圖1.工業(yè)革命概述

 

智能工廠集成多種信息物理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)需要速度更快、更加可靠的無線解決方案來處理嚴苛的工業(yè)環(huán)境中不斷增長的數(shù)據(jù)量。推動這些解決方案發(fā)展取得成果，以便在要求較高的工業(yè)4.0場景中部署的主要因素包括：實現(xiàn)移動SCADA、更換傳統(tǒng)系統(tǒng)，或者通過移動設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸（以前不可行或者受到限制）。本文主要探討受到最后一個因素推動的無線技術(shù)。

 

本文第一部分概述現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對于機械旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)之間的通信接口的主要要求。第二部分嘗試根據(jù)在轉(zhuǎn)子和定子之間傳送數(shù)據(jù)所用的機制類型，對當今這些子系統(tǒng)中使用的多種數(shù)據(jù)接口技術(shù)進行分類。這部分簡要概述了這些技術(shù)，并且討論了這些技術(shù)的優(yōu)缺點。第三部分介紹一種支持高速、低延遲通信的新型60 GHz無線解決方案，該方案能夠在滑環(huán)組件中實現(xiàn)先進的數(shù)據(jù)接口架構(gòu)，以滿足新工業(yè)場景的嚴苛要求。

 

旋轉(zhuǎn)接頭中數(shù)據(jù)接口的工業(yè)要求

 

旋轉(zhuǎn)接頭，也經(jīng)常被稱為滑環(huán)，是在旋轉(zhuǎn)連接中傳輸數(shù)據(jù)和功率的組件（參見圖2）?，F(xiàn)代工業(yè)場景要求在旋轉(zhuǎn)部件之間提供更快、更可靠的數(shù)據(jù)傳輸，隨著此需求日益增長，對旋轉(zhuǎn)接頭中使用的數(shù)據(jù)接口的帶寬、串擾和EMI性能的要求也日益嚴格。滿足這些要求對于保證相應(yīng)工業(yè)設(shè)備的實時運行、連續(xù)正常運行和最大效率至關(guān)重要。

 

圖2.旋轉(zhuǎn)接頭—高層框圖和要求

 

工業(yè)旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)接口組件必須確保在非?？斓霓D(zhuǎn)速下（5000 rpm至6000 rpm），能夠以典型的100 Mbps數(shù)據(jù)速率，高品質(zhì)的持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。在大多數(shù)情況下，這一數(shù)據(jù)速率已足夠，但有些特殊應(yīng)用要求以1 Gbps或更高的速率進行快速傳輸，并成為當今的基準指標。工業(yè)應(yīng)用還要求支持基于IEEE802.3（以太網(wǎng)）的協(xié)議、其他工業(yè)總線協(xié)議，以及確定性實時通信，以實現(xiàn)時間敏感型應(yīng)用和IIoT功能。面向這些應(yīng)用的數(shù)據(jù)接口解決方案必須能夠不受物理失調(diào)、電磁干擾和串擾的影響，實現(xiàn)比特誤碼率(BER)等于或低于1 × 10−12的無誤差數(shù)據(jù)傳輸。工業(yè)環(huán)境中的污染不應(yīng)影響旋轉(zhuǎn)接頭的運行，理想情況下旋轉(zhuǎn)接頭無需維護且不受磨損。最后，數(shù)據(jù)接口技術(shù)必須與旋轉(zhuǎn)接頭組件的動力傳輸子系統(tǒng)兼容，以滿足目標應(yīng)用的所有功能要求。

 

數(shù)據(jù)接口技術(shù)

 

旋轉(zhuǎn)接頭多種多樣，其功能特性、外形大小、轉(zhuǎn)速(rpm)、最大數(shù)據(jù)速率、功率范圍、支持的接口類型、通道數(shù)量，以及許多其他設(shè)計因素，都隨應(yīng)用要求而有所不同。在這些設(shè)計考量因素中，關(guān)于數(shù)據(jù)接口的一些要求非常重要，因此，要在滑環(huán)組件中正確實施數(shù)據(jù)接口，選擇適當?shù)募夹g(shù)非常關(guān)鍵。用于實現(xiàn)這一功能的數(shù)據(jù)通信技術(shù)通?？煞譃榻佑|式和非接觸式。這些技術(shù)之間存在一些差異，具體取決于它們?yōu)榱藢崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通信通道所采用的耦合類型。

 

接觸型接口

 

