Pixhawk의 목표
- 통합된, 하나의 보드/박스(Intergrated, single board/box) 비행 콘트롤러
- 확장하지 않고도 대부분의 응용에 충분한 정도의 I/O
- 사용 편이성 증대
- 센서 성능 증대
- 마이크로콘트롤러 자원 향상
- 신뢰성 증가, 통합 복잡성 감소
- BoM 및 제조 비용 감소
핵심 설계 포인트
- FMU(Flight Management Unit) 와 IO 그리고 많은 입출력포트를 통합한 일체형 설계
- 제조성 향상. 간단한 탑재 및 case 설계
- FMU 와 IO용 별도의 전원 공급 (Power architecture 부분을 참고할 것)
- FMU와 IO SRAM/RTC를 위한 온보드 배터리 백업
- 표준 전원보드(standard power brick)과의 통합
픽스호크 FMU 메인보드
- STM32F427 : 플래시메모리 2MB, RAM 256 KB
- 온보드 16KB SPI FRAM (참고 : FRAM은 여기)
- MPU9250 또는 ICM20xxx 통합 가속도계/자이로
- MS5611 기압계
- 모든 센서는 SPI 로 연결됨
- SDIO를 통한 마이크로 SD 인터페이스
방진 IMU 보드
I/O 포트
- PWM 서보 출력 14개 (IO에서 8개, FMU에서 6개).
- CPPM, Spektrum / DSM, S.Bus 등의 R/C 입력
- 아날로그 PWM RSSI(수신신호강도) 입력
- S.Bus 서보 출력
- 일반목적의 시리얼포트 5개, 2 개는 흐름제어(Flow control) 있음
- I2C 포트 2개
- SPI 포트 1개 (버퍼 없음. 짧은 케이블만. 사용하지 않는게 좋음)
- 2개의 CAN 버스 인터페이스
- 아날로그 입력 3개
- 강력 Piezo 부저 드라이버 (확장보드에서)
- 강력 RGB LED (I2C 드라이버 호환. 외부로만 연결??)
- 안전 스위치/LED
시스템 아키텍처
픽스호크 V2는 이전 세대의 PX4FMU+PX4IO 아키텍처를 계승하여, 하나의 물리적 모듈에 2개의 기능적 블럭을 포함하고 있음
PWM 출력
Pixhawk V2에는 IO에 연결된 PWM 출력이 8개 존재하며, 이들은 FMU가 비활성화(비상대책(failsafe)/매뉴얼 모드)된 경우에도 R/C 입력과 온보드 믹싱(on-boad mixing ???)을 통해 IO에서 직접 제어할 수 있다. 이들 출력에는 3개의 그룹에 대해 다른 갱신 비율(update rates)을 지원할 수 있다. 하나의 그룹은 4개, 2개의 그룹은 2개씩 있다. 최대 400Hz의 PWM 신호 rate가 지원된다.
6개의 PWM 출력은 FMU(Flight Management Unit)에 연결되어 있으며, 유도갱신 지연(reduced update latency) 기능이 있다???? 이들 출력은 비상대책 조건에서도 IO로 제어할 수 없다. 이들 출력은 두개의 그룹(한개의 그룹은 4개, 다른 하나은 2개)에 대해 각기 다른 update rate를 지원할 수 있다. 최대 400Hz의 PWM 신호 rate가 지원된다.
모든 PWM 출력은 정전기(ESD)로부터 보호되며, 서보를 잘못연결했을 때도 망가지지 않도록 설계되어 있다. The servo drivers are specified to drive a 50pF servo input load over 2m of 26AWG servo cable. ???
PWM 출력은 개별 GPIO로서 설정할 수도 있다. 단, 이들은 고압 출력은 아니다. PWM 드라이버는 서보나 비슷한 로직의 입력만 구동할 수 있으며, 릴레이나 LED 는 불가능하다.
