摘要 ：隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其電池管理系統(tǒng)對于高可靠、高速通訊接口的需求日益凸顯。本文深入探討了在無人機(jī)電池通訊接口應(yīng)用中，選用國科安芯推出的CANFD工業(yè)級芯片ASM1042I的關(guān)鍵考量因素與技術(shù)要點(diǎn)。通過對芯片特性、性能指標(biāo)、測試數(shù)據(jù)及應(yīng)用適配性等多維度的分析，旨在為無人機(jī)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐與選型參考，以滿足無人機(jī)在復(fù)雜工況下對電池狀態(tài)監(jiān)測與管控的嚴(yán)苛要求。

關(guān)鍵詞 ：無人機(jī)電池；CANFD；工業(yè)級芯片；通訊接口；應(yīng)用領(lǐng)域

一、引言

無人機(jī)作為一種先進(jìn)的航空設(shè)備，其電池管理系統(tǒng)是保障飛行安全與性能的核心環(huán)節(jié)。高效的電池通訊接口能夠?qū)崿F(xiàn)電池與無人機(jī)控制單元之間的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)交互，對于監(jiān)測電池狀態(tài)、優(yōu)化能量管理以及預(yù)防電池故障至關(guān)重要。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-rate）作為一種先進(jìn)的通訊總線技術(shù)，以其高數(shù)據(jù)傳輸速率、強(qiáng)抗干擾能力和卓越的可靠性，在工業(yè)控制、汽車電子等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并逐漸成為無人機(jī)電池通訊接口的理想選擇。本文選擇國科安芯推出的CANFD工業(yè)級芯片ASM1042I作為分析案例。

二、無人機(jī)電池通訊接口的技術(shù)需求

（一）高數(shù)據(jù)傳輸速率

無人機(jī)在飛行過程中，電池狀態(tài)信息（如電壓、電流、溫度等）需要實(shí)時(shí)快速傳輸至控制單元，以便及時(shí)調(diào)整飛行狀態(tài)和能量分配。尤其是在電池高負(fù)荷運(yùn)行或出現(xiàn)異常情況時(shí)，快速的數(shù)據(jù)更新對于保障飛行安全至關(guān)重要。ASM1042I支持最高達(dá)5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，相較于傳統(tǒng)CAN總線有了顯著提升，能夠滿足無人機(jī)電池管理系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的嚴(yán)格要求。

（二）強(qiáng)大的抗干擾能力

無人機(jī)的飛行環(huán)境復(fù)雜多變，面臨各種電磁干擾源，如電機(jī)、電子調(diào)速器、周邊無線通信設(shè)備等。電池通訊接口需要在這樣的高干擾環(huán)境下穩(wěn)定工作，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。ASM1042I采用差分傳輸方式，并具備良好的抗電磁干擾（EMC）性能，可有效抵御外界干擾對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

（三）高可靠性與安全性

電池作為無人機(jī)的關(guān)鍵部件，其狀態(tài)直接關(guān)系到飛行安全。通訊接口必須具備高可靠性，能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，并具備故障診斷與保護(hù)功能。一旦出現(xiàn)通訊故障或異常數(shù)據(jù)傳輸，可能會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)失控或電池?fù)p壞，引發(fā)嚴(yán)重安全事故。因此，電池通訊接口芯片需要具備完善的保護(hù)機(jī)制和可靠性設(shè)計(jì)。

（四）適配多種工作環(huán)境

無人機(jī)可能在不同溫度、濕度、氣壓等環(huán)境條件下工作，通訊接口芯片需要具備良好的環(huán)境適應(yīng)性。能夠在寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，抵御環(huán)境因素對性能的影響，確保電池管理系統(tǒng)在各種惡劣環(huán)境下的正常運(yùn)行。

三、CANFD工業(yè)級芯片的應(yīng)用適配性

（一）在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾性能

無人機(jī)的飛行環(huán)境復(fù)雜多變，面臨各種電磁干擾源，如電機(jī)、電子調(diào)速器、周邊無線通信設(shè)備等。ASM1042I采用差分傳輸方式，這種傳輸方式通過兩條導(dǎo)線上傳輸信號，一條為CANH（高電平線），另一條為CANL（低電平線）。兩條導(dǎo)線上的信號電平相反且幅度相等，當(dāng)受到外界電磁干擾時(shí)，干擾信號會(huì)在兩條導(dǎo)線上產(chǎn)生相同的電平波動(dòng)（共模干擾）。由于接收器檢測的是兩條導(dǎo)線之間的電位差，共模干擾會(huì)相互抵消，從而有效降低外界干擾對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

