提供可預(yù)測和無差錯(cuò)的通信，CAN總線網(wǎng)絡(luò)三十多年來一直是汽車行業(yè)的主力軍。然而，他們最近在包括無人機(jī)在內(nèi)的其他工業(yè)應(yīng)用中找到了新的生命。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們展示了CAN收發(fā)器在無人機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用位置和方式，并解釋了為什么在此應(yīng)用中使用時(shí)，它們必須具有高水平的電氣保護(hù)。

介紹

俗話說，“如果它沒有壞，就不要修理它。盡管它可能不是新的和令人興奮的，但也許正是控制器局域網(wǎng)（CAN）接口的非常簡單性和可靠性使其不僅能夠生存，而且在汽車行業(yè)已成為的技術(shù)叢林中繼續(xù)蓬勃發(fā)展。在一個(gè)功能和可靠性至關(guān)重要的市場中，豪華車型（可以包含多達(dá)150個(gè)電子控制單元）的駕駛員很可能不知道（或不關(guān)心）允許這些控制器相互通信的接口現(xiàn)在已經(jīng)有三十多年的歷史了。其他電動產(chǎn)品（包括工業(yè)無人機(jī)）的設(shè)計(jì)師現(xiàn)在正在尋求利用界面世界的“熟練工”可以為他們的產(chǎn)品帶來的一些好處，這也許不足為奇。

2020年的市場預(yù)測估計(jì)為9億美元，以及從軍事到作物檢查，從航空攝影到執(zhí)法的許多應(yīng)用，很難想象無人機(jī)未來將用于什么。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們考慮了無人機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識，并討論了這給CAN收發(fā)器帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。然后，我們將介紹一款CAN收發(fā)器IC，最適合滿足這項(xiàng)新興技術(shù)的一些獨(dú)特要求。

無人機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

無人機(jī)設(shè)計(jì)中的基本電子設(shè)備包括：

導(dǎo)航

全球定位系統(tǒng)

機(jī)動性

電機(jī)控制

螺旋槳

照相機(jī)

云臺功能

自主操作

自動穩(wěn)定

兩組高效無刷直流 （BLDC） 電機(jī)與主控制器通信，這會影響無人機(jī)的位置和攝像機(jī)位置。在后臺，全球定位系統(tǒng)（GPS）、加速度計(jì)和陀螺儀等機(jī)載傳感器向無人機(jī)控制器提供方向信息。螺旋槳和相機(jī)穩(wěn)定電機(jī)需要具有強(qiáng)大協(xié)議的可靠通信物理骨干。CAN是此功能的絕佳候選者。

電機(jī)控制板

螺旋槳電機(jī)控制電子設(shè)備包括串行通信設(shè)備、BLDC 電機(jī)及其驅(qū)動器的物理層。在這里，除了多主/多從通信外，CAN總線還可用于提供實(shí)時(shí)控制、高級錯(cuò)誤處理。飛行控制電路（圖2）是無人機(jī)系統(tǒng)的核心。雖然每個(gè)電機(jī)獨(dú)立工作，但它也必須與其他電機(jī)協(xié)同運(yùn)行。

圖2.無人機(jī)的飛行控制板從四到八個(gè)螺旋槳發(fā)動機(jī)發(fā)送消息。

CAN 總線是允許主控制板與負(fù)責(zé)每個(gè)電機(jī)的控制器通信的理想選擇（圖 3）。

圖3.無人機(jī)電機(jī)的詳細(xì)框圖。

BLDC 電機(jī)的轉(zhuǎn)子輪轂上安裝了永磁體，定子臂上安裝了感應(yīng)繞組。這些電機(jī)使用磁極之間的吸引力或排斥力的概念。當(dāng)電感繞組中的電流流動產(chǎn)生磁極時(shí)，電機(jī)運(yùn)動開始，吸引最近的磁荷相反的永轉(zhuǎn)子磁鐵。轉(zhuǎn)子的軸連接到輪轂，當(dāng)電流切換到相鄰線圈時(shí)移動。每個(gè)繞組的這種充電順序要求轉(zhuǎn)子不斷跟隨。飛行控制系統(tǒng)管理來自傳感器和預(yù)編程飛行計(jì)劃或來自地面用戶的消息，并適當(dāng)調(diào)整各個(gè)電機(jī)速度。