주변 포트(Peripheral Ports)
픽스호크 V2는 모든 주변기기가 하나의 80핀 커넥터를 통해 연결된다는 점에서 픽스호크 1과 차이가 있으며, 이 주변기기는 베이스보드(base board)를 통해 연결되는데, 각각의 어플을 위해 변경할 수 있다.
베이스 보드(Base board)
최초의 베이스보드는 각각의 주변기기 포트용으로 별도의 커넥터를 갖추고 있습니다.(일부 예외 있음)
다섯개의 시리얼포트가 제공된다. 시리얼 1,2 는 완전한 흐름제어(Flow control)이 가능하다. 시리얼 3는 GPS 포트로 추천되며, 전자나침반과 RGB LED용 I2C 와 함께, 안전단추(safety button, 가능하다면 safety LED) 도 갖고 있다. 시리얼 4에도 I2C 가 있지만, 두번째 버스상에 있어서, 두개의 전자나침반 모듈을 동시에 연결할 수 있다. 시리얼 5는 보드하래쪽 헤더로서 사용가능하다??? 시리얼포트는 모두 3.3V CMOS 로직수준이지만, 5V도 견디며, 버퍼가 있고, 정전기로부터 보호된다.
SPI 포느는 버퍼기능이 없다. 따라서 반드시 선이 짧을때만 사용되어야 한다. 신호는 3.3V CMOS 로직수준이지만 5V도 견딜 수 있다. SPI는 최초의 베이스보드 상에서 CS와 INT 핀과함께 점들을 테스트하기위해서만 사용가능하다???
아날로그 1-3은 입력이 12V까지 보호되지만, 0-3.3V 입력에 대해서만 측정된다. RSSI 입력은 PWM 또는 아날로그 RSSI 둘중의 하나만 지원된다. 이 입력은 S.Bus 출력 핀과 공유하므로, 동시에 사용할 수 없다.
CPPM, S.Bus 와 DSM/Spektrum 입력은 픽스호크와 동일하다. CAN 포트는 표준 CAN-버스이며, 버스의 한쪽끝 종말은 보드에 고정되어 있다. 드라이버는 모두 FMU 보드에 탑재되어 있다.
piezo 포트는 대부분의 piezo 요소를 5-300nF 범위에서 35V까지 구동한다. 이 포트는 극히 시끄럽게 의도되어 있어, 얻을 수 있는 음압수준은 구동되는 piezo 요소의 민감도에 의해서만 제한받는다.
I2C는 직접 구동되고, 버퍼가 없으며, FMU에서 3.3V까지 끌어쓸수 있다???
센서
픽스호크V2의 모든 비행센서는 SPI를 통해 연결된다.
보드상에 MPU9250 또는 ICM 20xxx 자이로와 가속도계, 그리고 SPI 모드로 사용되는 MS5611 이 있다.
진동격리 보드상에는 L3GD20 자이로와 LSM303D 가속도계/자력계 가 있으며, 별도의 MPU9250 또는ICM 20xxx, 그리고 SPI모드 MS5611 가 있다.
보드에 설치된 센서는 진동격리된 센서와는 다른 버스에서 동작한다.
Data-ready signals from all sensors are NO LONGER ROUTED???
전원 아키텍처
픽스호크 V2는 FMU에서 전원관리를 제거하고, it instead grows on the Pixhawk power by removing the Servo rail as the primary source of backup power for the FMU, and it leaves it there for the IO last chance failsafe.
3.3V 공급은 픽스호크 1과 동일하다.
- FMU와 센서를 위해 디지털/아날로그 전원 도메인을 분리함
- FMU 전원공급문제에 대비해, IO를 위한 백업 전원
전원관리 모듈
픽스호크 V2의 전원 아키텍처의 핵심 기능은 다음과 같다.
