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(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量。推動(dòng)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(chǎng)景中部署的主要因素包括：實(shí)現(xiàn)移動(dòng)SCADA、更換傳統(tǒng)系統(tǒng)，或者通過移動(dòng)設(shè)備實(shí)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(gè)因素推動(dòng)的無線技術(shù)。

 

本文第一部分概述現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對(duì)于機(jī)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(jī)制類型，對(duì)當(dāng)今這些子系統(tǒng)中使用的多種數(shù)據(jù)接口技術(shù)進(jìn)行分類。這部分簡(jiǎn)要概述了這些技術(shù)，并且討論了這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)先進(jìn)的數(shù)據(jù)接口架構(gòu)，以滿足新工業(yè)場(chǎng)景的嚴(yán)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(chǎng)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(zhǎng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭中使用的數(shù)據(jù)接口的帶寬、串?dāng)_和EMI性能的要求也日益嚴(yán)格。滿足這些要求對(duì)于保證相應(yīng)工業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行、連續(xù)正常運(yùn)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常快的轉(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(jìn)行快速傳輸，并成為當(dāng)今的基準(zhǔn)指標(biāo)。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(shí)時(shí)通信，以實(shí)現(xiàn)時(shí)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?dāng)_的影響，實(shí)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(yùn)行，理想情況下旋轉(zhuǎn)接頭無需維護(hù)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(dòng)力傳輸子系統(tǒng)兼容，以滿足目標(biāo)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(jì)因素，都隨應(yīng)用要求而有所不同。在這些設(shè)計(jì)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(shí)施數(shù)據(jù)接口，選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)非常關(guān)鍵。用于實(shí)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?shí)現(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(dòng)，從而在移動(dòng)組件和靜止組件之間形成不間斷的電信號(hào)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(hào)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(xiàng)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(jī)械式接觸點(diǎn)需要定期維護(hù)，因此在惡劣的工作環(huán)境中使用時(shí)可靠性會(huì)受到影響。機(jī)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(huì)對(duì)通道帶寬造成莫大影響。而且，滑動(dòng)接觸產(chǎn)生的電阻變化會(huì)降低傳輸質(zhì)量，這在高數(shù)據(jù)速率實(shí)時(shí)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(chǎng)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(hào)傳輸技術(shù)相比，此技術(shù)具有幾個(gè)性能優(yōu)勢(shì)。它沒有機(jī)械式接觸點(diǎn)，不存在接觸磨損，減少了維護(hù)需求，以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，也不會(huì)因?yàn)樽杩箤?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(zhǎng)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(hào)，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(huì)遭受較強(qiáng)的非本征損耗，因角度和軸向失調(diào)導(dǎo)致信號(hào)衰減。這些失調(diào)也是造成旋轉(zhuǎn)信號(hào)波動(dòng)的主要因素，對(duì)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(hù)。

 

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(chǎng)耦合機(jī)制建立，通過初級(jí)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(chǎng)和磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。和葉片變槳控制系統(tǒng)的動(dòng)力，以及用于運(yùn)動(dòng)零件以高rpm運(yùn)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(dòng)部件。使用這種耦合方式的滑環(huán)（原理圖如圖5所示）對(duì)于高轉(zhuǎn)速工業(yè)應(yīng)用非常有用，但它們更適合進(jìn)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(jī)應(yīng)用中，為槳距控制系統(tǒng)提供電信號(hào)和電力，以及活動(dòng)組件以高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的封裝應(yīng)用中。

 

圖5.感性耦合

 

