全可靠的移動(dòng)機(jī)器人

移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)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(cuò)誤可能會(huì)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(cuò)功能，可滿(mǎn)足對(duì)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(shí)內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)控制和錯(cuò)誤事件的日志記錄，為內(nèi)存錯(cuò)誤構(gòu)建了多重防護(hù)屏障。

對(duì)于致力于提升移動(dòng)機(jī)器人可靠性和安全性的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，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(kāi)發(fā)可靠的自動(dòng)機(jī)器人提供強(qiáng)大平臺(tái)。

本文作者

Altaf Hussain ，恩智浦半導(dǎo)體運(yùn)輸與移動(dòng)細(xì)分市場(chǎng)市場(chǎng)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(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)開(kāi)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(dòng)部門(mén)的負(fù)責(zé)人，該部門(mén)專(zhuān)注于移動(dòng)機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)和倉(cāng)庫(kù)物流自動(dòng)化領(lǐng)域。Altaf致力于制定系統(tǒng)解決方案，幫助客戶(hù)借助自主移動(dòng)機(jī)器人加速自動(dòng)化進(jìn)程。他擁有英國(guó)倫敦南岸大學(xué)的電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位。