摘要 ：隨著無人機技術的飛速發(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電池通訊接口應用中，選用國科安芯推出的CANFD工業(yè)級芯片ASM1042I的關鍵考量因素與技術要點。通過對芯片特性、性能指標、測試數(shù)據(jù)及應用適配性等多維度的分析，旨在為無人機電池管理系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供堅實的技術支撐與選型參考，以滿足無人機在復雜工況下對電池狀態(tài)監(jiān)測與管控的嚴苛要求。

關鍵詞 ：無人機電池；CANFD；工業(yè)級芯片；通訊接口；應用領域

一、引言

無人機作為一種先進的航空設備，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實現(xiàn)電池與無人機控制單元之間的實時、準確數(shù)據(jù)交互，對于監(jiān)測電池狀態(tài)、優(yōu)化能量管理以及預防電池故障至關重要。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-rate）作為一種先進的通訊總線技術，以其高數(shù)據(jù)傳輸速率、強抗干擾能力和卓越的可靠性，在工業(yè)控制、汽車電子等領域廣泛應用，并逐漸成為無人機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、無人機電池通訊接口的技術需求

（一）高數(shù)據(jù)傳輸速率

無人機在飛行過程中，電池狀態(tài)信息（如電壓、電流、溫度等）需要實時快速傳輸至控制單元，以便及時調整飛行狀態(tài)和能量分配。尤其是在電池高負荷運行或出現(xiàn)異常情況時，快速的數(shù)據(jù)更新對于保障飛行安全至關重要。ASM1042I支持最高達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，能夠滿足無人機電池管理系統(tǒng)對實時性的嚴格要求。

（二）強大的抗干擾能力

無人機的飛行環(huán)境復雜多變，面臨各種電磁干擾源，如電機、電子調速器、周邊無線通信設備等。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)臏蚀_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

電池作為無人機的關鍵部件，其狀態(tài)直接關系到飛行安全。通訊接口必須具備高可靠性，能夠長時間穩(wěn)定運行，并具備故障診斷與保護功能。一旦出現(xiàn)通訊故障或異常數(shù)據(jù)傳輸，可能會導致無人機失控或電池損壞，引發(fā)嚴重安全事故。因此，電池通訊接口芯片需要具備完善的保護機制和可靠性設計。

（四）適配多種工作環(huán)境

無人機可能在不同溫度、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)境適應性。能夠在寬溫度范圍內穩(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)境下的正常運行。

三、CANFD工業(yè)級芯片的應用適配性

（一）在復雜電磁環(huán)境下的抗干擾性能

無人機的飛行環(huán)境復雜多變，面臨各種電磁干擾源，如電機、電子調速器、周邊無線通信設備等。ASM1042I采用差分傳輸方式，這種傳輸方式通過兩條導線上傳輸信號，一條為CANH（高電平線），另一條為CANL（低電平線）。兩條導線上的信號電平相反且幅度相等，當受到外界電磁干擾時，干擾信號會在兩條導線上產生相同的電平波動（共模干擾）。由于接收器檢測的是兩條導線之間的電位差，共模干擾會相互抵消，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等相關標準，無需額外添加共模扼流圈等抗干擾元件即可實現(xiàn)較高的抗干擾能力。這大大降低了系統(tǒng)設計的復雜性和成本，同時提高了通訊接口的抗干擾能力，使其能夠在無人機復雜電磁環(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電池管理系統(tǒng)具有重要意義。無人機在飛行過程中，電池狀態(tài)信息（如電壓、電流、溫度等）需要實時快速傳輸至控制單元，以便及時調整飛行狀態(tài)和能量分配。尤其是在電池高負荷運行或出現(xiàn)異常情況時，快速的數(shù)據(jù)更新對于保障飛行安全至關重要。

例如，在無人機執(zhí)行高速飛行任務或進行復雜動作時，電池的放電電流可能會瞬間增大，導致電池電壓快速下降。此時，電池管理系統(tǒng)需要在極短的時間內檢測到這一變化，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制單元?？刂茊卧鶕?jù)這些實時數(shù)據(jù)調整飛行姿態(tài)、降低電機轉速或采取其他措施，以避免電池過放電損壞，同時確保飛行安全。如果通訊接口的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，可能會導致數(shù)據(jù)更新不及時，控制單元無法及時做出反應，從而增加飛行風險。