接觸型解決方案通常在定子上采用復(fù)合材料、單絲或復(fù)合絲電刷，它靠著轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電環(huán)滑動，從而在移動組件和靜止組件之間形成不間斷的電信號通道（參見圖3）。與數(shù)據(jù)通信相關(guān)的電刷類型選擇取決于信號帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率、所需的傳輸質(zhì)量、工作電流和轉(zhuǎn)速。雖然這是一項較為完善的技術(shù)，自問世以來一直用于滑環(huán)中，但它也存在一定的局限性。由于接觸型滑環(huán)的機械式接觸點需要定期維護，因此在惡劣的工作環(huán)境中使用時可靠性會受到影響。機電旋轉(zhuǎn)接頭也容易受電磁干擾的影響。此外，用于建立接觸型接口的物理介質(zhì)的特性，以及各種失配效應(yīng)，都會對通道帶寬造成莫大影響。而且，滑動接觸產(chǎn)生的電阻變化會降低傳輸質(zhì)量，這在高數(shù)據(jù)速率實時應(yīng)用中尤為重要。

 

圖3.接觸型滑環(huán)。供圖：Servotectica/CC BY-SA 4.0。

 

非接觸型接口

 

非接觸型旋轉(zhuǎn)接頭采用輻射或非輻射電磁場在旋轉(zhuǎn)部件之間傳輸數(shù)據(jù)，解決了這些限制因素。與電信號傳輸技術(shù)相比，此技術(shù)具有幾個性能優(yōu)勢。它沒有機械式接觸點，不存在接觸磨損，減少了維護需求，以高速旋轉(zhuǎn)時，也不會因為阻抗導(dǎo)致數(shù)據(jù)損失。

 

光纖旋轉(zhuǎn)接頭

 

最常見的非接觸型解決方案是光纖滑環(huán)，也稱為光纖旋轉(zhuǎn)接頭(FORJ)，其原理圖如圖4所示。FORJ依靠光輻射來傳輸數(shù)據(jù)，通常在850 nm至1550 nm的紅外波長下工作，能夠以幾十Gbps的極高數(shù)據(jù)速率傳輸各種類型的模擬或數(shù)字光纖信號，而且不受電磁干擾影響。但是，光纖解決方案并非沒有挑戰(zhàn)。它們會遭受較強的非本征損耗，因角度和軸向失調(diào)導(dǎo)致信號衰減。這些失調(diào)也是造成旋轉(zhuǎn)信號波動的主要因素，對于某些應(yīng)用，這非常關(guān)鍵。此外，光纖旋轉(zhuǎn)接頭在惡劣的工業(yè)環(huán)境中通常需要高水平的保護。

 

圖4.光纖旋轉(zhuǎn)接頭。供圖：Servotectica/CC BY-SA 4.0。

 

感性和容性接口

 

另一種非接觸型技術(shù)是基于近場耦合機制建立，通過初級非輻射感性和容性電路元件在較低的電磁頻譜頻段下生成的電場和磁場實現(xiàn)。和葉片變槳控制系統(tǒng)的動力，以及用于運動零件以高rpm運行的包裝應(yīng)用。感性方法利用電磁感應(yīng)原理來連接組件中的活動部件。使用這種耦合方式的滑環(huán)（原理圖如圖5所示）對于高轉(zhuǎn)速工業(yè)應(yīng)用非常有用，但它們更適合進行功率傳輸，而不是高速數(shù)據(jù)傳輸。它們也廣泛應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機應(yīng)用中，為槳距控制系統(tǒng)提供電信號和電力，以及活動組件以高轉(zhuǎn)速運行的封裝應(yīng)用中。

 

圖5.感性耦合

 

相對于依賴磁場的感性滑環(huán)，基于電容技術(shù)的滑環(huán)利用電場在轉(zhuǎn)子和定子之間傳輸數(shù)據(jù)。圖6所示的容性耦合方法提供了一種成本相對較低的輕型解決方案，其渦電流損失可以忽略不計，且具備出色的失調(diào)性能。此技術(shù)能夠在惡劣的運行環(huán)境中以幾Gbps的高速可靠傳輸數(shù)據(jù)，且不受轉(zhuǎn)速影響。容性滑環(huán)通常設(shè)計用于和以太網(wǎng)現(xiàn)場總線組合使用，廣泛用于時間敏感型工業(yè)應(yīng)用中。

 

圖6.容性耦合

 

其他類型的接口

 

除了主要利用感性或容性耦合機制的非接觸型滑環(huán)技術(shù)外，還可以使用適當?shù)鸟詈辖Y(jié)構(gòu)，例如波導(dǎo)元件或傳輸線路元件，實現(xiàn)采用這兩類機制組合的解決方案。還有一些特殊類型的滑環(huán)：例如，依靠水銀作為傳導(dǎo)介質(zhì)的滑環(huán)。但是，浸水銀滑環(huán)對操作環(huán)境的要求非常嚴格，不能在高溫環(huán)境中使用，因此不適合工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

