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隨著越來越多的電池供電式無人機(jī)飛向天空，無人機(jī)制造商面臨著巨大的競爭壓力，要求他們擴(kuò)展設(shè)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(shè)計人員不斷添加更精密、更準(zhǔn)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。無人機(jī)的物理功能也逐漸擴(kuò)展至包括機(jī)載包和機(jī)載設(shè)備，而這需要改進(jìn)穩(wěn)定性和空氣制動程序以應(yīng)對增加的重量。 設(shè)計人員面臨的問題是，無人機(jī)的重量和計算需求的增加會增大功耗，進(jìn)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(guān)電子設(shè)備也增加了開發(fā)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(tǒng)級封裝 (SiP) 解決方案，這種解決方案幾乎是一臺微型無人機(jī)計算機(jī)。文中將展示如何利用這種自足式解決方案的特性來節(jié)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(fā)時間，降低庫存以及測試成本。 無人機(jī)技術(shù) 無人機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，從面向消費(fèi)者并帶有用于家庭照片或友誼賽的相機(jī)的小型無人機(jī)，到各種更具挑戰(zhàn)性的角色，例如為快遞員投遞包裹、為牧場主跟蹤牲畜、為農(nóng)場主監(jiān)測農(nóng)作物、為環(huán)保工作者監(jiān)測海岸線變化，以及協(xié)助急救人員開展搜救行動等，不一而足。無論哪種應(yīng)用，關(guān)系到飛行時間的電池續(xù)航時間都是選擇無人機(jī)的最關(guān)鍵因素之一。 電池續(xù)航時間顯然與無人機(jī)的重量有關(guān)，因此，無人機(jī)需要使用盡可能輕的材料，并能夠在動力飛行產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變下保持飛機(jī)的框架。對于輕量化的這種關(guān)注從結(jié)構(gòu)完整性一直延伸到控制無人機(jī)的電子設(shè)備。 為了獲得適當(dāng)?shù)娘w行動力，必須通過均勻分配機(jī)架和機(jī)載電子元器件的重量來合理地平衡無人機(jī)。電子設(shè)備越小，無人機(jī)的重量就越容易平衡。理想情況下，重心應(yīng)位于無人機(jī)的物理中心。任何重量失衡，無論幅度多么小，都必須通過調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速加以補(bǔ)償，久而久之，這些調(diào)整就會消耗額外的動力，并浪費(fèi)用戶寶貴的飛行時間。 消費(fèi)者無人機(jī)和大多數(shù)商用無人機(jī)均使用 Wi-Fi 技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)傳輸。無人機(jī)飛得越遠(yuǎn)，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(lián)系，而這也是電池的另一個耗電大戶。 無人機(jī)傳感器及處理 在無人機(jī)制造商千方百計減輕系統(tǒng)重量并降低系統(tǒng)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(jī)及其固件變得更加復(fù)雜。如此便會增加機(jī)載電子設(shè)備的數(shù)量和重量，同時也會影響無人機(jī)的平衡。 例如，無人機(jī)通常使用各種微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 和其他傳感器來維持穩(wěn)定的飛行，同時監(jiān)測航向和速度（圖 1）。全球定位系統(tǒng) (GPS) 模塊可用于確定飛機(jī)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(jī)的加速度和沖擊力；氣壓計可用于測量氣壓，以幫助確定當(dāng)前大氣條件下的最佳螺旋槳轉(zhuǎn)速——?dú)鈮狠^低時需要提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，氣壓較高時需要降低轉(zhuǎn)速；相機(jī)和接近傳感器則可實(shí)現(xiàn)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(xiàn)代四槳無人機(jī)具有各式各樣的 MEMS 傳感器、至少一個相機(jī)、用于微控制器固件或存儲照片的外部存儲卡，以及用于驅(qū)動螺旋槳的電機(jī)驅(qū)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(jī)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(qū)動螺旋槳的高耗電無刷直流 (BLDC) 電機(jī)供電。然而，隨著傳感器技術(shù)的逐年進(jìn)步，無人機(jī)制造商不斷將最新、最準(zhǔn)確和最精密的傳感器安裝到最新的無人機(jī)上。這需要更復(fù)雜的固件才能充分利用這些傳感器的增強(qiáng)功能。此外，飛行控制固件也在一直改進(jìn)，尤其是自動駕駛無人機(jī)。所有這些改進(jìn)不僅增加了固件的數(shù)量，還需要增強(qiáng)處理能力和大幅增加存儲器，才能準(zhǔn)確地處理數(shù)據(jù)。 電子設(shè)備和功能的擴(kuò)展給工程師提出了一項挑戰(zhàn)，要求他們設(shè)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(fā)和測試成本降至最低。 SiP 無人機(jī)器件 若要應(yīng)對更多功能，解決方案是提高電子設(shè)備的集成度。為此，Octavo Systems 開發(fā)了面向無人機(jī)的自足式計算機(jī)系統(tǒng) OSD32MP15x 系列，全都采用單個封裝。例如，OSD32MP157C-512M-BAA 便是一款功能強(qiáng)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(dú)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(jī)系統(tǒng)，在 18 mm x 18 mm 封裝中結(jié)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(yùn)行的 Arm® Cortex®-A7 內(nèi)核（圖 3）。