摘要：核能作為國家能源安全的重要組成部分，對工業自動化設備的穩定性和可靠性提出了極高的要求。機器人設備在涉核環境下的日常巡檢、設備維護、應急響應等任務中發揮著不可替代的作用。然而，涉核環境，尤其是高能粒子的輻照效應，對電子設備的正常運行構成了嚴峻挑戰。本文系統性地探討了核環境特種機器人設備中關鍵芯片的選型策略，重點分析了國科安芯機器人關節控制MCU、DCDC電源、CANFD通信接口等系列芯片在核環境特種機器人關節控制器中的應用，通過對芯片的抗輻照性能、功能特性及實際測試數據的分析，為核環境特種機器人設備的芯片選型提供了科學依據。

一、引言

隨著核電產業的快速發展，核能綜合利用的自動化水平的提升成為保障核電安全和效率的關鍵。機器人設備因其能夠適應高輻射、高溫等極端環境，在涉核環境的廣泛應用成為必然趨勢。然而，高能粒子輻照會使電子設備產生單粒子效應（如單粒子翻轉SEU、單粒子鎖定SEL等），導致設備故障甚至損壞。因此，選擇具備高抗輻照性能的芯片，成為核環境特種機器人設備研發中的核心任務之一。

二、機器人關節控制器對芯片的要求

機器人關節控制器作為機器人的核心部件，負責精確控制關節的運動，其對芯片的要求主要體現在以下幾個方面：

高可靠性與穩定性：芯片需在涉核環境復雜工況下長時間穩定運行。

強大的抗輻照能力：能夠抵御高能粒子的轟擊，避免因單粒子效應引發的故障。

優良的實時性與控制精度：確保關節運動的精確控制，滿足核環境特種機器人執行精確任務的需求。

高性能的電源管理與通信能力：為控制器的各個模塊提供穩定電源，并實現與其他設備的高效通信。

三、芯片在機器人關節控制器中的應用解析

（一）MCU在機器人關節控制中的應用

在核環境特種機器人關節控制器中，MCU作為核心處理器，其性能直接影響機器人的控制精度和穩定性。AS32S601基于32位RISC-V指令集，具備高性能和高抗輻照能力。其工作頻率高達180MHz，內置512KiB SRAM（帶ECC），支持75MeV.cm2/mg以上抗SEU、SEL能力，滿足企業宇航級標準。豐富的接口與強大的安全特性使其能夠在復雜的涉核環境中穩定運行。例如，其通過延遲鎖步方法保障內核安全，存儲器及數據路徑采用端到端ECC保護，時鐘、電源、外設等均有相應的監控與保護措施，符合ISO26262 ASIL-B功能安全等級。這種高性能的MCU能夠實時處理復雜的控制算法，精確控制關節電機的運行，確保機器人在涉核環境復雜任務中的操作精度。

（二）電源芯片在關節控制器電源管理中的應用

機器人關節控制器需要穩定的電源供應來保障各模塊的正常運行。ASP3605S和ASP4644S作為DCDC電源芯片，在核環境特種機器人關節控制器中發揮著關鍵作用。ASP3605S支持4V至15V輸入電壓范圍，輸出電壓可編程，多相操作支持最多12相級聯，具備高效率（可達94%）、低紋波（小于4.5mV）等性能優勢，同時滿足企業航天級抗輻照標準。ASP4644S是四通道降壓穩壓器，單路最大可驅動4A負載，輸入電壓范圍4V-14V，輸出電壓范圍0.6V-5.5V，具備過流、過溫、短路保護和輸出跟蹤功能，符合企業宇航級抗輻照要求。

在核環境特種機器人關節控制器中，這兩種電源芯片能夠提供穩定的電源供應。它們支持寬輸入電壓范圍，適應機器人在不同工作狀態下的電源需求變化。例如，當機器人在涉核環境不同區域移動時，可能會面臨不同的電源環境，這兩種芯片能夠確保控制器在電源波動情況下仍能正常工作。同時，ASP4644S的多相并聯工作模式能夠實現均流，避免單點故障，提高系統的可靠性和冗余性。此外，這兩種芯片具備可編程的輸出電壓和頻率同步等功能，可以根據關節控制器的具體需求進行靈活配置。

（三）通信接口芯片在關節控制器通信中的應用

機器人關節控制器需要與上位機和其他機器人進行實時通信，以實現協同作業。ASM1042S作為CANFD通信接口芯片，在核環境特種機器人關節控制器中具有重要地位。其支持ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理層標準，數據速率高達5Mbps，具備快速循環、對稱傳播延遲時間短等特性。出色的抗輻照性能保證了通信的穩定性，降低了因通信故障導致機器人操作中斷的風險。其具備的總線故障保護功能可以在通信線路出現故障時及時保護芯片和通信系統，提高整個通信網絡的可靠性。同時，ASM1042S與TJA1042、TCAN1042等芯片兼容，便于在現有的機器人通信架構中進行集成和升級。

