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隨著(zhù)越來(lái)越多的電池供電式無(wú)人機飛向天空，無(wú)人機制造商面臨著(zhù)巨大的競爭壓力，要求他們擴展設計的功能和性能，同時(shí)將功耗降至最低以延長(cháng)飛行時(shí)間。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)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(guān)固件以充分利用改進(jìn)后的傳感器。無(wú)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(jìn)穩定性和空氣制動(dòng)程序以應對增加的重量。 設計人員面臨的問(wèn)題是，無(wú)人機的重量和計算需求的增加會(huì )增大功耗，進(jìn)而縮短給定電池尺寸下的飛行時(shí)間。此外，其他特性、功能和相關(guān)電子設備也增加了開(kāi)發(fā)時(shí)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(wú)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(lái)節省大量空間并減輕重量，以延長(cháng)飛行時(shí)間，同時(shí)縮減物料清單 (BOM) 和開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低庫存以及測試成本。 無(wú)人機技術(shù) 無(wú)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(wú)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(chǎng)主跟蹤牲畜、為農場(chǎng)主監測農作物、為環(huán)保工作者監測海岸線(xiàn)變化，以及協(xié)助急救人員開(kāi)展搜救行動(dòng)等，不一而足。無(wú)論哪種應用，關(guān)系到飛行時(shí)間的電池續航時(shí)間都是選擇無(wú)人機的最關(guān)鍵因素之一。 電池續航時(shí)間顯然與無(wú)人機的重量有關(guān)，因此，無(wú)人機需要使用盡可能輕的材料，并能夠在動(dòng)力飛行產(chǎn)生的應力與應變下保持飛機的框架。對于輕量化的這種關(guān)注從結構完整性一直延伸到控制無(wú)人機的電子設備。 為了獲得適當的飛行動(dòng)力，必須通過(guò)均勻分配機架和機載電子元器件的重量來(lái)合理地平衡無(wú)人機。電子設備越小，無(wú)人機的重量就越容易平衡。理想情況下，重心應位于無(wú)人機的物理中心。任何重量失衡，無(wú)論幅度多么小，都必須通過(guò)調整螺旋槳的轉速加以補償，久而久之，這些調整就會(huì )消耗額外的動(dòng)力，并浪費用戶(hù)寶貴的飛行時(shí)間。 消費者無(wú)人機和大多數商用無(wú)人機均使用 Wi-Fi 技術(shù)實(shí)現控制和數據傳輸。無(wú)人機飛得越遠，Wi-Fi 無(wú)線(xiàn)電就必須輸出越大的功率，才能保持與控制器的聯(lián)系，而這也是電池的另一個(gè)耗電大戶(hù)。 無(wú)人機傳感器及處理 在無(wú)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(shí)，用戶(hù)卻渴望獲得更多的功能和更高的性能，這讓無(wú)人機及其固件變得更加復雜。如此便會(huì )增加機載電子設備的數量和重量，同時(shí)也會(huì )影響無(wú)人機的平衡。 例如，無(wú)人機通常使用各種微機電系統 (MEMS) 和其他傳感器來(lái)維持穩定的飛行，同時(shí)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(wú)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(shí)需要提高轉子轉速，氣壓較高時(shí)需要降低轉速；相機和接近傳感器則可實(shí)現障礙物檢測和避讓。此外，出于安全原因，可能使用多個(gè)冗余傳感器。 
圖 1：現代四槳無(wú)人機具有各式各樣的 MEMS 傳感器、至少一個(gè)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(dòng)螺旋槳的電機驅動(dòng)器。（圖片來(lái)源：Octavo Systems） 這些傳感器的所有輸出都會(huì )饋送到操作無(wú)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(lái)確定最高效的方法，為驅動(dòng)螺旋槳的高耗電無(wú)刷直流 (BLDC) 電機供電。然而，隨著(zhù)傳感器技術(shù)的逐年進(jìn)步，無(wú)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(wú)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(jìn)，尤其是自動(dòng)駕駛無(wú)人機。所有這些改進(jìn)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(mǎn)足不斷增長(cháng)的需求，同時(shí)將開(kāi)發(fā)和測試成本降至最低。 SiP 無(wú)人機器件 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(kāi)發(fā)了面向無(wú)人機的自足式計算機系統 OSD32MP15x 系列，全都采用單個(gè)封裝。例如，OSD32MP157C-512M-BAA 便是一款功能強大的器件，在單個(gè) 18 mm x 18 mm 球柵陣列 (BGA) 封裝中組合了 100 多個(gè)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(gè)封裝的完整無(wú)人機系統，在 18 mm x 18 mm 封裝中結合了 100 多個(gè)分立的芯片元器件。（圖片來(lái)源：Octavo Systems） OSD32MP157C-512M-BAA 具有兩個(gè)以 800 兆赫 (MHz) 頻率運行的 Arm® Cortex®-A7 內核（圖 3）。這便為實(shí)現極高性能的無(wú)人機提供了足夠的處理能力，而且能夠在無(wú)縫地處理傳感器數據的同時(shí)，將精準且不斷變化的脈沖寬度調制 (PWM) 信號發(fā)送至為 BLDC 螺旋槳電機提供動(dòng)力的四個(gè)驅動(dòng)器。每個(gè) 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(gè)帶有浮點(diǎn)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(gè) 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(wú)人機序列號或選件包。