此外，ASM1042I還具備良好的抗電磁干擾（EMC）性能。在電磁兼容性（EMC）方面，CANFD工業(yè)級芯片ASM1042I支持SAEJ2962-2和IEC62228-3等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，無需額外添加共模扼流圈等抗干擾元件即可實(shí)現(xiàn)較高的抗干擾能力。這大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本，同時(shí)提高了通訊接口的抗干擾能力，使其能夠在無人機(jī)復(fù)雜電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作。

（二）高數(shù)據(jù)傳輸速率對電池管理效率的提升

ASM1042I支持最高達(dá)5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，相較于傳統(tǒng)CAN總線有了顯著提升。這一高速率特性對于無人機(jī)電池管理系統(tǒng)具有重要意義。無人機(jī)在飛行過程中，電池狀態(tài)信息（如電壓、電流、溫度等）需要實(shí)時(shí)快速傳輸至控制單元，以便及時(shí)調(diào)整飛行狀態(tài)和能量分配。尤其是在電池高負(fù)荷運(yùn)行或出現(xiàn)異常情況時(shí)，快速的數(shù)據(jù)更新對于保障飛行安全至關(guān)重要。

例如，在無人機(jī)執(zhí)行高速飛行任務(wù)或進(jìn)行復(fù)雜動(dòng)作時(shí)，電池的放電電流可能會(huì)瞬間增大，導(dǎo)致電池電壓快速下降。此時(shí)，電池管理系統(tǒng)需要在極短的時(shí)間內(nèi)檢測到這一變化，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制單元?？刂茊卧鶕?jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)整飛行姿態(tài)、降低電機(jī)轉(zhuǎn)速或采取其他措施，以避免電池過放電損壞，同時(shí)確保飛行安全。如果通訊接口的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)更新不及時(shí)，控制單元無法及時(shí)做出反應(yīng)，從而增加飛行風(fēng)險(xiǎn)。

（三）高可靠性和安全性特性對無人機(jī)飛行安全的保障

電池作為無人機(jī)的關(guān)鍵部件，其狀態(tài)直接關(guān)系到飛行安全。通訊接口必須具備高可靠性，能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，并具備故障診斷與保護(hù)功能。一旦出現(xiàn)通訊故障或異常數(shù)據(jù)傳輸，可能會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)失控或電池?fù)p壞，引發(fā)嚴(yán)重安全事故。因此，電池通訊接口芯片需要具備完善的保護(hù)機(jī)制和可靠性設(shè)計(jì)。

ASM1042I具備多種高可靠性和安全性特性。例如，其靜電放電（ESD）保護(hù)等級高達(dá)±15kV，能夠有效防止靜電放電對芯片的損壞。在實(shí)際應(yīng)用中，無人機(jī)在起降過程中可能會(huì)與地面或其他物體接觸，產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象。如果沒有足夠的ESD保護(hù)，靜電放電產(chǎn)生的高電壓脈沖可能會(huì)擊穿芯片內(nèi)部的電子元件，導(dǎo)致芯片損壞或功能異常。具備高ESD保護(hù)等級的ASM1042I能夠有效抵御此類風(fēng)險(xiǎn)。

此外，ASM1042I還具有總線故障保護(hù)功能，能夠抵御電池系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的過電壓和反極性連接等異常情況。在無人機(jī)電池充電或維護(hù)過程中，可能會(huì)出現(xiàn)接線錯(cuò)誤或電池故障導(dǎo)致的過電壓情況?？偩€故障保護(hù)功能可以防止過電壓損壞通訊接口芯片，保障整個(gè)電池管理系統(tǒng)的安全。

（四）寬溫度適應(yīng)性對無人機(jī)在不同環(huán)境下的適用性

無人機(jī)可能在不同溫度、濕度、氣壓等環(huán)境條件下工作，通訊接口芯片需要具備良好的環(huán)境適應(yīng)性。能夠在寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，抵御環(huán)境因素對性能的影響，確保電池管理系統(tǒng)在各種惡劣環(huán)境下的正常運(yùn)行。

ASM1042I設(shè)計(jì)了寬溫度范圍的工作區(qū)間，如工業(yè)級可達(dá)-40℃~85℃，企業(yè)宇航級可達(dá)-55℃~125℃。這一特性使得無人機(jī)能夠在高溫沙漠環(huán)境、低溫極地環(huán)境以及高海拔地區(qū)等多種復(fù)雜氣候條件下穩(wěn)定運(yùn)行。在高溫環(huán)境下，芯片的電氣性能和可靠性不會(huì)因溫度升高而顯著下降，能夠持續(xù)準(zhǔn)確地傳輸電池狀態(tài)數(shù)據(jù)。在低溫環(huán)境下，芯片也不會(huì)因低溫導(dǎo)致性能衰退或啟動(dòng)困難，確保無人機(jī)在寒冷地區(qū)的正常起飛和飛行。

