摘要 ：隨著無人機技術的飛速發展，其電池管理系統對于高可靠、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、測試數據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的設計與優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監測與管控的嚴苛要求。

關鍵詞 ：無人機電池；CANFD；工業級芯片；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，其電池管理系統是保障飛行安全與性能的核心環節。高效的電池通訊接口能夠實現電池與無人機控制單元之間的實時、準確數據交互，對于監測電池狀態、優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，以其高數據傳輸速率、強抗干擾能力和卓越的可靠性，在工業控制、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）高數據傳輸速率

無人機在飛行過程中，電池狀態信息（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和能量分配。尤其是在電池高負荷運行或出現異常情況時，快速的數據更新對于保障飛行安全至關重要。ASM1042I支持最高達5Mbps的數據傳輸速率，相較于傳統CAN總線有了顯著提升，能夠滿足無人機電池管理系統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境下穩定工作，確保數據傳輸的準確性。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據傳輸的影響。

（三）高可靠性與安全性

電池作為無人機的關鍵部件，其狀態直接關系到飛行安全。通訊接口必須具備高可靠性，能夠長時間穩定運行，并具備故障診斷與保護功能。一旦出現通訊故障或異常數據傳輸，可能會導致無人機失控或電池損壞，引發嚴重安全事故。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）適配多種工作環境

無人機可能在不同溫度、濕度、氣壓等環境條件下工作，通訊接口芯片需要具備良好的環境適應性。能夠在寬溫度范圍內穩定工作，抵御環境因素對性能的影響，確保電池管理系統在各種惡劣環境下的正常運行。

三、CANFD工業級芯片的應用適配性

（一）在復雜電磁環境下的抗干擾性能

無人機的飛行環境復雜多變，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的影響。

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較高的抗干擾能力。這大大降低了系統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境中穩定工作。

（二）高數據傳輸速率對電池管理效率的提升

ASM1042I支持最高達5Mbps的數據傳輸速率，相較于傳統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具有重要意義。無人機在飛行過程中，電池狀態信息（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和能量分配。尤其是在電池高負荷運行或出現異常情況時，快速的數據更新對于保障飛行安全至關重要。

例如，在無人機執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，電池管理系統需要在極短的時間內檢測到這一變化，并將數據傳輸至控制單元。控制單元根據這些實時數據調整飛行姿態、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。如果通訊接口的數據傳輸速率較低，可能會導致數據更新不及時，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，能夠長時間穩定運行，并具備故障診斷與保護功能。一旦出現通訊故障或異常數據傳輸，可能會導致無人機失控或電池損壞，引發嚴重安全事故。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，能夠抵御電池系統中可能出現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，可能會出現接線錯誤或電池故障導致的過電壓情況。總線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的安全。

（四）寬溫度適應性對無人機在不同環境下的適用性

無人機可能在不同溫度、濕度、氣壓等環境條件下工作，通訊接口芯片需要具備良好的環境適應性。能夠在寬溫度范圍內穩定工作，抵御環境因素對性能的影響，確保電池管理系統在各種惡劣環境下的正常運行。

ASM1042I設計了寬溫度范圍的工作區間，如工業級可達-40℃~85℃，企業宇航級可達-55℃~125℃。這一特性使得無人機能夠在高溫沙漠環境、低溫極地環境以及高海拔地區等多種復雜氣候條件下穩定運行。在高溫環境下，芯片的電氣性能和可靠性不會因溫度升高而顯著下降，能夠持續準確地傳輸電池狀態數據。在低溫環境下，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的正常起飛和飛行。

（五）低功耗特性對無人機續航能力的提升

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航時間，尤其在待機狀態下可大幅降低電量消耗，提高能源利用效率。

無人機在執行長時間飛行任務或處于待命狀態時，電池電量的消耗主要集中在電池管理系統和通訊接口等部分。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執行任務的無人機尤為重要。