 

表1.基于數(shù)據(jù)接口耦合技術(shù)進行旋轉(zhuǎn)接頭分類

 

表1中總結(jié)了我們探討的各類數(shù)據(jù)接口技術(shù)，它們提供眾多特性和功能，能夠滿足典型的工業(yè)滑環(huán)應(yīng)用要求。但是，這些傳統(tǒng)技術(shù)大多僅支持短距離數(shù)據(jù)傳輸，這要求轉(zhuǎn)子和定子上的收發(fā)器元件需彼此非常靠近。此外，第四次工業(yè)革命還對滑環(huán)應(yīng)用數(shù)據(jù)接口的可配置性、可靠性和速度提出了嚴格的要求，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)技術(shù)往往不能滿足這些要求。

 

本文介紹了一種基于非接觸型技術(shù)的新型解決方案，此方案依靠電磁毫米波在輻射近場（菲涅耳）和遠場區(qū)域遠距離傳輸數(shù)據(jù)，解決了其他方法存在的一些關(guān)鍵限制。這種解決方案不但為滑環(huán)應(yīng)用提供了一種緊湊且經(jīng)濟高效的先進微波數(shù)據(jù)接口，還能與傳統(tǒng)的非輻射旋轉(zhuǎn)接頭的耦合元件組合，以較低成本實現(xiàn)更出色的性能。

 

毫米波數(shù)據(jù)接口解決方案

 

60 GHz頻段

 

低成本微波元件制造技術(shù)的出現(xiàn)，使其在軍事領(lǐng)域之外的各類商業(yè)市場都實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。特別是60 GHz毫米波技術(shù)，憑借其位于微波頻譜上半部分的獨特優(yōu)勢，正日益受到市場的廣泛關(guān)注。這一全球范圍內(nèi)免授權(quán)且基本未占用的頻段能夠提供高達9 GHz的寬帶寬，支持高數(shù)據(jù)速率，提供的短波長可以實現(xiàn)緊湊型系統(tǒng)設(shè)計，且具備高衰減比，因此干擾水平低。這些優(yōu)點使得60 GHz技術(shù)對諸如多千兆WiGig網(wǎng)絡(luò)（IEEE 802.11ad和下一代IEEE 802.11ay標準）、無線回程連接和高清視頻無線傳輸（專有的WirelessHD/UltraGig標準）等應(yīng)用具有吸引力。

 

在工業(yè)領(lǐng)域，60 GHz技術(shù)主要用于毫米波雷達傳感器和數(shù)據(jù)速率較低的遙測鏈路中。但是，隨著該領(lǐng)域的快速發(fā)展，60 GHz技術(shù)很可能能夠在工業(yè)子系統(tǒng)中實現(xiàn)高速、超低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。

 

集成式數(shù)據(jù)接口架構(gòu)

 

本文介紹了一種采用60 GHz頻段，適用于工業(yè)滑環(huán)應(yīng)用的新型毫米波數(shù)據(jù)接口解決方案。該解決方案的關(guān)鍵功能性元件是ADI公司的60 GHz集成式芯片組，由HMC6300 發(fā)射器和HMC6301 接收器組成，其原理圖分別如圖7和圖8所示。 這個完整的硅鍺(SiGe)收發(fā)器解決方案最初針對小型蜂窩回程應(yīng)用進行了優(yōu)化，完全可以滿足工業(yè)滑環(huán)應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信需求。芯片組在57 GHz至64 GHz頻率范圍內(nèi)工作，可以使用集成式頻率合成器以250 MHz、500 MHz或540 MHz的離散頻率階躍進行調(diào)諧，也可以使用外部LO信號進行調(diào)諧，以滿足目標應(yīng)用特定的調(diào)制、一致性和相位噪聲要求。

 

收發(fā)器芯片組支持多種調(diào)制格式，包括開關(guān)鍵控(OOK)、FSK、MSK和QAM，最大調(diào)制帶寬為1.8 GHz。它提供最大15 dBm的輸出功率，可以使用集成式檢波器進行監(jiān)控。此芯片組支持靈活的數(shù)字或模擬IF/RF增益控制、低噪聲系數(shù)，以及可調(diào)的低通和高通基帶濾波器。此解決方案非常適合超低延遲工業(yè)滑環(huán)應(yīng)用，其中一個獨特優(yōu)勢是在接收器信號鏈中集成了一個AM檢波器，可用于對OOK等幅度調(diào)制進行解調(diào)。

 

OOK是控制應(yīng)用中常用的一種調(diào)制方法，因為它無需使用成本高昂且耗電的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)簡單、低成本的通信解決方案。此外，由于OOK系統(tǒng)架構(gòu)不包含復(fù)雜的調(diào)制和解調(diào)級，所以能夠提供低延遲性能，這對于工業(yè)實時應(yīng)用非常重要。

