發布日期：2022-04-22 點擊率：44
隨著越來越多的電池供電式無人機飛向天空，無人機制造商面臨著巨大的競爭壓力，要求他們擴展設計的功能和性能，同時將功耗降至最低以延長飛行時間。為了滿足市場需求，設計人員不斷添加更精密、更準確的加速計和陀螺儀，并升級相關固件以充分利用改進后的傳感器。無人機的物理功能也逐漸擴展至包括機載包和機載設備，而這需要改進穩定性和空氣制動程序以應對增加的重量。
設計人員面臨的問題是，無人機的重量和計算需求的增加會增大功耗，進而縮短給定電池尺寸下的飛行時間。此外，其他特性、功能和相關電子設備也增加了開發時間和測試成本。
提高集成度才是解決之道。本文將介紹 Octavo Systems 的系統級封裝 (SiP) 解決方案，這種解決方案幾乎是一臺微型無人機計算機。文中將展示如何利用這種自足式解決方案的特性來節省大量空間并減輕重量，以延長飛行時間，同時縮減物料清單 (BOM) 和開發時間，降低庫存以及測試成本。
無人機的應用范圍不斷擴大，從面向消費者并帶有用于家庭照片或友誼賽的相機的小型無人機，到各種更具挑戰性的角色，例如為快遞員投遞包裹、為牧場主跟蹤牲畜、為農場主監測農作物、為環保工作者監測海岸線變化，以及協助急救人員開展搜救行動等，不一而足。無論哪種應用，關系到飛行時間的電池續航時間都是選擇無人機的最關鍵因素之一。
電池續航時間顯然與無人機的重量有關，因此，無人機需要使用盡可能輕的材料，并能夠在動力飛行產生的應力與應變下保持飛機的框架。對于輕量化的這種關注從結構完整性一直延伸到控制無人機的電子設備。
為了獲得適當的飛行動力，必須通過均勻分配機架和機載電子元器件的重量來合理地平衡無人機。電子設備越小，無人機的重量就越容易平衡。理想情況下，重心應位于無人機的物理中心。任何重量失衡，無論幅度多么小，都必須通過調整螺旋槳的轉速加以補償，久而久之，這些調整就會消耗額外的動力，并浪費用戶寶貴的飛行時間。
消費者無人機和大多數商用無人機均使用 Wi-Fi 技術實現控制和數據傳輸。無人機飛得越遠，Wi-Fi 無線電就必須輸出越大的功率，才能保持與控制器的聯系，而這也是電池的另一個耗電大戶。
在無人機制造商千方百計減輕系統重量并降低系統成本的同時，用戶卻渴望獲得更多的功能和更高的性能，這讓無人機及其固件變得更加復雜。如此便會增加機載電子設備的數量和重量，同時也會影響無人機的平衡。
例如，無人機通常使用各種微機電系統 (MEMS) 和其他傳感器來維持穩定的飛行，同時監測航向和速度（圖 1）。全球定位系統 (GPS) 模塊可用于確定飛機的方位和方向；陀螺儀可用于測量俯仰和偏航；加速計可測量無人機的加速度和沖擊力；氣壓計可用于測量氣壓，以幫助確定當前大氣條件下的最佳螺旋槳轉速——氣壓較低時需要提高轉子轉速，氣壓較高時需要降低轉速；相機和接近傳感器則可實現障礙物檢測和避讓。此外，出于安全原因，可能使用多個冗余傳感器。
圖 1：現代四槳無人機具有各式各樣的 MEMS 傳感器、至少一個相機、用于微控制器固件或存儲照片的外部存儲卡，以及用于驅動螺旋槳的電機驅動器。（圖片來源：Octavo Systems）
這些傳感器的所有輸出都會饋送到操作無人機的微控制器。微控制器必須處理所有這些傳感器輸入，并使用它們來確定最高效的方法，為驅動螺旋槳的高耗電無刷直流 (BLDC) 電機供電。然而，隨著傳感器技術的逐年進步，無人機制造商不斷將最新、最準確和最精密的傳感器安裝到最新的無人機上。這需要更復雜的固件才能充分利用這些傳感器的增強功能。此外，飛行控制固件也在一直改進，尤其是自動駕駛無人機。所有這些改進不僅增加了固件的數量，還需要增強處理能力和大幅增加存儲器，才能準確地處理數據。
電子設備和功能的擴展給工程師提出了一項挑戰，要求他們設計出功耗更低的小尺寸解決方案，以滿足不斷增長的需求，同時將開發和測試成本降至最低。
