科幻小說中，幾代人都以各種方式將機器人融入社會，從使我們的生活更輕松、更美好的有益的良性仆人，到試圖滅絕我們的嚴酷、沒有靈魂的霸主。在所有情況下，故事開始于機器人取代人完成瑣碎的、重復的和危險的任務，隨著人工智能的出現，它們甚至超過了受過嚴格訓練的人類。

從小小的地板清潔工到送貨機器人和無人機，在使用中并不罕見。社會已經準備好將它們融入我們的生活，特別是當它們變得自主、會話、甚至有自我意識的時候。

幾十年來，汽車制造廠、化工廠和工廠的工作機器人已經取代了許多人，并顯示出成本效益和更高的生產力和準確性，因為制造業和工業應用一直是機器人進步的驅動力。

雖然購買、編程和將制造機器人投入工作的初始投資仍然很高，但它們為制造公司帶來了許多好處。

隨著人們強調將制造業帶回國內的愿望，競爭壓力意味著只有機器人才能以低成本保持高生產力。它們可以一天工作24小時，沒有休息。他們不休假或放假。它們不請病假（但它們也會時常發生故障）。

關鍵是，雇用機器人的制造公司不必支付社會保險、失業、工傷賠償、醫療保險、退休費等。

隨著固定位置和功能的機器人被移動的、自主的、多功能的學習型機器所取代，能力、安全和成本敏感度變得更加重要。機器人設計者現在面臨著關于架構機器人和機器人工作環境的選擇。

一個五公斤重的機器人里裝有十公斤的芯片

傳感器是任何機器人設計中的關鍵。它們為機器提供有關外部世界的信息。雖然老一代的固定機器人不需要導航，感知障礙物，知道自己在哪里，并找到備用路線，但新的機器人需要。因此，許多類型的傳感器必須被實施、監測、優先考慮、解釋，并用于確定行動。今天設計師面臨的問題是如何分配傳感器，同時保持合理的尺寸和重量。是不是所有的東西都放在機器人里面？還是機器人從一個設施、無線控制器或云端獲得感官數據和指令？

你讓機器人做的事情越多，它就需要越大。機器人越重，需要的電池電量就越多。這限制了運行時間、速度和性能，并且由于在充電或更換電池時需要停止使用而增加成本。

空間是有限的，而重量是敵人。因此，你在環境中放置的智能越多，需要嵌入到機器人中的就越少。更小，更快，更多的運行時間，更低的成本。雙贏，對嗎？嗯，只是到目前為止。

即使有了智能環境，智能和傳感器也必須被嵌入到每個機器人中。容錯意味著在發生通信故障時，安全不會受到影響。因此，使用輕量級的機載傳感器，如傳感器、視頻攝像頭、溫度和電池電壓傳感器等，是可行的。甚至今天可用的二維激光雷達技術也可以集成到一個低成本、高效率的機器人中。

像接近或電源問題這樣的故障安全傳感器應被優先考慮。例如，機器人可能不知道它被一個障礙物固定住了，但驅動電機上的電流傳感器可以迅速檢測到故障，并立即移除電機驅動的電源。中央設施計算機或云控制器不能快速反應，以防止可能發生的火災。

在工廠或工業環境中，無線通信可能是一個挑戰。制造車間是一個電子噪音環境。如果發生錯誤和重試，機器人可能無法及時得到所需的信號以保護安全。這也可能意味著無線鏈路傳輸更高的功率以獲得可靠的通信。

分布式串行架構。拓撲結構和優點

串行通信是在局部或廣大地區進行分布式通信的理想選擇。系統和設施的設計者和管理者對可以輕松實現的串行網絡的技術和類型有多種選擇和選項。

以太網是一種可以使用的串行網絡技術。它可以使用Cat5和/或Cat6風格的多絞線在一根電纜中進行布線。每個點對點的以太網連接需要八根線，這增加了成本并降低了可靠性。以太網確實提供了快速的通信速率和運行幾百英尺的能力，并可用作區域內串行網絡的集線器。盡管如此，它對噪音或靜電放電（ESD）的免疫力并不特別強，所以它不是機器位置的一個好選擇。此外，以太網網絡上的每個節點需要更多的處理器資源和帶寬。相比之下，可以使用成本較低的通用異步接收/發送器（UART）構架的異步包構架的串行數據鏈。

基于UART的串行鏈路也許是最直接和最可靠的。無線串行鏈路即使在最高的電磁干擾（EMI）噪聲和最惡劣的ESD環境中也是堅固可靠的。還有各種驅動器和接收器，可以走幾百甚至幾千英尺，保持一定范圍的數據速率。

從結構上看，分布式串行傳感器陣列可以由中央位置控制和監測，分布式，或遠程訪問。這些并不相互排斥。例如，中央計算機可以一直運行，而后備系統監測并在主系統出現故障時啟動。

串行網絡中也有點對點的靈活性。最簡單和最可靠的結構是點對點直接（圖1A）。這是最快速、最直接的鏈接。硬件和/或軟件握手可以保證可靠的數據傳輸。

可以配置一串菊花鏈設備，一個數據鏈路與許多分布式傳感器或執行器進行通信（圖1B）。數據通過每個節點，并通過作為直通緩沖器的線路接收器和驅動器返回到啟動點。每個節點可以單獨尋址，也可以同時訪問，例如 "緊急關機 "命令的情況。