四、芯片抗輻照性能測試與評估

（一）MCU的單粒子效應測試

AS32S601型MCU在5V工作條件下，經過激光能量為120pJ（對應LET值為（5±1.25）MeV?cm2?mg）至1585pJ（對應LET值為（75±16.25）MeV?cm2?mg）的輻照測試，在能量提升至1585pJ時，監測到芯片發生了單粒子翻轉（SEU）現象。這表明AS32S601具備較強的抗單粒子效應能力，能夠在一定程度的輻照環境下正常運行，滿足核環境特種機器人關節控制器對抗輻照性能的要求。

（二）電源芯片的芯片測試

ASP3605S在電源紋波測試中，其輸出紋波在不同輸入電壓和負載條件下均保持在較低水平，有助于保障機器人關節控制器中敏感電路的正常工作。在效率測試中，芯片在不同負載和輸入電壓下均能保持較高的效率，有效降低了能量損耗。同時，其在高低溫測試中的良好表現也證明了其在涉核復雜環境下的可靠性。ASP4644S同樣在功能驗證、電源紋波、芯片效率、負載調整率、線性調整率等測試項目中表現出色。

（三）通信接口芯片的單粒子效應測試

ASM1042S芯片在5V工作條件下，經過激光能量為120pJ至3050pJ的輻照測試，在能量提升至3050pJ時，未出現單粒子效應，展現出良好的抗輻照性能，為ASM1042S在核環境特種機器人關節控制器中的應用提供了有力的性能支撐。

五、對比分析與選型建議

（一）對比分析

與國外同類芯片對比：與國外知名品牌的同類芯片相比，國科安芯芯片在抗輻照性能方面具備一定的優勢。例如，在單粒子效應測試中，AS32S601和ASM1042S均展現出較高的抗輻照能力，能夠滿足高能粒子環境的應用要求。同時，在電源管理芯片方面，ASP3605S和ASP4644S的性能指標與國外先進產品相當，且在部分參數上表現出更優的性能。

芯片之間的協同性：AS32S601、ASP3605S、ASP4644S和ASM1042S這幾款芯片在設計和功能上具有良好的協同性。AS32S601作為控制器核心，能夠與ASP3605S和ASP4644S提供的穩定電源以及ASM1042S的高效通信接口實現無縫對接，共同構成一個高性能、高可靠的機器人關節控制器系統。

（二）選型建議

基于應用場景的選型：對于核環境特種機器人關節控制器，應優先選擇具備高抗輻照性能的芯片。根據上述芯片的測試結果和性能分析，AS32S601、ASP3605S、ASP4644S和ASM1042S均能夠滿足涉核環境的應用需求。在具體選型時，可根據控制器的實際工作環境、負載要求、通信協議等因素進行綜合考慮。

考慮系統集成與兼容性：在選型過程中，還需要充分考慮芯片之間的系統集成與兼容性。確保所選芯片能夠在同一系統中穩定運行，避免因兼容性問題導致系統故障。

六、未來發展趨勢與挑戰

（一）發展趨勢

更高的抗輻照性能：隨著核能綜合利用技術的發展，對芯片抗輻照性能的要求將不斷提高。未來，芯片制造商需要進一步優化芯片設計和制造工藝，提高芯片在高能粒子環境下的穩定性。

更高效的電源管理：為了滿足機器人設備對能源效率的要求，電源芯片需要具備更高的轉換效率和更好的動態響應能力。

更智能的通信技術：隨著工業物聯網的發展，機器人設備之間的通信將更加復雜和智能化。通信芯片需要支持更高的數據傳輸速率和更先進的通信協議。

（二）挑戰

成本控制：高抗輻照性能芯片的研發和制造成本相對較高，如何在保證性能的同時降低成本，是芯片制造商面臨的一大挑戰。

技術兼容性：不同廠家的芯片在功能和性能上存在差異，如何實現芯片之間的兼容性和互操作性，是機器人設備制造商需要解決的問題。

可靠性驗證：在涉核環境這樣的關鍵應用領域，芯片的可靠性至關重要。如何建立完善的可靠性驗證體系，確保芯片在實際應用中的穩定運行，是未來需要重點關注的方面。

八、結論

核環境特種機器人設備的芯片選型對于保障核電安全和自動化水平至關重要。國科安芯的芯片AS32S601、ASP3605S、ASP4644S和ASM1042S在抗輻照性能、可靠性、穩定性以及功能特性等方面均表現出色，能夠滿足核環境特種機器人關節控制器的應用要求。通過對這些芯片的深入研究和測試評估，可以為核環境特種機器人設備的芯片選型提供科學依據，助力核能綜合利用自動化技術的發展。在實際應用中，應根據具體的機器人關節控制器設計方案和涉核環境特點，合理選擇和配置這些芯片，以實現機器人設備在涉核復雜環境下的高效、穩定運行。