圖 3：Octavo Systems 的 OSD32MP157C-512M 是一個(gè)高度集成的單器件計算機，適用于高性能無(wú)人機系統。（圖片來(lái)源：Octavo Systems） 外部閃存程序存儲器接口包括兩個(gè) QSPI 接口和一個(gè) 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(fǎng)問(wèn)外部閃存，同時(shí)防范存儲器損壞或篡改。 兩個(gè) 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(dòng)時(shí)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(xiě)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(jìn)行加密。OSD32MP157C-512M 支持安全啟動(dòng)以確保固件安全性，并支持安全的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)，以防止篡改無(wú)人機的時(shí)基。 各式各樣的串行端口包括六個(gè) SPI、六個(gè) I2C、四個(gè) UART，以及四個(gè)可連接 MEMS 傳感器和 GPS 模塊的 USART 接口。兩個(gè)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(fēng)速傳感器），而這些傳感器還可以執行電流檢測和閉環(huán)電機控制。三個(gè) I2S 接口可以連接揚聲器或蜂鳴器之類(lèi)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(wú)人機系統時(shí)使用的外部分立元器件。 針對 PWM 電機控制，OSD32MP157C-512M 包括兩個(gè) 16 位先進(jìn)電機控制定時(shí)器、十五個(gè) 16 位定時(shí)器和兩個(gè) 32 位定時(shí)器。這樣可以提供足夠的 PWM 信號來(lái)控制 BLDC 螺旋槳電機并獲得高精度，以及控制任何致動(dòng)器，例如相機定位電機或機械臂。 為 OSD32MP15x 供電 OSD32MP157C-512M 只需要單個(gè) 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(shí)鐘速度運行并且所有外設也在工作時(shí)，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(wú)法估算典型的電流消耗方案，而是由開(kāi)發(fā)人員來(lái)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(shí)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(shí)：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(shí)還能減少印刷電路板印制線(xiàn)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(shí)必須格外小心。強烈建議切不可用手指接觸球柵觸點(diǎn)，并且僅在必要時(shí)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(wú)人機電子設備密封起來(lái)，一般而言，這對于無(wú)人機電子設備也是一個(gè)好主意，因為它們可能會(huì )與較多的濕氣、水蒸氣、云或雨水接觸。 為了提高無(wú)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(gè) Cortex-A8 內核性能高，因此未包括附加的 Cortex-M4 處理器。 Octavo SiP 開(kāi)發(fā) 為了進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)，Octavo 提供了靈活的 OSD32MP1-BRK 原型開(kāi)發(fā)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(gè)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(wú)人機器件的靈活原型開(kāi)發(fā)平臺。它具有用于 microSD 卡的插槽以及用于開(kāi)發(fā)和調試的 micro USB 端口。（圖片來(lái)源：Octavo Systems） 開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)和固件調試，還可以為開(kāi)發(fā)板供電。引導模式開(kāi)關(guān)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(dòng)。 總結 隨著(zhù)無(wú)人機制造商不斷改善系統功能，開(kāi)發(fā)人員面臨越來(lái)越大的挑戰，需要在提供這些功能的同時(shí)最大限度降低功耗和成本，以實(shí)現最佳的最終用戶(hù)體驗。 如上所示，單器件的高性能 SiP 無(wú)人機計算機具有極高的集成度。這簡(jiǎn)化了設計過(guò)程，同時(shí)也使無(wú)人機更輕且更易于平衡，從而降低了電流消耗并延長(cháng)了飛行時(shí)間，而這正是最終用戶(hù)高度重視的一項要求。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Giovino |
