MCU成本持續壓縮 發展機器人應用功能升級
- DIGITIMES企劃
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在機器人發展上，MCU佔有不可或缺的重要地位，早期機器人發展在2007年受全球不景氣影響而稍有遲滯，像是機器人的視覺化、仿生物之觸控人造皮膚等技術出現發展瓶頸，市場逐步出現衰退現象，而強調務實應用的任務型機器人，反而在MCU價格不斷下滑趨勢下獲得更有利的開發支援...
由電子寵物市場熱潮所引發的全球娛樂用機器人開發潮流，因產品設計的關鍵技術如機器視覺、人造觸覺感測皮膚等技術方案尚未成熟，使得相關設計與應用成本居高不下，讓娛樂取向的機器人產品開發成果受限，而當時的MCU功能限制較多，也必須導入多MCU應用方案進行開發，更在成本問題雪上加霜。如今，MCU在積體電路技術不斷升級，MCU的功能不斷提升，不只是體積持續縮小，內置的積體電路元件數量，這幾年也朝倍數的速度增長，加上新穎的封裝技術加持，終端MUC元件的體積持續壓縮、變小，而功能卻不斷提升。
16位元MCU成本降低 使用數量正逐步提升
在3~5年前，很難想像在電子玩具、電子寵物等設計方案中使用16位元MCU。現在MCU已從早期的8位元應用方案，逐步升級至16位元、甚至32位元應用方案產品，尤其在低成本設計方案想達到高速互動、較佳使用體驗的機器人設計成果，若還使用低成本8位元MCU，在反應速度與功能整合上，相關開發肯定會碰到系統架構瓶頸。而現今16位元MCU的成本已經趨近於8位元產品，對於開發選擇來說，等於是可用相同的成本獲取近2倍的運算與系統反應效能。
正因為目前8位元MCU與16位元MCU的成本越來越接近，為了鼓勵產品設計逐步將最大用量的8位元MCU往16位元、甚至32位元解決方案移動，晶片業者在部分16位元MCU方案採行與原有8位元應用方案相同的架構設計，並提供近似pin腳的功能相容彈性，這表示現有使用8位元解決方案的業者，可以僅透過晶片的更換與線路小部分微調，即可讓設計的終端產品有倍數效能的升級效益，為MCU晶片方案升級提供最佳誘因。
8位元以下MCU應用方案 以低成本應用為主
以目前市場應用狀況，8位元以下MCU多用於一般自動控制應用、家電功能應用，尤其是以成本優先的設計方案中，均以8位元MCU應用方案為主。而在高階自動控制或自動手臂設計方案，所使用的MCU方案以32位元產品為主。
基本上16位元或32位元MCU，可用單顆應用方案即處理數顆8位元MCU的整合應用功能，甚至使用32位元MCU解決方案，還可預留未來應用的擴展與升級空間，尤其是現有設計方案需要大量的感測I/O與視覺化介面整合，有32位元高階MCU的功能整合，更可提供更高的設計完整性，同時提供如語音控制、影像分析？辨識等高階應用功能。
尤其是機器人擬人化、人性化設計趨勢，使得人與機器人的互動行為、模式越來越受重視，也相對越趨複雜化，這在設計中即需要整合更多中斷(Interrupt)程式設計、需要更多脈衝寬度調變(PWM)功能與周邊整合，尤其是機器人設計方案中，動輒20~50個動作伺服馬達需要控制，同時還須處理超過10個以上感測元件取得之中斷處理，若使用低於32位元的MCU應用方案，系統肯定需要朝多MCU的設計方案進行產品規劃，否則在設計上將面臨功能設計的性能瓶頸。
高精度需求之設計 16位元MCU較易整合
尤其在高精度的機器人應用方案中，8位元MCU雖具成本優勢，而使用多個8位元MCU的整合方案雖也不失為一個好方法，但實際上多MCU不僅在整合設計難度變高，且8位元MCU的處理精度限制，可能會使終端設計的擬人或是問題解決能力受到限制。較合宜的作法反而是透過多顆32位元MCU進行功能整合，為AI人工智能系統提供高效率處理平台，同時也避免伺服驅動不夠即時造成的服務系統運行品質受限問題。
另一種設計方案是將伺服驅動部分額外切割出來。例如，機器人設計方案中，利用8位元MCU建構各個機器人肢體的控制單元，再將肢體單元模組與軀幹或核心的16或32位元MCU系統板進行銜接，由於8位元MCU具易整合、成本低優勢，用於處理機械肢體運行的伺服控制綽綽有餘，而主控載板由於已將肢體動作的多項控制轉由8位元MCU負擔運算與處理，核心晶片僅需單純下達指令與獲取肢體的訊息反饋，也可相對減低核心電路的設計複雜度，讓整體機器人的反饋效能提升，在成本上也能適度反應設計目標需求。
MCU針對低功耗強化應用 滿足低功耗設計要求
但用以發展機器人，MCU仍有另一個應用關鍵，因為機器人並非能整日透過市電進行電源供應，在設計方案中，也必須儘可能地考量降低整體運行功耗的設計需求。基本上低功耗MCU設計要求，會跟隨著應用中的MCU應用狀態不同而有其變化！例如，在使用電池供電的應用系統中，在機器人未動作期間可能有部分感測元件與控制電路需要處於驅動狀態，這部份無法進入睡眠的實時監控設計架構，就必須考量其電源消耗的問題。
而另一方面，機器人若屬於需高度系統穩定與提供持續服務的設計方案，可能會需要一組備援電源備用，這時即便在機器人主電源用罄時，主系統需快速切換到備援電力，而在備援電力與不同系統電源應用期間，MCU如何靈活調校、變更整體的功耗運行狀態，或該MCU方案是否允許設計人員進一步客製系統電源使用模式，就成為相當重要的考量重點。
一般MCU元件大多會提供制式的電源使用情境與對應的節能策略，例如利用一般、睡眠、深度睡眠等不同運行模式，來達到提供維持最低系統功耗運行的設計型態，但現在在部分導入高階矽製程的MCU產品，開始有更靈活的MCU電源功耗管理設計形式，不只是設計人員可以更靈活地進行產品所需的功耗設計架構，也可開發出適用機器人應用方案的電源系統架構。
而新的矽製程導入，讓MCU或是高階MCU，可具有μA低電流水準的低功耗運行模式，這對僅使用電池運行的機器人設計方案，等於是提供最佳的省電效益，將更多的能源預留在完成指定任務的運作需求上。而為了讓MCU具備μA等級的低耗用電流功耗表現，部分MCU產品已可具備深度睡眠電流為20~50nA的耗用範圍，在深度睡眠期間可讓整個元件幾乎等於關閉狀態等待被喚醒，而設計中僅保留RTCC、看門狗計時器、記憶體所需的驅動電流。
