自 1989 年以来，全球已有近 250 万名 4-18 岁学生参加过 FIRST® 项目，其中有众多学生在 NI 推出的机器人平台上学习工程知识，该平台由 AMD 赛灵思提供技术支持。FIRST 机器人社区通过包容性的、基于团队的机器人项目和比赛为学生迎接未来挑战做好准备。它的使命是通过让年轻人参与令人兴奋的导师计划，激励他们成为科学及技术的领导者和创新者。
每年 1 月，FIRST 机器人大赛都会推出一项新的挑战，由高中生组成的团队制造工业大小的机器人，进行一场艰难的现场比赛。有时，机器人不得不攀爬、建造、堆叠或扔东西，抓取东西并移动它们，或者将组件组装在一起。地区性和州级比赛在每年春天于德克萨斯州休斯顿举行的全球锦标赛中达到高潮。
NI 细分团队的软件工程师 Joe Hershberger 表示：“我们最初参与 FIRST 的时候，他们正开始为其年轻部门使用乐高 Mindstorms 机器人套件。”他解释说，NI 是该产品的软件提供商。Hershberger 表示：“我们从在这些活动中提供软件支持开始着手。”他补充道，这种关系让我们有机会以更多方式为FIRST 社区服务。
2009 年，NI 为 FIRST 开发了定制的 CompactRIO 平台。这是一款 8 插槽器件，内存和处理速度都得到了优化。看到大多数团队在他们的项目中只使用了 3-4 个插槽，该公司在几年后又开发了一个 4 插槽版本。2015 年，NI 推出了一款功能更强大、重量更轻，且尺寸更小巧的控制器系列，名为 roboRIO，自那以来一直是 FIRST 比赛和教育计划的组成部分。roboRIO 的第二代版本于 2022 年年初发布。
来自 NI 的 roboRIO™ 2.0 机器人设计平台
图片版权所有 © 2021 年美国国家仪器公司。
保留所有权利。
项目挑战
大约在 2003 年左右，NI 开始致力于构建其首个 CompactRIO 嵌入式工业控制器。Hershberger 解释说：“我们的产品可以处理 I/O，但没有任何实时计算能力。我们深知添加 FPGA 是构建功能更强大的 I/O 的后续步骤，所以我们决定与赛灵思进行合作。”
Hershberger 表示，该公司正在寻求将 FPGA 架构与应用处理器相结合，以处理更复杂的任务并提供实时处理功能。“Zynq 基本上在单个解决方案中为我们解决了所有这些问题。这绝对是一个非常好的选择，使我们有可能选择使用尺寸更小、成本更低的平台。”
解决方案
RoboRIO 是一款基于可重配置硬件的平台，主要用于学术用途。
NI 系统研发工程师 Oscar Fonseca 表示：“当我们制造这款产品时，我们考虑的是 FIRST 机器人。我们想要迎合那些正寻求强大接口的学生，无论是从 I/O 方面还是从通信方面，这样他们就可以在不需要太多定制的情况下制作一些东西。我们提供了一直到 SDI、I2C、CAN 通信的 PWM 输出端口和模拟输入；这些都是您在低成本控制器中通常找不到的。”
Hershberger 补充道：“我们使用 Zynq 器件进行所有的实时 I/O，它使我们能够完全向用户开放处理器端。学生可以编写他们想要的任何代码，无需担心他们的代码是否具有良好的实时行为。我们需要的所有实时行为都是由可编程逻辑处理的。这给了学生更多的灵活性和实验的力量。”
Zynq-7000 SoC 系列将 ARM® 处理器的软件可编程性与 FPGA 的硬件可编程性相结合，提供了关键分析功能和硬件加速，同时在单个器件上集成 CPU、DSP、ASSP 和混合信号功能。
Joe Hershberger 展示 NI 的 roboRIO 控制器
图片版权所有 © 2021 年美国国家仪器公司。保留所有权利。
设计成效
roboRIO 平台为学生提供了工程方面的实践介绍。Hershberger 表示：“具备有效控制一切的灵活性，但又不被限制，这是一种巨大的优势。”这个平台是轻量级平台，连接很容易，在过去的 20 年里，我们一直保持着标准的业余应用规格三引脚接头，这样学生们就可以使用很久以前的相同硬件，同时通过 CAN 等东西添加更多功能。我们正在确保不破坏其向后兼容性的同时提高它们的能力。
NI 产品经理 Eric Myers 补充说：“通过我们的 LabVIEW 图形化编程环境，我们对产品中更难掌握的编程方面进行了抽象，并采取了额外的措施使其更加方便学生的使用，同时也为他们提供了灵活性，以便在他们想要的时候展示更强大的功能和使用其他特性。这使得学习工程学变得比仅仅坐在电脑前玩代码更有趣。”
Fonseca 表示：“FIRST 为学生提供了一个独特的机会，让他们探索自己的激情、对世界充满兴奋，并发展个人和专业技能。这是为了我，也是为了全世界成千上万的孩子。我每年都会回来帮忙，因为这是我说‘谢谢’的方式，也是为了确保新的一代有机会体验这一伟大的经历。”
进一步了解 Zynq SoC，请访问产品专区。