- 비행콘트롤러와 주변기기용으로 단독, 독립적인 5V 공급
- 2개의 전원보드 또는 호환가능한 대안과 통합???, 전류 및 전압 센싱 포함
- 낮은 전력 소모 및 열 분산
- 전력 분산 및 주변 장치 모니터링
- 일반적인 결선실수에 대한 보호 : 과소/과대 전압 보호, 과대전류보호, 온도 보호
- 브라운아웃 탄력성 및 감지
FMU와 IO 전원 공급
FMU와 IO는 모두 3.3V에 동작하며, 각각 개별 이중채널 정압기(regulator)가 있다. 픽스호크 1과 같이 각각의 정압기는 features a power-on reset output tied to the regulator’s internal power-up and drop-out sequencing.
전원(Power Source)
픽스호크 V2 전원은 USB 또는 전원보드 포트, 또는 2차전원포트를 통해 공급받을 수 있다. 각각의 전원은 역-극성 연결 및, 다른 전원으로부터의 back-powering에 대해서 보호된다.
FMU +IO 전원은 모든 LED와 Piezo 부저를 포함하여 250mA 이다. 주변기기 전원은 총 2.5A로 제한된다.
전원 보드 포트(Power Brick Port)
픽스호크 V2가 가장 선호하는 전원은 전원보드 포트이다.
서보 전원
픽스호크 V2는 표준(5V) 서보전원 및 고전압(최대 10V. 약간의 제한은 있음) 서보전원을 지원한다.
IO는 서보 커넥터로부터 10V까지 전원을 받아들인다. 이를 통해 주전원공급이 끊어질 경우 서보 파워를 대체전원으로 사용할 수 있다.
FMU와 주변기기는 이제 서보 커넥터로부터 전원을 공급받지 않는다.
보조 전원
픽스호크 V2는 백업용 전원포트가 추가되었다. 설정은 주 전원입력과 동일하다.
5,7V 이상의 입력전압에서 전원이 차단된다.
픽스호크 V2와 주변기기는 전원포트나 기타 전원이 필요한 전류를 공급할 수 있을 경우, 보조 전원에서 작동될 때 총 2.75A까지 끌어쓸 수 있다.
픽스호크 V2에서 서보로는 전력이 공급되지 않는다.
서보 레일
I/O 칩은 서보레일로부터 10.5V까지 전력을 받을 수 있다. 다른 두가지 전원이 끊어지는 불행한 사태에서, 매뉴얼 모드로 전환하는데 사용된다. 이는 고정익비행기에서만, I/O 칩이 올바르게 매핑되었을 때만 유용하다.
USB 전원
USB에서 받는 전원은 소프트웨어 갱신, 테스트, 개발 목적으로 지원된다. USB 전원이 테스트를 위해 주변기기로 전원을 공급하지만, 총 전류 소모는 주변기기를 포함해 500mA 로 제한되어야 한다. host USB 포트의 overloading을 막기위해서.
다중 전원(Multiple Power Sources)
여러개의 전원이 연결되면, 전압이 유효한 가장 우선순위가 높은 전원에서 전원이 공급된다.
대부분의 경우, FMU는 전원보드를 통해 공급받거나 전원포트 혹은 보조 전원레일을 통해 호환가능한 제3의 정압기(off board regulator)에서 공급받아야 한다.
데스크탑 테스트에서 USB로부터 전원을 끌어오면, 별도의 BEC나 이와 유사한 서보 파워소스가 없어도 된다. (단, 서보 그자체는 별도의 전원이 필요하다)
요약
아래는 나열한 요소별로, 기기가 각각의 입력에서 공급받을 수 있는 입력 전압범위를 표시한 것이다.
|
전원포트(brick) |
보조 포트 |
USB 포트 |
서보레일 |
FMU |
4-5.7V |
4-5.7V |
4-5.7V |
|
IO |
4-5.7V |
4-5.7V |
4-5.7V |
4-10.5V |
주변기기 |
4-5.7V, 최대2.5A |
4-5.7V, 최대 2.5A |
4-5.7V, 250mA |
|
주변기기
주변기기 전원(파워모듈에서)
픽스호크 V2는 power routing을 제공한다. 이 과정에서 전압 감지 및 보호, 필터링, 스위칭, 전류 제한, 주변기기를 위한 임시 억제(suppression) 등이 이루어진다. 주변기기 전원출력에는 정전기(ESD) 및 EMI 필터링 기능이 있으며, 전원공급 보호 scheme에 따라 주변기기에 5.5볼트 이상 존재하지 않도록 보증한다. 공급전압이 2.7V 이하 혹은 5.7V 이상이 되면, 주변기기로부터 전원이 차단된다.
