提供可預測和無差錯的通信，CAN總線網絡三十多年來一直是汽車行業的主力軍。然而，他們最近在包括無人機在內的其他工業應用中找到了新的生命。在此設計解決方案中，我們展示了CAN收發器在無人機設計中的應用位置和方式，并解釋了為什么在此應用中使用時，它們必須具有高水平的電氣保護。

介紹

俗話說，“如果它沒有壞，就不要修理它。盡管它可能不是新的和令人興奮的，但也許正是控制器局域網（CAN）接口的非常簡單性和可靠性使其不僅能夠生存，而且在汽車行業已成為的技術叢林中繼續蓬勃發展。在一個功能和可靠性至關重要的市場中，豪華車型（可以包含多達150個電子控制單元）的駕駛員很可能不知道（或不關心）允許這些控制器相互通信的接口現在已經有三十多年的歷史了。其他電動產品（包括工業無人機）的設計師現在正在尋求利用界面世界的“熟練工”可以為他們的產品帶來的一些好處，這也許不足為奇。

2020年的市場預測估計為9億美元，以及從軍事到作物檢查，從航空攝影到執法的許多應用，很難想象無人機未來將用于什么。在此設計解決方案中，我們考慮了無人機設計的基礎知識，并討論了這給CAN收發器帶來的機遇和挑戰。然后，我們將介紹一款CAN收發器IC，最適合滿足這項新興技術的一些獨特要求。

無人機設計基礎

無人機設計中的基本電子設備包括：

導航

全球定位系統

機動性

電機控制

螺旋槳

照相機

云臺功能

自主操作

自動穩定

兩組高效無刷直流 （BLDC） 電機與主控制器通信，這會影響無人機的位置和攝像機位置。在后臺，全球定位系統（GPS）、加速度計和陀螺儀等機載傳感器向無人機控制器提供方向信息。螺旋槳和相機穩定電機需要具有強大協議的可靠通信物理骨干。CAN是此功能的絕佳候選者。

電機控制板

螺旋槳電機控制電子設備包括串行通信設備、BLDC 電機及其驅動器的物理層。在這里，除了多主/多從通信外，CAN總線還可用于提供實時控制、高級錯誤處理。飛行控制電路（圖2）是無人機系統的核心。雖然每個電機獨立工作，但它也必須與其他電機協同運行。

圖2.無人機的飛行控制板從四到八個螺旋槳發動機發送消息。

CAN 總線是允許主控制板與負責每個電機的控制器通信的理想選擇（圖 3）。

圖3.無人機電機的詳細框圖。

BLDC 電機的轉子輪轂上安裝了永磁體，定子臂上安裝了感應繞組。這些電機使用磁極之間的吸引力或排斥力的概念。當電感繞組中的電流流動產生磁極時，電機運動開始，吸引最近的磁荷相反的永轉子磁鐵。轉子的軸連接到輪轂，當電流切換到相鄰線圈時移動。每個繞組的這種充電順序要求轉子不斷跟隨。飛行控制系統管理來自傳感器和預編程飛行計劃或來自地面用戶的消息，并適當調整各個電機速度。

云臺功能

無人機云臺有自己的電機組，可將相機相對于地平線保持在相同的位置。云臺旋轉圍繞 x、y 和 z 軸旋轉的相機支架。這提供了相機或其他傳感器的穩定性和指向。云臺和主控制器板之間的可靠通信也可以通過使用CAN總線接口來實現。

無人機保護

CAN固有的單總線仲裁協議功能和可靠的錯誤檢查是將其用于廣播、農藥分配以及向住宅或商業建筑運送貨物等關鍵應用的工業無人機的一些主要原因。但是，在選擇CAN收發器時，還需要尋找其他一些附加功能。首先，IC必須使CAN總線盡可能魯棒。由于許多強大的電機同時運行，功率浪涌在無人機電路中很常見，尤其是在需要快速提升最大升力的時候。這些浪涌可能會耦合到CAN總線上，從而改變其共模電壓并中斷主板控制器與一個或多個電機控制器之間的通信。對于空中無人機來說，即使是控制器之間數據通信的暫時中斷也可能產生災難性的后果。為了防止這種情況，選擇具有最高共模輸入電壓范圍（CMR）的CAN收發器IC非常重要。其次，為了防止制造過程中的損壞（例如由于手動操作或意外接觸其他電氣設備），高水平的ESD和電池短路保護也是必要的功能。小尺寸（減少電路板空間）和低工作電壓（延長電池壽命）也很重要。

小巧但堅固耐用

MAX33040E（圖4）為3.3V、5Mbps CAN收發器，完全符合CAN標準。該IC的一個重要優點是提供±25V擴展CMR，超過ISO 11898-2 CAN標準（-2V至+7V）。這確保了在電涌期間與無人機電機的持續可靠通信。它還提供 ±40kV 的 ESD HBM 保護，以保護 IC 在無人機組裝過程中免受潛在損壞。該收發器還具有擴展±40V故障保護的優點，使其適用于需要過壓保護的設備，并防止短路時損壞。

圖4.MAX33040E 3.3V、5Mbps CAN收發器完全符合CAN標準。

該收發器采用 8 引腳 SOIC 封裝。但是，對于空間受限的應用，它也可以采用8引腳SOT23封裝，其優點是體積縮小40%，并可實現該封裝尺寸中最可靠的CAN總線實現。

總結

提供可預測和無差錯的通信，CAN總線網絡三十多年來一直是汽車行業的主力軍。然而，他們最近在包括無人機在內的其他工業應用中找到了新的生命。在此設計解決方案中，我們展示了CAN收發器在無人機設計中的應用位置和方式，并解釋了為什么在此應用中使用時，它們必須具有高水平的電氣保護。最后，我們展示了一種低電壓、小尺寸IC，使工業無人機的CAN總線盡可能堅固。除無人機應用外，該CAN收發器IC還適用于其他工業設備以及儀器儀表和樓宇自動化系統。

審核編輯：郭婷