若要應對更多功能，解決方案是提高電子設備的集成度。為此，Octavo Systems 開發了面向無人機的自足式計算機系統 OSD32MP15x 系列，全都采用單個封裝。例如，OSD32MP157C-512M-BAA 便是一款功能強大的器件，在單個 18 mm x 18 mm 球柵陣列 (BGA) 封裝中組合了 100 多個分立的單獨芯片元器件（圖 2）。
圖 2：Octavo Systems 的 OSD32MP157C-512M-BAA 是采用單個封裝的完整無人機系統，在 18 mm x 18 mm 封裝中結合了 100 多個分立的芯片元器件。（圖片來源：Octavo Systems）
OSD32MP157C-512M-BAA 具有兩個以 800 兆赫 (MHz) 頻率運行的 Arm? Cortex?-A7 內核（圖 3）。這便為實現極高性能的無人機提供了足夠的處理能力，而且能夠在無縫地處理傳感器數據的同時，將精準且不斷變化的脈沖寬度調制 (PWM) 信號發送至為 BLDC 螺旋槳電機提供動力的四個驅動器。每個 Cortex-A7 內核包含 33 KB 的 L1 指令緩存和 32 KB 的 L2 數據緩存。這些內核共用 256 KB 的 L2 緩存。飛行控制固件可以是遞歸的，而且這一數量的緩存大幅加快了導航和傳感器融合處理的速度。
額外的第三處理器是一個帶有浮點單元 (FPU) 的 209 MHz Arm Cortex-M4，它也在封裝內，可用于輔助處理，例如管理相機、監測電池和控制 Wi-Fi 通信。三個 eMMC / SD 卡接口可用于連接外部閃存卡，例如 microSD 存儲器。這適用于將固件加載到 SiP 中，以及存儲相機照片和視頻、飛行數據記錄、事件日志和 MEMS 傳感器日志。
處理器內核的其他存儲器包括 256 KB 的系統 RAM 和 384 KB 的微控制器 RAM。此外，還有 4 KB 的電池備用 RAM 和 3 KB 的一次性可編程 (OTP) 存儲器，適用于設備自定義，例如無人機序列號或選件包。
圖 3：Octavo Systems 的 OSD32MP157C-512M 是一個高度集成的單器件計算機，適用于高性能無人機系統。（圖片來源：Octavo Systems）
外部閃存程序存儲器接口包括兩個 QSPI 接口和一個 16 位外部 NAND 閃存接口，后者支持 8 位糾錯碼 (ECC)。這樣可以輕松訪問外部閃存，同時防范存儲器損壞或篡改。
兩個 USB 2.0 高速接口可用于器件配置和調試，如果需要額外的數據存儲，還可用于外部 USB 閃存。
512 MB 的高速 DDR3L DRAM 可用作板載 Cortex 內核的程序存儲器。該 DRAM 可以在啟動時從任何外部閃存接口加載。這便為高性能飛行數據固件提供了足夠的程序存儲器。任何外部存儲器接口的程序存儲器都有可能耗盡，但是固件的執行速度總是遠快于 DRAM 的耗盡速度。
4 KB 的 EEPROM 可用于存儲傳感器校準數據、飛行控制常數和飛行日志數據。存儲器保護功能可防止意外寫入受保護的 EEPROM。
多項安全功能可確保系統的安全性。Arm TrustZone 模塊以及對 AES-256 和 SHA-256 加密的支持，可用于確保更新期間的固件完整性以及對外部閃存卡中的數據進行加密。OSD32MP157C-512M 支持安全啟動以確保固件安全性，并支持安全的實時時鐘 (RTC)，以防止篡改無人機的時基。
各式各樣的串行端口包括六個 SPI、六個 I2C、四個 UART，以及四個可連接 MEMS 傳感器和 GPS 模塊的 USART 接口。兩個獨立的 22 通道 16 位模數轉換器 (ADC) 可以連接模擬傳感器（例如熱敏電阻和風速傳感器），而這些傳感器還可以執行電流檢測和閉環電機控制。三個 I2S 接口可以連接揚聲器或蜂鳴器之類的音頻設備。相機接口可輕松連接大多數 RGB 相機模塊。