（五）低功耗特性對無人機(jī)續(xù)航能力的提升

在功耗性能方面，ASM1042I在正常工作模式下的顯性功耗和隱性功耗均處于較低水平，待機(jī)模式功耗更是微乎其微。在正常工作模式下的顯性功耗為44.7mA（典型值），隱性功耗為1.33mA（典型值），待機(jī)模式功耗僅為0.1μA（典型值）。低功耗特性有助于延長無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，尤其在待機(jī)狀態(tài)下可大幅降低電量消耗，提高能源利用效率。

無人機(jī)在執(zhí)行長時(shí)間飛行任務(wù)或處于待命狀態(tài)時(shí)，電池電量的消耗主要集中在電池管理系統(tǒng)和通訊接口等部分。采用低功耗的ASM1042I可以有效減少這些部分的電量消耗，使得更多的電量能夠用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，延長無人機(jī)的飛行時(shí)間。這對于需要長時(shí)間懸停、長距離飛行或在偏遠(yuǎn)地區(qū)執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)尤為重要。

（六）多節(jié)點(diǎn)通信能力對無人機(jī)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的支持

多節(jié)點(diǎn)測試進(jìn)一步驗(yàn)證了ASM1042I在大規(guī)模CANFD網(wǎng)絡(luò)中的通信能力。在25節(jié)點(diǎn)多節(jié)點(diǎn)通信測試環(huán)境中，以1Mbps的仲裁域波特率和5Mbps的數(shù)據(jù)域波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送總幀數(shù)為120000幀，接收總幀數(shù)同樣為120000幀，錯(cuò)誤幀數(shù)量為0，表明芯片在多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)情況下具備良好的通信兼容性和穩(wěn)定性。

在無人機(jī)集群應(yīng)用中，多架無人機(jī)需要協(xié)同作業(yè)，共同完成復(fù)雜的任務(wù)，如大面積地形測繪、災(zāi)情偵察、物流配送等。每架無人機(jī)的電池管理系統(tǒng)通過CANFD網(wǎng)絡(luò)與其他無人機(jī)的控制系統(tǒng)以及地面指揮中心進(jìn)行通信。這種多節(jié)點(diǎn)通信能力可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間實(shí)時(shí)共享電池狀態(tài)信息，便于地面指揮中心統(tǒng)一調(diào)度和管理。例如，在物流配送中，地面指揮中心可以根據(jù)每架無人機(jī)的電池剩余電量合理分配任務(wù)，確保無人機(jī)能夠順利完成配送任務(wù)并安全返回，提高了整個(gè)無人機(jī)集群的運(yùn)行效率和可靠性。

（七）靈活性與兼容性對系統(tǒng)集成的便利性

ASM1042I的I/O電壓范圍支持3.3V和5VMCU，能夠適配不同廠商的微控制器，方便系統(tǒng)集成。芯片在未供電時(shí)具有理想無源行為，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)，不會(huì)對總線造成干擾，實(shí)現(xiàn)上電/斷電無干擾運(yùn)行。其引腳定義和功能設(shè)計(jì)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，易于與其他CANFD總線設(shè)備進(jìn)行互連互通。

在無人機(jī)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可能需要選用不同廠商的微控制器（MCU）來實(shí)現(xiàn)不同的功能模塊，如電池狀態(tài)監(jiān)測、電機(jī)控制、飛控系統(tǒng)等。ASM1042I的靈活性與兼容性使得這些不同廠商的MCU能夠通過CANFD總線進(jìn)行高效通信，減少了系統(tǒng)集成的復(fù)雜性和成本。

四、應(yīng)用領(lǐng)域解析

（一）工業(yè)級無人機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制

在工業(yè)巡檢領(lǐng)域，無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于電力線路巡檢、石油化工設(shè)備巡檢、大型橋梁巡檢等。這些應(yīng)用通常需要無人機(jī)在較大的區(qū)域內(nèi)飛行，并實(shí)時(shí)將電池狀態(tài)、飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸回地面控制中心。采用ASM1042I的無人機(jī)電池管理系統(tǒng)可以滿足這些要求。

例如，在電力線路巡檢中，無人機(jī)需要沿著高壓輸電線路飛行，檢測線路的運(yùn)行狀態(tài)、絕緣子的損壞情況等。由于電力線路通常分布在廣闊的區(qū)域，無人機(jī)需要具備較長的續(xù)航時(shí)間和穩(wěn)定的通信能力。ASM1042I的高數(shù)據(jù)傳輸速率和低功耗特性使得無人機(jī)延長飛行時(shí)間。此外，其強(qiáng)大的抗干擾能力可以抵御高壓輸電線路產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾，確保通信的可靠性。通過遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，地面工作人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路故障，提高巡檢效率和電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