주변기기 전력은 두가지 그룹으로 구분된다.
- 시리얼 1은 텔레메트리 라디오에 전원을 공급하기 위한 목적으로, 개별적인 1.5A 전류제한이 있다. 이 출력은 별도의 EMI 필터링이 있으며 USB / 전원보드 입력으로부터 직접 끌어온다. 이 포트의 최대 전력소모는 2A를 넘지 않아야 한다. 이 정도는 효율이 적당한 30 dBm 송신기에 충분하다.
- 다른 주변기기는 모두 1A 전원제한을 공유하며, 하나의 전원스위치를 공유한다. 이 포트에서 끌어오는 최대 전력은 1.5A를 넘어서는 안된다.
각각의 그룹은 소프트웨어 콘트롤하에 개별적으로 스위치된다.
Spektrum / DSM R/C 인터페이지는 위에서 말한 그룹이 아닌 자체 정압기에서 전원을 끌어온다. 이 포트는 소프트웨어 콘트롤로 스위치되어, Spektrum / DSM 바인딩이 수행된다. Spektrum 수신기는 일반적으로 약 25mA를 끌어쓴다.
S.Bus와 CPPM 수신기는 서보레일로부터 직접 전원을 공급받으므로, 반드시 서보 공급 전압을 지원해야 한다.
배터리 백업
FMU 및 IO 마이크로콘트롤러는 모두, 배터리 백업이 되는 실시간 시계와 SRAM 이 있다. 보드에 있는 백업 배터리는 시계와 SRAM에 사용되는 용도로 용량이 충분하여, 의도하지 않은 단전이나, 기타 공중에서 재시작되는 경우, 순서에 따라 복구하는데 사용되는 저장공간을 제공한다.
콘덴서는 FMU 3.3 V 레일로부터 충전된다. 이는 이 기능을 지원하는 소프트웨어가 존재하는 경우에만 동작한다.
Voltage, Current and Fault Sensing
전원 보드에서 보고되는 배터리 전압 및 전류를 FMU에서 측정할 수 있다. 아울러 5V unregulated 공급레일도 측정할 수 있다. (브라운아웃 조건을 검출하기 위해) IO는 서보 파워레일 전압을 측정할 수 있다. 주변 전력포트의 과전류 조건은 FMU에서 감지할 수 있다. 하드웨어 lock-out 기능이 있어, 이들 포트에서 영구적인 합선으로 인한 손실을 막을 수 있다. lock-out은 FMU 소프트웨어에서 재설정할 수 있다.
FMU 과/과소 전압 감시자는 브라운아웃 사태동안 FMU가 재설정되지 않도록 하는데 소요되는 출력을 제공한다.
EMI Filtering and Transient Protection (on the normal Base Board, must be
specified for externally supplied base boards.)
EMI 필터링 및 임시 보호(일반 베이스보드에서. 외부에서 공급되는 베이스보드에 지정되어야 함)
EMI filtering is provided at key points in the system using high-insertion-loss passthrough
filters. These filters are paired with TVS diodes at the peripheral connectors
to suppress power transients
Reverse polarity protection is provided at each of the power inputs. USB signals are filtered and terminated with a combined termination/TVS array. Most digital peripheral signals (all PWM outputs, serial ports, I2C port) are driven using ESD-enhanced buffers and feature series blocking resistors to reduce the risk of damage due to transients or accidental misconnections.
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원문 : http://www.proficnc.com/index.php?controller=attachment&id_attachment=5
Pixhawk2.pdf