（三）高可靠性和安全性特性對無人機飛行安全的保障

電池作為無人機的關鍵部件，其狀態(tài)直接關系到飛行安全。通訊接口必須具備高可靠性，能夠長時間穩(wěn)定運行，并具備故障診斷與保護功能。一旦出現(xiàn)通訊故障或異常數(shù)據(jù)傳輸，可能會導致無人機失控或電池損壞，引發(fā)嚴重安全事故。因此，電池通訊接口芯片需要具備完善的保護機制和可靠性設計。

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

此外，ASM1042I還具有總線故障保護功能，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。在無人機電池充電或維護過程中，可能會出現(xiàn)接線錯誤或電池故障導致的過電壓情況?？偩€故障保護功能可以防止過電壓損壞通訊接口芯片，保障整個電池管理系統(tǒng)的安全。

（四）寬溫度適應性對無人機在不同環(huán)境下的適用性

無人機可能在不同溫度、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)境適應性。能夠在寬溫度范圍內穩(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)境下的正常運行。

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

（五）低功耗特性對無人機續(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），待機模式功耗僅為0.1μA（典型值）。低功耗特性有助于延長無人機的續(xù)航時間，尤其在待機狀態(tài)下可大幅降低電量消耗，提高能源利用效率。

無人機在執(zhí)行長時間飛行任務或處于待命狀態(tài)時，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動電機，延長無人機的飛行時間。這對于需要長時間懸停、長距離飛行或在偏遠地區(qū)執(zhí)行任務的無人機尤為重要。

（六）多節(jié)點通信能力對無人機復雜網(wǎng)絡架構的支持

多節(jié)點測試進一步驗證了ASM1042I在大規(guī)模CANFD網(wǎng)絡中的通信能力。在25節(jié)點多節(jié)點通信測試環(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，錯誤幀數(shù)量為0，表明芯片在多節(jié)點組網(wǎng)情況下具備良好的通信兼容性和穩(wěn)定性。

在無人機集群應用中，多架無人機需要協(xié)同作業(yè)，共同完成復雜的任務，如大面積地形測繪、災情偵察、物流配送等。每架無人機的電池管理系統(tǒng)通過CANFD網(wǎng)絡與其他無人機的控制系統(tǒng)以及地面指揮中心進行通信。這種多節(jié)點通信能力可以實現(xiàn)無人機之間實時共享電池狀態(tài)信息，便于地面指揮中心統(tǒng)一調度和管理。例如，在物流配送中，地面指揮中心可以根據(jù)每架無人機的電池剩余電量合理分配任務，確保無人機能夠順利完成配送任務并安全返回，提高了整個無人機集群的運行效率和可靠性。

（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。芯片在未供電時具有理想無源行為，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)，不會對總線造成干擾，實現(xiàn)上電/斷電無干擾運行。其引腳定義和功能設計符合行業(yè)標準，易于與其他CANFD總線設備進行互連互通。

在無人機電池管理系統(tǒng)的設計中，可能需要選用不同廠商的微控制器（MCU）來實現(xiàn)不同的功能模塊，如電池狀態(tài)監(jiān)測、電機控制、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總線進行高效通信，減少了系統(tǒng)集成的復雜性和成本。

四、應用領域解析

（一）工業(yè)級無人機的遠程監(jiān)測與控制

在工業(yè)巡檢領域，無人機被廣泛應用于電力線路巡檢、石油化工設備巡檢、大型橋梁巡檢等。這些應用通常需要無人機在較大的區(qū)域內飛行，并實時將電池狀態(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，無人機需要沿著高壓輸電線路飛行，檢測線路的運行狀態(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，無人機需要具備較長的續(xù)航時間和穩(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延長飛行時間。此外，其強大的抗干擾能力可以抵御高壓輸電線路產生的強電磁干擾，確保通信的可靠性。通過遠程監(jiān)測與控制，地面工作人員可以及時發(fā)現(xiàn)線路故障，提高巡檢效率和電網(wǎng)運行的安全性。