相對(duì)于依賴磁場(chǎng)的感性滑環(huán)，基于電容技術(shù)的滑環(huán)利用電場(chǎng)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(duì)較低的輕型解決方案，其渦電流損失可以忽略不計(jì)，且具備出色的失調(diào)性能。此技術(shù)能夠在惡劣的運(yùn)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(jì)用于和以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線組合使用，廣泛用于時(shí)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(jī)制的非接觸型滑環(huán)技術(shù)外，還可以使用適當(dāng)?shù)鸟詈辖Y(jié)構(gòu)，例如波導(dǎo)元件或傳輸線路元件，實(shí)現(xiàn)采用這兩類機(jī)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(duì)操作環(huán)境的要求非常嚴(yán)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(jìn)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?？拷?。此外，第四次工業(yè)革命還對(duì)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(yán)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(chǎng)（菲涅耳）和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域遠(yuǎn)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(jì)高效的先進(jìn)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(shí)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(chǎng)都實(shí)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，正日益受到市場(chǎng)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(dá)9 GHz的寬帶寬，支持高數(shù)據(jù)速率，提供的短波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)緊湊型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且具備高衰減比，因此干擾水平低。這些優(yōu)點(diǎn)使得60 GHz技術(shù)對(duì)諸如多千兆WiGig網(wǎng)絡(luò)（IEEE 802.11ad和下一代IEEE 802.11ay標(biāo)準(zhǔn)）、無線回程連接和高清視頻無線傳輸（專有的WirelessHD/UltraGig標(biāo)準(zhǔn)）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(dá)傳感器和數(shù)據(jù)速率較低的遙測(cè)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(shí)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(gè)完整的硅鍺(SiGe)收發(fā)器解決方案最初針對(duì)小型蜂窩回程應(yīng)用進(jìn)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(jìn)行調(diào)諧，也可以使用外部LO信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧，以滿足目標(biāo)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(jìn)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(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是在接收器信號(hào)鏈中集成了一個(gè)AM檢波器，可用于對(duì)OOK等幅度調(diào)制進(jìn)行解調(diào)。

 

OOK是控制應(yīng)用中常用的一種調(diào)制方法，因?yàn)樗鼰o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(jiǎn)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(jí)，所以能夠提供低延遲性能，這對(duì)于工業(yè)實(shí)時(shí)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(shì)以獨(dú)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(yán)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(jì)還包括天線、電源管理、I/O模塊和輔助信號(hào)調(diào)理組件，可以根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的需求進(jìn)行選擇。有關(guān)整個(gè)60 GHz全雙工數(shù)據(jù)接口解決方案概念的詳細(xì)框圖，請(qǐng)參見圖9。此解決方案能夠以高于1 Gbps的速度實(shí)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(jì)。使用適當(dāng)?shù)奶炀€設(shè)計(jì)和增益設(shè)置可以在幾十厘米距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠通信，這為在特定的工業(yè)場(chǎng)景中廣泛使用滑環(huán)解決方案開啟了契機(jī)。

 

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(gè)趨勢(shì)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(hào)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(hào)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(hào)鏈解決方案示例。這種OOK解決方案通過采用ADI公司的標(biāo)準(zhǔn)RF組件和基本自定義模塊來實(shí)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(gè)檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。但是，基于性能要求也可以在視頻檢測(cè)階段之前對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，從而有助于實(shí)現(xiàn)超外差架構(gòu)。

 

結(jié)論

 

工業(yè)4.0正在推動(dòng)許多技術(shù)的變革，其中一個(gè)就是工業(yè)通信。在第四次工業(yè)革命的推動(dòng)下產(chǎn)生的新應(yīng)用場(chǎng)景，要求在實(shí)時(shí)運(yùn)行的自動(dòng)化設(shè)備的旋轉(zhuǎn)組件之間，實(shí)現(xiàn)更快、更可靠且更準(zhǔn)確的超低延遲數(shù)據(jù)傳輸。

 

ADI公司提供廣泛的、涵蓋整個(gè)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(shí)現(xiàn)非接觸型Gbps級(jí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟☉?yīng)用設(shè)計(jì)。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(shí)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(jì)的比特誤碼率、強(qiáng)干擾衰減和免維護(hù)操作，還可以經(jīng)受更高程度的失調(diào)，支持在更遠(yuǎn)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(zhǎng)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(shí)和新一代功能經(jīng)驗(yàn)，幫助當(dāng)今的工廠基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)更快、更經(jīng)濟(jì)高效的先進(jìn)解決方案，做好迎接未來的準(zhǔn)備。

 

作者簡(jiǎn)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(guó)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(chǎng)應(yīng)用工程師，主要負(fù)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(diǎn)客戶提供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持。聯(lián)系方式：anton.patyuchenko@analog.com。

 

 

推薦閱讀：