（六）多節點通信能力對無人機復雜網絡架構的支持

多節點測試進一步驗證了ASM1042I在大規模CANFD網絡中的通信能力。在25節點多節點通信測試環境中，以1Mbps的仲裁域波特率和5Mbps的數據域波特率進行數據傳輸，發送總幀數為120000幀，接收總幀數同樣為120000幀，錯誤幀數量為0，表明芯片在多節點組網情況下具備良好的通信兼容性和穩定性。

在無人機集群應用中，多架無人機需要協同作業，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通過CANFD網絡與其他無人機的控制系統以及地面指揮中心進行通信。這種多節點通信能力可以實現無人機之間實時共享電池狀態信息，便于地面指揮中心統一調度和管理。例如，在物流配送中，地面指揮中心可以根據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，不會對總線造成干擾，實現上電/斷電無干擾運行。其引腳定義和功能設計符合行業標準，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的設計中，可能需要選用不同廠商的微控制器（MCU）來實現不同的功能模塊，如電池狀態監測、電機控制、飛控系統等。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，減少了系統集成的復雜性和成本。

四、應用領域解析

（一）工業級無人機的遠程監測與控制

在工業巡檢領域，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域內飛行，并實時將電池狀態、飛行姿態等數據傳輸回地面控制中心。采用ASM1042I的無人機電池管理系統可以滿足這些要求。

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、絕緣子的損壞情況等。由于電力線路通常分布在廣闊的區域，無人機需要具備較長的續航時間和穩定的通信能力。ASM1042I的高數據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。通過遠程監測與控制，地面工作人員可以及時發現線路故障，提高巡檢效率和電網運行的安全性。

（二）農業無人機的精準農業應用

農業無人機在精準農業中發揮著重要作用，如農藥噴灑、種子播種、農田監測等。在這些應用中，無人機需要根據農田的地形、作物生長情況等信息進行精確的作業規劃和實時調整。電池管理系統需要實時監測電池狀態，并將數據傳輸至無人機的控制系統，以確保無人機在作業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無人機的應用環境。農業無人機通常在戶外作業，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定工作，不受環境溫度變化的影響。同時，其低功耗特性可以延長無人機的作業時間，減少因電池電量不足導致的中途返航次數。此外，芯片的高抗干擾能力可以抵御農田中可能出現的電磁干擾源，如灌溉設備、農業機械等，確保電池狀態數據的準確傳輸，幫助無人機實現精準的農藥噴灑和農田監測，提高農業生產的效率和質量。

（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進行實時數據交互。電池管理系統在確保無人機飛行安全和優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可以提供高速、可靠的數據傳輸和多種保護功能。在無人機起飛前，電池管理系統通過CANFD網絡將電池狀態信息傳輸至地面物流管理系統，確保電池電量充足、性能良好。在飛行過程中，實時監測電池電壓、電流和溫度等參數，并將數據傳輸至無人機的飛控系統，以便及時調整飛行軌跡和速度，避免電池過放電或過熱。在多機協同配送場景下，ASM1042I的多節點通信能力可以實現無人機之間實時共享電池狀態信息，便于地面物流管理系統統一調度和管理，優化配送路徑，提高物流效率。

（四）科研無人機的實驗數據采集與傳輸

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，采集大量的實驗數據，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、風速等數據，用于研究大氣污染、氣候變化等。

ASM1042I的高數據傳輸速率和多節點通信能力可以滿足科研無人機對數據采集與傳輸的高要求。科研無人機通常搭載多種傳感器，產生大量的異構數據。通過CANFD網絡，這些傳感器可以與無人機的控制系統和數據采集模塊進行高速通信，實現數據的實時采集和融合。同時，ASM1042I的多節點通信能力可以支持多個科研無人機組成協同觀測網絡，共同采集不同區域的數據，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境下的數據傳輸質量，保障科研數據的完整性和準確性。

五、結論與展望

綜上所述，CANFD工業級芯片憑借其卓越的抗干擾能力、高數據傳輸速率、高可靠性、寬溫度適應性、低功耗特性、多節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勢。這些特性能夠滿足無人機在復雜工況下對電池狀態監測與管控的嚴苛要求，為無人機在各個應用領域的發展提供了有力的技術支持。

審核編輯 黃宇