這便為實(shí)現(xiàn)極高性能的無人機(jī)提供了足夠的處理能力，而且能夠在無縫地處理傳感器數(shù)據(jù)的同時，將精準(zhǔn)且不斷變化的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號發(fā)送至為 BLDC 螺旋槳電機(jī)提供動力的四個驅(qū)動器。每個 Cortex-A7 內(nèi)核包含 33 KB 的 L1 指令緩存和 32 KB 的 L2 數(shù)據(jù)緩存。這些內(nèi)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(shù)量的緩存大幅加快了導(dǎo)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(diǎn)單元 (FPU) 的 209 MHz Arm Cortex-M4，它也在封裝內(nèi)，可用于輔助處理，例如管理相機(jī)、監(jiān)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(jī)照片和視頻、飛行數(shù)據(jù)記錄、事件日志和 MEMS 傳感器日志。 處理器內(nèi)核的其他存儲器包括 256 KB 的系統(tǒng) 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(shè)備自定義，例如無人機(jī)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(jī)，適用于高性能無人機(jī)系統(tǒng)。（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(diào)試，如果需要額外的數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)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(zhí)行速度總是遠(yuǎn)快于 DRAM 的耗盡速度。 4 KB 的 EEPROM 可用于存儲傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、飛行控制常數(shù)和飛行日志數(shù)據(jù)。存儲器保護(hù)功能可防止意外寫入受保護(hù)的 EEPROM。 多項安全功能可確保系統(tǒng)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(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時時鐘 (RTC)，以防止篡改無人機(jī)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(dú)立的 22 通道 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhí)行電流檢測和閉環(huán)電機(jī)控制。三個 I2S 接口可以連接揚(yáng)聲器或蜂鳴器之類的音頻設(shè)備。相機(jī)接口可輕松連接大多數(shù) RGB 相機(jī)模塊。 此外，OSD32MP157C-512M 還集成了系統(tǒng)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(gòu)建無人機(jī)系統(tǒng)時使用的外部分立元器件。 針對 PWM 電機(jī)控制，OSD32MP157C-512M 包括兩個 16 位先進(jìn)電機(jī)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(jī)并獲得高精度，以及控制任何致動器，例如相機(jī)定位電機(jī)或機(jī)械臂。 為 OSD32MP15x 供電 OSD32MP157C-512M 只需要單個 2.8 伏至 5.5 伏的電源，因此適合采用標(biāo)準(zhǔn)的 3.7 伏鋰離子電池。內(nèi)部電源管理芯片為所有獨(dú)立的內(nèi)部元器件提供了必要的電壓。當(dāng) Cortex-A7 內(nèi)核和 Cortex-M4 均以最大時鐘速度運(yùn)行并且所有外設(shè)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(fā)人員來確定特定應(yīng)用的電流消耗情況。 與在電路板上使用分立元器件實(shí)現(xiàn)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(qiáng)烈建議切不可用手指接觸球柵觸點(diǎn)，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(jī)電子設(shè)備密封起來，一般而言，這對于無人機(jī)電子設(shè)備也是一個好主意，因?yàn)樗鼈兛赡軙c較多的濕氣、水蒸氣、云或雨水接觸。 為了提高無人機(jī)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(qiáng)大的雙千兆赫 (GHz) Cortex-A8 及 1 GB DRAM。由于兩個 Cortex-A8 內(nèi)核性能高，因此未包括附加的 Cortex-M4 處理器。 Octavo SiP 開發(fā) 為了進(jìn)行代碼開發(fā)，Octavo 提供了靈活的 OSD32MP1-BRK 原型開發(fā)平臺板（圖 4）。該評估板包含 OSD32MP157C-512M SiP 和擴(kuò)展針座，后者用于連接 106 個數(shù)字 I/O 和外部外設(shè)信號。
圖 4：Octavo 的 OSD32MP1-BRK 是適用于 OSD32MP15x 系列 SiP 無人機(jī)器件的靈活原型開發(fā)平臺。它具有用于 microSD 卡的插槽以及用于開發(fā)和調(diào)試的 micro USB 端口。（圖片來源：Octavo Systems） 開發(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 端口可用于開發(fā)和固件調(diào)試，還可以為開發(fā)板供電。引導(dǎo)模式開關(guān)確定器件將從 microSD 卡還是從擴(kuò)展針座上提供的任何外部存儲器接口啟動。 總結(jié) 隨著無人機(jī)制造商不斷改善系統(tǒng)功能，開發(fā)人員面臨越來越大的挑戰(zhàn)，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(shí)現(xiàn)最佳的最終用戶體驗(yàn)。 如上所示，單器件的高性能 SiP 無人機(jī)計算機(jī)具有極高的集成度。這簡化了設(shè)計過程，同時也使無人機(jī)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。 來源：Digi-Key 作者：Bill Giovino |
