为您的工业无人机设计带来CAN-DO的态度

提供可预测和无差错的通信，CAN总线网络三十多年来一直是汽车行业的主力军。然而，他们最近在包括无人机在内的其他工业应用中找到了新的生命。在此设计解决方案中，我们展示了CAN收发器在无人机设计中的应用位置和方式，并解释了为什么在此应用中使用时，它们必须具有高水平的电气保护。

介绍

俗话说，“如果它没有坏，就不要修理它。尽管它可能不是新的和令人兴奋的，但也许正是控制器局域网（CAN）接口的非常简单性和可靠性使其不仅能够生存，而且在汽车行业已成为的技术丛林中继续蓬勃发展。在一个功能和可靠性至关重要的市场中，豪华车型（可以包含多达150个电子控制单元）的驾驶员很可能不知道（或不关心）允许这些控制器相互通信的接口现在已经有三十多年的历史了。其他电动产品（包括工业无人机）的设计师现在正在寻求利用界面世界的“熟练工”可以为他们的产品带来的一些好处，这也许不足为奇。

2020年的市场预测估计为9亿美元，以及从军事到作物检查，从航空摄影到执法的许多应用，很难想象无人机未来将用于什么。在此设计解决方案中，我们考虑了无人机设计的基础知识，并讨论了这给CAN收发器带来的机遇和挑战。然后，我们将介绍一款CAN收发器IC，最适合满足这项新兴技术的一些独特要求。

无人机设计基础

无人机设计中的基本电子设备包括：

导航

全球定位系统

机动性

电机控制

螺旋桨

照相机

云台功能

自主操作

自动稳定

两组高效无刷直流 （BLDC） 电机与主控制器通信，这会影响无人机的位置和摄像机位置。在后台，全球定位系统（GPS）、加速度计和陀螺仪等机载传感器向无人机控制器提供方向信息。螺旋桨和相机稳定电机需要具有强大协议的可靠通信物理骨干。CAN是此功能的绝佳候选者。

电机控制板

螺旋桨电机控制电子设备包括串行通信设备、BLDC 电机及其驱动器的物理层。在这里，除了多主/多从通信外，CAN总线还可用于提供实时控制、高级错误处理。飞行控制电路（图2）是无人机系统的核心。虽然每个电机独立工作，但它也必须与其他电机协同运行。

图2.无人机的飞行控制板从四到八个螺旋桨发动机发送消息。

CAN 总线是允许主控制板与负责每个电机的控制器通信的理想选择（图 3）。

图3.无人机电机的详细框图。

BLDC 电机的转子轮毂上安装了永磁体，定子臂上安装了感应绕组。这些电机使用磁极之间的吸引力或排斥力的概念。当电感绕组中的电流流动产生磁极时，电机运动开始，吸引最近的磁荷相反的永转子磁铁。转子的轴连接到轮毂，当电流切换到相邻线圈时移动。每个绕组的这种充电顺序要求转子不断跟随。飞行控制系统管理来自传感器和预编程飞行计划或来自地面用户的消息，并适当调整各个电机速度。

云台功能

无人机云台有自己的电机组，可将相机相对于地平线保持在相同的位置。云台旋转围绕 x、y 和 z 轴旋转的相机支架。这提供了相机或其他传感器的稳定性和指向。云台和主控制器板之间的可靠通信也可以通过使用CAN总线接口来实现。

无人机保护

CAN固有的单总线仲裁协议功能和可靠的错误检查是将其用于广播、农药分配以及向住宅或商业建筑运送货物等关键应用的工业无人机的一些主要原因。但是，在选择CAN收发器时，还需要寻找其他一些附加功能。首先，IC必须使CAN总线尽可能鲁棒。由于许多强大的电机同时运行，功率浪涌在无人机电路中很常见，尤其是在需要快速提升最大升力的时候。这些浪涌可能会耦合到CAN总线上，从而改变其共模电压并中断主板控制器与一个或多个电机控制器之间的通信。对于空中无人机来说，即使是控制器之间数据通信的暂时中断也可能产生灾难性的后果。为了防止这种情况，选择具有最高共模输入电压范围（CMR）的CAN收发器IC非常重要。其次，为了防止制造过程中的损坏（例如由于手动操作或意外接触其他电气设备），高水平的ESD和电池短路保护也是必要的功能。小尺寸（减少电路板空间）和低工作电压（延长电池寿命）也很重要。

小巧但坚固耐用

MAX33040E（图4）为3.3V、5Mbps CAN收发器，完全符合CAN标准。该IC的一个重要优点是提供±25V扩展CMR，超过ISO 11898-2 CAN标准（-2V至+7V）。这确保了在电涌期间与无人机电机的持续可靠通信。它还提供 ±40kV 的 ESD HBM 保护，以保护 IC 在无人机组装过程中免受潜在损坏。该收发器还具有扩展±40V故障保护的优点，使其适用于需要过压保护的设备，并防止短路时损坏。

图4.MAX33040E 3.3V、5Mbps CAN收发器完全符合CAN标准。

该收发器采用 8 引脚 SOIC 封装。但是，对于空间受限的应用，它也可以采用8引脚SOT23封装，其优点是体积缩小40%，并可实现该封装尺寸中最可靠的CAN总线实现。

总结

提供可预测和无差错的通信，CAN总线网络三十多年来一直是汽车行业的主力军。然而，他们最近在包括无人机在内的其他工业应用中找到了新的生命。在此设计解决方案中，我们展示了CAN收发器在无人机设计中的应用位置和方式，并解释了为什么在此应用中使用时，它们必须具有高水平的电气保护。最后，我们展示了一种低电压、小尺寸IC，使工业无人机的CAN总线尽可能坚固。除无人机应用外，该CAN收发器IC还适用于其他工业设备以及仪器仪表和楼宇自动化系统。

审核编辑：郭婷