此外，OSD32MP157C-512M 還集成了系統所需的所有分立元器件，包括電阻器、電容器、電感器和鐵氧體磁珠。這樣可以最大限度減少構建無人機系統時使用的外部分立元器件。
針對 PWM 電機控制，OSD32MP157C-512M 包括兩個 16 位先進電機控制定時器、十五個 16 位定時器和兩個 32 位定時器。這樣可以提供足夠的 PWM 信號來控制 BLDC 螺旋槳電機并獲得高精度，以及控制任何致動器，例如相機定位電機或機械臂。
OSD32MP157C-512M 只需要單個 2.8 伏至 5.5 伏的電源，因此適合采用標準的 3.7 伏鋰離子電池。內部電源管理芯片為所有獨立的內部元器件提供了必要的電壓。當 Cortex-A7 內核和 Cortex-M4 均以最大時鐘速度運行并且所有外設也在工作時，OSD32MP157C-512M 最多可消耗 2 安培 (A) 電流。由于集成度高且具有眾多操作選項，因此無法估算典型的電流消耗方案，而是由開發人員來確定特定應用的電流消耗情況。
與在電路板上使用分立元器件實現相同的功能相比，OSD32MP157C-512M 的電流消耗更低。這主要是由于以下事實：在緊湊封裝的 SiP 中使用單一芯片而不是封裝的元器件，可以極大地降低漏電電流，同時還能減少印刷電路板印制線電阻造成的功耗損失。
OSD32MP15x 系列的靜電放電 (ESD) 額定值為 ±1000 伏人體模型 (HBM) 和 ±500 伏帶電器件模型 (CDM)。因此，在操作該器件時必須格外小心。強烈建議切不可用手指接觸球柵觸點，并且僅在必要時才能抓握器件的邊緣。此外，OSD32MP15x 系列 SiP 器件對濕氣也很敏感。建議將無人機電子設備密封起來，一般而言，這對于無人機電子設備也是一個好主意，因為它們可能會與較多的濕氣、水蒸氣、云或雨水接觸。
為了提高無人機的性能，Octavo Systems 提供了 OSD3358-1G-ISM SiP 器件。該器件的功能與 OSD32MP157 相似，但在 21 mm x 21 mm BGA 封裝中包含了更強大的雙千兆赫 (GHz) Cortex-A8 及 1 GB DRAM。由于兩個 Cortex-A8 內核性能高，因此未包括附加的 Cortex-M4 處理器。
為了進行代碼開發，Octavo 提供了靈活的 OSD32MP1-BRK 原型開發平臺板（圖 4）。該評估板包含 OSD32MP157C-512M SiP 和擴展針座，后者用于連接 106 個數字 I/O 和外部外設信號。
圖 4：Octavo 的 OSD32MP1-BRK 是適用于 OSD32MP15x 系列 SiP 無人機器件的靈活原型開發平臺。它具有用于 microSD 卡的插槽以及用于開發和調試的 micro USB 端口。（圖片來源：Octavo Systems）
開發板可利用 microSD 卡插槽將外部閃存程序存儲器加載到 OSD32MP517-512M 的 DRAM 中。micro USB 端口可用于開發和固件調試，還可以為開發板供電。引導模式開關確定器件將從 microSD 卡還是從擴展針座上提供的任何外部存儲器接口啟動。
隨著無人機制造商不斷改善系統功能，開發人員面臨越來越大的挑戰，需要在提供這些功能的同時最大限度降低功耗和成本，以實現最佳的最終用戶體驗。
如上所示，單器件的高性能 SiP 無人機計算機具有極高的集成度。這簡化了設計過程，同時也使無人機更輕且更易于平衡，從而降低了電流消耗并延長了飛行時間，而這正是最終用戶高度重視的一項要求。
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 物聯網無線技術概述