（二）農業(yè)無人機的精準農業(yè)應用

農業(yè)無人機在精準農業(yè)中發(fā)揮著重要作用，如農藥噴灑、種子播種、農田監(jiān)測等。在這些應用中，無人機需要根據(jù)農田的地形、作物生長情況等信息進行精確的作業(yè)規(guī)劃和實時調整。電池管理系統(tǒng)需要實時監(jiān)測電池狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸至無人機的控制系統(tǒng)，以確保無人機在作業(yè)過程中的動力供應和飛行安全。

ASM1042I的高可靠性、寬溫度適應性和低功耗特性使其適合農業(yè)無人機的應用環(huán)境。農業(yè)無人機通常在戶外作業(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穩(wěn)定工作，不受環(huán)境溫度變化的影響。同時，其低功耗特性可以延長無人機的作業(yè)時間，減少因電池電量不足導致的中途返航次數(shù)。此外，芯片的高抗干擾能力可以抵御農田中可能出現(xiàn)的電磁干擾源，如灌溉設備、農業(yè)機械等，確保電池狀態(tài)數(shù)據(jù)的準確傳輸，幫助無人機實現(xiàn)精準的農藥噴灑和農田監(jiān)測，提高農業(yè)生產的效率和質量。

（三）物流無人機的高效配送與管理

物流無人機用于實現(xiàn)最后一公里的快遞配送，提高物流效率和服務質量。在物流配送過程中，無人機需要頻繁起降、長距離飛行，并與地面物流管理系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)交互。電池管理系統(tǒng)在確保無人機飛行安全和優(yōu)化電池使用效率方面起著關鍵作用。

采用ASM1042I的物流無人機電池管理系統(tǒng)可以提供高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和多種保護功能。在無人機起飛前，電池管理系統(tǒng)通過CANFD網(wǎng)絡將電池狀態(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，實時監(jiān)測電池電壓、電流和溫度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至無人機的飛控系統(tǒng)，以便及時調整飛行軌跡和速度，避免電池過放電或過熱。在多機協(xié)同配送場景下，ASM1042I的多節(jié)點通信能力可以實現(xiàn)無人機之間實時共享電池狀態(tài)信息，便于地面物流管理系統(tǒng)統(tǒng)一調度和管理，優(yōu)化配送路徑，提高物流效率。

（四）科研無人機的實驗數(shù)據(jù)采集與傳輸

在科研領域，無人機被廣泛應用于大氣研究、地質勘探、生物多樣性監(jiān)測等。這些應用通常需要無人機攜帶各種科研儀器和傳感器，采集大量的實驗數(shù)據(jù)，并實時傳輸至地面科研設備進行分析。例如，在大氣研究中，無人機可以攜帶氣象傳感器，采集大氣中的溫度、濕度、氣壓、風速等數(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)點通信能力可以滿足科研無人機對數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)母咭??？蒲袩o人機通常搭載多種傳感器，產生大量的異構數(shù)據(jù)。通過CANFD網(wǎng)絡，這些傳感器可以與無人機的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊進行高速通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和融合。同時，ASM1042I的多節(jié)點通信能力可以支持多個科研無人機組成協(xié)同觀測網(wǎng)絡，共同采集不同區(qū)域的數(shù)據(jù)，提高科研實驗的效率和覆蓋范圍。此外，芯片的高可靠性和抗干擾能力可以確保在復雜自然環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸質量，保障科研數(shù)據(jù)的完整性和準確性。

五、結論與展望

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、寬溫度適應性、低功耗特性、多節(jié)點通信能力和良好的靈活性與兼容性，在無人機電池通訊接口應用中具有顯著的優(yōu)勢。這些特性能夠滿足無人機在復雜工況下對電池狀態(tài)監(jiān)測與管控的嚴苛要求，為無人機在各個應用領域的發(fā)展提供了有力的技術支持。

審核編輯 黃宇