云臺功能

無人機(jī)云臺有自己的電機(jī)組，可將相機(jī)相對于地平線保持在相同的位置。云臺旋轉(zhuǎn)圍繞 x、y 和 z 軸旋轉(zhuǎn)的相機(jī)支架。這提供了相機(jī)或其他傳感器的穩(wěn)定性和指向。云臺和主控制器板之間的可靠通信也可以通過使用CAN總線接口來實(shí)現(xiàn)。

無人機(jī)保護(hù)

CAN固有的單總線仲裁協(xié)議功能和可靠的錯(cuò)誤檢查是將其用于廣播、農(nóng)藥分配以及向住宅或商業(yè)建筑運(yùn)送貨物等關(guān)鍵應(yīng)用的工業(yè)無人機(jī)的一些主要原因。但是，在選擇CAN收發(fā)器時(shí)，還需要尋找其他一些附加功能。首先，IC必須使CAN總線盡可能魯棒。由于許多強(qiáng)大的電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，功率浪涌在無人機(jī)電路中很常見，尤其是在需要快速提升最大升力的時(shí)候。這些浪涌可能會耦合到CAN總線上，從而改變其共模電壓并中斷主板控制器與一個(gè)或多個(gè)電機(jī)控制器之間的通信。對于空中無人機(jī)來說，即使是控制器之間數(shù)據(jù)通信的暫時(shí)中斷也可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。為了防止這種情況，選擇具有最高共模輸入電壓范圍（CMR）的CAN收發(fā)器IC非常重要。其次，為了防止制造過程中的損壞（例如由于手動操作或意外接觸其他電氣設(shè)備），高水平的ESD和電池短路保護(hù)也是必要的功能。小尺寸（減少電路板空間）和低工作電壓（延長電池壽命）也很重要。

小巧但堅(jiān)固耐用

MAX33040E（圖4）為3.3V、5Mbps CAN收發(fā)器，完全符合CAN標(biāo)準(zhǔn)。該IC的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是提供±25V擴(kuò)展CMR，超過ISO 11898-2 CAN標(biāo)準(zhǔn)（-2V至+7V）。這確保了在電涌期間與無人機(jī)電機(jī)的持續(xù)可靠通信。它還提供 ±40kV 的 ESD HBM 保護(hù)，以保護(hù) IC 在無人機(jī)組裝過程中免受潛在損壞。該收發(fā)器還具有擴(kuò)展±40V故障保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，使其適用于需要過壓保護(hù)的設(shè)備，并防止短路時(shí)損壞。

圖4.MAX33040E 3.3V、5Mbps CAN收發(fā)器完全符合CAN標(biāo)準(zhǔn)。

該收發(fā)器采用 8 引腳 SOIC 封裝。但是，對于空間受限的應(yīng)用，它也可以采用8引腳SOT23封裝，其優(yōu)點(diǎn)是體積縮小40%，并可實(shí)現(xiàn)該封裝尺寸中最可靠的CAN總線實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)

提供可預(yù)測和無差錯(cuò)的通信，CAN總線網(wǎng)絡(luò)三十多年來一直是汽車行業(yè)的主力軍。然而，他們最近在包括無人機(jī)在內(nèi)的其他工業(yè)應(yīng)用中找到了新的生命。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們展示了CAN收發(fā)器在無人機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用位置和方式，并解釋了為什么在此應(yīng)用中使用時(shí)，它們必須具有高水平的電氣保護(hù)。最后，我們展示了一種低電壓、小尺寸IC，使工業(yè)無人機(jī)的CAN總線盡可能堅(jiān)固。除無人機(jī)應(yīng)用外，該CAN收發(fā)器IC還適用于其他工業(yè)設(shè)備以及儀器儀表和樓宇自動化系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