如果設備被配置成一個循環，那么可以取消直通驅動器，所有數據都返回到啟動點。對于一個串聯或環路結構的網絡，數據速率通常被設置為一個單一的波特率。如果使用幾個多端口串行控制臺控制器，也可以采用樹形配置（圖1C）。如果來自主機的數據速率足夠快，可以提供所有低級別的數據，這允許在串行域中建立多個傳感器或傳感器區域。如果不是這樣，以太網連接可以作為最上層的控制臺服務器使用。如果傳感器區被定義為一個局部的區域，這可能是一個有幫助的架構。

圖 1：(A) 點對點直接連接。(B) 鏈接設備的環路或菊花鏈。(C) 樹配置。

除了遠程分配傳感器和執行器外，分布式節點還可以包括用于安全控制的專用射頻鏈路或RFID掃描儀，以便在機器人通過特定的關鍵位置時向其讀取和寫入數據。任何時候，只要安全冗余可以在幾乎沒有額外成本的情況下被設計出來，利用這種安全冗余是明智的。

串行鏈路層協議的類型

我們大多數人都熟悉的一個老古董是RS-232。這種單端物理層方案使用不歸零（NRZ）信號協議，將邏輯零表示為正電壓，邏輯一表示為負電壓。信號線永遠不會停留在地面上。因此，RS-232是相對穩定的，能很好地拒絕噪音和脈沖故障。由于未連接的電線不會顯示電壓，所以故障檢測更容易。

雖然RS-232可以穿越幾百英尺，但RS-422可以穿越幾千英尺。RS-422為每個信號使用一對差分線。這使得它對嘈雜的工廠環境中可能存在的共模噪聲免疫。它需要兩倍的電線數量，而且不像RS-232那樣常見，后者用于過去的大多數計算機外圍設備和調制解調器。

RS-485也是一種差分媒介，但也是一種共享媒介。所有RS-485設備都連接到同一物理線對。這意味著RS-485設備只能在半雙工模式下運行，而RS-232和RS-422可以在全雙工模式下運行。所有RS-485設備通常具有相同的通信特性，如波特率、奇偶性和停止位。

在適當的情況下，RS-485也可以跨越幾千英尺，通常用于工廠和工業環境。在所有情況下，半導體制造商都為所有這些提供了具有成本效益、設計良好、有競爭力的線路驅動器和接收器，并內置了ESD和噪聲保護。

注意，UART框架的異步數據包格式，如RS-232、RS-422和RS-485，也被用于汽車領域的控制器區域網絡（CAN）和OBDII控制和傳感器總線中。

較早但流行的Midi接口也使用基于UART的數據包協議。這些信號技術被很好地理解，并得到工具和開發固件的支持。它們是工業環境中分布式傳感器和執行器的理想選擇，特別是如果可以使用多端口服務器的話。

媒體服務器解決方案

多端口控制臺提供通過IP（如以太網和TCP/IP接入點）訪問的多個獨立串行端口。有8個或16個端口的RS-232配置，這些端口可以通過適當的接口作為RS-485或RS-422使用。

兩個10/100/1000以太網端口可以支持單個串口高達921.6Kbits/sec的數據速率的總帶寬，并允許連接到本地計算機資源以及遠程和分布式全球計算機和基于云的服務。

標準的1U機架安裝配置可以輕松地集成到幾乎任何設施中。此外，每個串口保護方案都有內置的15KV ESD保護。這些控制臺服務器作為TCP/IP網絡和PLC、數控機床、衡器、掃描儀以及幾乎任何類型的基于傳感器的系統之間的理想接口。許多可以被原始設備制造商（OEM）輕松使用的傳感器系統都支持這些串行標準，而控制臺服務器允許單獨連接到這些傳感器。請注意，每個人都可以有自己的波特率、奇偶校驗和停止位配置，簡化了設置和使用，并最大限度地提高了帶寬，因為最慢的設備不會限制更快的設備。

通過Windows工具、網絡瀏覽器、Telenet和各種控制臺進行控制，使操作員和程序員能夠輕松地進行設置、操作和監控。像SNMP MIB-II這樣的網絡管理工具也允許操作和監控的標準工具集。后部安裝的布線保持了實施的清潔和可維護性，便于擴展或更新。可以利用內置的以太網連接實現各種拓撲結構，創建一個簡單、低成本、有效的分布式傳感器陣列。

工廠和分布式機器人傳感器實例

例如，我們可以把一個中央計算機系統想象成主站，它通過以太網交換機連接到串行控制臺服務器。這為每個區域提供了高速帶寬，其中控制臺控制器充當了與各個傳感器的互連。

在圖2中，一個拓撲結構的例子是通過更高速的以太網交換機使用冗余的控制鏈路來路由到本地化的區域。每個局部區域可以利用串行控制臺服務器的優勢，與我們的機器人將經過的每個傳感器、射頻鏈路或執行器建立直接連接鏈接。

即使主控制器出現故障，也可以建立一個遠程或冗余鏈接作為備份、看門狗或故障保護。這可以是一個本地的冗余控制器，也可以是一個遠程或基于云的監測和控制。

圖 2：示例拓撲

結論

在機器人的環境中結合嵌入式和分布式傳感器，可以是實現工廠或工業環境的最安全和最可靠的方式，將自動化提升到新的水平。可以設置區域，并對冗余的安全機制進行監控，以確保所有系統的正常運行。

串行端口仍然是分配傳感器和執行器的最具成本效益的方式。

幾乎每個微控制器都有基于UART的通信，OEM和設計的傳感器可以很容易地集成到這種類型的網絡。這也使得機器人可以被精簡，不那么復雜，因為它們的許多職責可以被卸載到一個更智能的設施上。