 

圖7.發(fā)射器HMC6300的功能框圖

 

圖8.接收器HMC6301的功能框圖

 

ADI公司的發(fā)射器HMC6300和接收器HMC6301集成解決方案都采用小型4 mm × 6 mm BGA封裝，將特性和性能優(yōu)勢以獨特的方式組合在一起，可以滿足現(xiàn)代高速滑環(huán)應(yīng)用的嚴苛要求。除了核心收發(fā)器元件外，全雙工滑環(huán)數(shù)據(jù)接口的完整概念設(shè)計還包括天線、電源管理、I/O模塊和輔助信號調(diào)理組件，可以根據(jù)目標應(yīng)用的需求進行選擇。有關(guān)整個60 GHz全雙工數(shù)據(jù)接口解決方案概念的詳細框圖，請參見圖9。此解決方案能夠以高于1 Gbps的速度實現(xiàn)高度、超低延遲數(shù)據(jù)傳輸，且比特誤碼率可以忽略不計。使用適當?shù)奶炀€設(shè)計和增益設(shè)置可以在幾十厘米距離內(nèi)實現(xiàn)可靠通信，這為在特定的工業(yè)場景中廣泛使用滑環(huán)解決方案開啟了契機。

 

圖9.60 GHz全雙工數(shù)據(jù)接口的框圖

 

分立式數(shù)據(jù)接口架構(gòu)

 

本文介紹的集成式解決方案的性能功能足以滿足大部分工業(yè)滑環(huán)應(yīng)用的需求，但是，受工業(yè)組件定制這個趨勢的廣泛影響，數(shù)據(jù)接口可能需要提供支持千兆位的更快數(shù)據(jù)速率。因此，可能需要使用分立式組件來配置定制解決方案，以滿足特定需求。

 

圖10.適用于60 GHz發(fā)射器的完整信號鏈解決方案（OOK調(diào)制器）

 

圖11.適用于60 GHz接收器的完整信號鏈解決方案（OOK解調(diào)器）

 

圖10和圖11顯示支持5 Gbps以上數(shù)據(jù)速率的60 GHz數(shù)據(jù)接口的完整信號鏈解決方案示例。這種OOK解決方案通過采用ADI公司的標準RF組件和基本自定義模塊來實現(xiàn)，包括無源器件、匹配電路、分支型濾波器、偏置器、衰減器等（圖中未顯示所有組件）。

 

這種分立式解決方案基于單個檢測系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)。但是，基于性能要求也可以在視頻檢測階段之前對RF信號進行下變頻處理，從而有助于實現(xiàn)超外差架構(gòu)。

 

結(jié)論

 

工業(yè)4.0正在推動許多技術(shù)的變革，其中一個就是工業(yè)通信。在第四次工業(yè)革命的推動下產(chǎn)生的新應(yīng)用場景，要求在實時運行的自動化設(shè)備的旋轉(zhuǎn)組件之間，實現(xiàn)更快、更可靠且更準確的超低延遲數(shù)據(jù)傳輸。

 

ADI公司提供廣泛的、涵蓋整個頻譜范圍的高性能集成式和分立式RF和微波組件，支持通過旋轉(zhuǎn)接頭實現(xiàn)非接觸型Gbps級數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟☉?yīng)用設(shè)計。本文介紹了一種集成式和分立式數(shù)據(jù)接口解決方案，它利用毫米波電磁波可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間的數(shù)據(jù)傳輸。本文介紹的解決方案不僅提供高速數(shù)據(jù)傳輸、超低延遲、可以忽略不計的比特誤碼率、強干擾衰減和免維護操作，還可以經(jīng)受更高程度的失調(diào)，支持在更遠距離內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，支持更廣泛的滑環(huán)組件，以滿足日益增長的現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用需求。

 

ADI公司為工業(yè)4.0合作伙伴提供深厚的工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識和新一代功能經(jīng)驗，幫助當今的工廠基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)更快、更經(jīng)濟高效的先進解決方案，做好迎接未來的準備。

 

作者簡介

 

Anton Patyuchenko于2007年獲得慕尼黑技術(shù)大學(xué)微波工程碩士學(xué)位。畢業(yè)之后，Anton曾在德國航空航天中心(DLR)擔(dān)任科學(xué)家。他于2015年加入ADI公司擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，主要負責(zé)醫(yī)療健康、能源和微波應(yīng)用，目前為ADI公司的戰(zhàn)略與重點客戶提供現(xiàn)場應(yīng)用支持。聯(lián)系方式：anton.patyuchenko@analog.com。

 

 

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