（二）農(nóng)業(yè)無人機(jī)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著重要作用，如農(nóng)藥噴灑、種子播種、農(nóng)田監(jiān)測等。在這些應(yīng)用中，無人機(jī)需要根據(jù)農(nóng)田的地形、作物生長情況等信息進(jìn)行精確的作業(yè)規(guī)劃和實(shí)時(shí)調(diào)整。電池管理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測電池狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸至無人機(jī)的控制系統(tǒng)，以確保無人機(jī)在作業(yè)過程中的動(dòng)力供應(yīng)和飛行安全。

ASM1042I的高可靠性、寬溫度適應(yīng)性和低功耗特性使其適合農(nóng)業(yè)無人機(jī)的應(yīng)用環(huán)境。農(nóng)業(yè)無人機(jī)通常在戶外作業(yè)，面臨各種天氣條件，如高溫、低溫、潮濕等。ASM1042I能夠在寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，不受環(huán)境溫度變化的影響。同時(shí)，其低功耗特性可以延長無人機(jī)的作業(yè)時(shí)間，減少因電池電量不足導(dǎo)致的中途返航次數(shù)。此外，芯片的高抗干擾能力可以抵御農(nóng)田中可能出現(xiàn)的電磁干擾源，如灌溉設(shè)備、農(nóng)業(yè)機(jī)械等，確保電池狀態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，幫助無人機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的農(nóng)藥噴灑和農(nóng)田監(jiān)測，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

（三）物流無人機(jī)的高效配送與管理

物流無人機(jī)用于實(shí)現(xiàn)最后一公里的快遞配送，提高物流效率和服務(wù)質(zhì)量。在物流配送過程中，無人機(jī)需要頻繁起降、長距離飛行，并與地面物流管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。電池管理系統(tǒng)在確保無人機(jī)飛行安全和優(yōu)化電池使用效率方面起著關(guān)鍵作用。

采用ASM1042I的物流無人機(jī)電池管理系統(tǒng)可以提供高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和多種保護(hù)功能。在無人機(jī)起飛前，電池管理系統(tǒng)通過CANFD網(wǎng)絡(luò)將電池狀態(tài)信息傳輸至地面物流管理系統(tǒng)，確保電池電量充足、性能良好。在飛行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電壓、電流和溫度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至無人機(jī)的飛控系統(tǒng)，以便及時(shí)調(diào)整飛行軌跡和速度，避免電池過放電或過熱。在多機(jī)協(xié)同配送場景下，ASM1042I的多節(jié)點(diǎn)通信能力可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間實(shí)時(shí)共享電池狀態(tài)信息，便于地面物流管理系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度和管理，優(yōu)化配送路徑，提高物流效率。

（四）科研無人機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸

在科研領(lǐng)域，無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于大氣研究、地質(zhì)勘探、生物多樣性監(jiān)測等。這些應(yīng)用通常需要無人機(jī)攜帶各種科研儀器和傳感器，采集大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸至地面科研設(shè)備進(jìn)行分析。例如，在大氣研究中，無人機(jī)可以攜帶氣象傳感器，采集大氣中的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，用于研究大氣污染、氣候變化等。

ASM1042I的高數(shù)據(jù)傳輸速率和多節(jié)點(diǎn)通信能力可以滿足科研無人機(jī)對數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)母咭蟆？蒲袩o人機(jī)通常搭載多種傳感器，產(chǎn)生大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)。通過CANFD網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器可以與無人機(jī)的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行高速通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和融合。同時(shí)，ASM1042I的多節(jié)點(diǎn)通信能力可以支持多個(gè)科研無人機(jī)組成協(xié)同觀測網(wǎng)絡(luò)，共同采集不同區(qū)域的數(shù)據(jù)，提高科研實(shí)驗(yàn)的效率和覆蓋范圍。此外，芯片的高可靠性和抗干擾能力可以確保在復(fù)雜自然環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，保障科研數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

五、結(jié)論與展望

綜上所述，CANFD工業(yè)級芯片憑借其卓越的抗干擾能力、高數(shù)據(jù)傳輸速率、高可靠性、寬溫度適應(yīng)性、低功耗特性、多節(jié)點(diǎn)通信能力和良好的靈活性與兼容性，在無人機(jī)電池通訊接口應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢。這些特性能夠滿足無人機(jī)在復(fù)雜工況下對電池狀態(tài)監(jiān)測與管控的嚴(yán)苛要求，為無人機(jī)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

審核編輯 黃宇