圖1. 工業革命概述。

 

智能工廠集成多種信息物理係統

，這些係統需要速度更快
、更加可靠的無線解決方案來處理嚴苛的工業環境中不斷增長的數據量。推動這些解決方案發展取得成果，以便在要求較高的工業4.0場景中部署的主要因素包括：實現移動SCADA、更換傳統係統
，或者通過移動設備實現數據傳輸（以前不可行或者受到限製）。本文主要探討受到最後一個因素推動的無線技術。

 

本(ben)文(wen)第(di)一(yi)部(bu)分(fen)概(gai)述(shu)現(xian)代(dai)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)對(dui)於(yu)機(ji)械(xie)旋(xuan)轉(zhuan)子(zi)係(xi)統(tong)之(zhi)間(jian)的(de)通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)的(de)主(zhu)要(yao)要(yao)求(qiu)。第(di)二(er)部(bu)分(fen)嚐(chang)試(shi)根(gen)據(ju)在(zai)轉(zhuan)子(zi)和(he)定(ding)子(zi)之(zhi)間(jian)傳(chuan)送(song)數(shu)據(ju)所(suo)用(yong)的(de)機(ji)製(zhi)類(lei)型(xing)
，對(dui)當(dang)今(jin)這(zhe)些(xie)子(zi)係(xi)統(tong)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)多(duo)種(zhong)數(shu)據(ju)接(jie)口(kou)技(ji)術(shu)進(jin)行(xing)分(fen)類(lei)。這(zhe)部(bu)分(fen)簡(jian)要(yao)概(gai)述(shu)了(le)這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)，並(bing)且(qie)討(tao)論(lun)了(le)這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)的(de)優(you)缺(que)點(dian)。第(di)三(san)部(bu)分(fen)介(jie)紹(shao)一(yi)種(zhong)支(zhi)持(chi)高(gao)速(su)、低延遲通信的新型60 GHz無線解決方案

，該方案能夠在滑環組件中實現先進的數據接口架構，以滿足新工業場景的嚴苛要求。

 

旋轉接頭中數據接口的工業要求

 

旋轉接頭，也經常被稱為滑環
，是在旋轉連接中傳輸數據和功率的組件（參見圖2）。現代工業場景要求在旋轉部件之間提供更快、更可靠的數據傳輸，隨著此需求日益增長，對旋轉接頭中使用的數據接口的帶寬、串擾和EMI性能的要求也日益嚴格。滿足這些要求對於保證相應工業設備的實時運行、連續正常運行和最大效率至關重要。

 

圖2. 旋轉接頭—高層框圖和要求。

 

工業旋轉數據接口組件必須確保在非常快的轉速下(5000rpm至6000rpm)，能夠以典型的100Mbps數據速率，高品質的持續傳輸數據。在大多數情況下
，這一數據速率已足夠
，但有些特殊應用要求以1Gbps或更高的速率進行快速傳輸，並成為當今的基準指標。工業應用還要求支持基於IEEE802.3(以太網)的協議、其他工業總線協議
，以及確定性實時通信
，以實現時間敏感型應用和IIoT功能。麵向這些應用的數據接口解決方案必須能夠不受物理失調
、電磁幹擾和串擾的影響
，實現比特誤碼率(BER)等於或低於1×10-12的(de)無(wu)誤(wu)差(cha)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)。工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)汙(wu)染(ran)不(bu)應(ying)影(ying)響(xiang)旋(xuan)轉(zhuan)接(jie)頭(tou)的(de)運(yun)行(xing)，理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)下(xia)旋(xuan)轉(zhuan)接(jie)頭(tou)無(wu)需(xu)維(wei)護(hu)且(qie)不(bu)受(shou)磨(mo)損(sun)。最(zui)後(hou)，數(shu)據(ju)接(jie)口(kou)技(ji)術(shu)必(bi)須(xu)與(yu)旋(xuan)轉(zhuan)接(jie)頭(tou)組(zu)件(jian)動(dong)力(li)傳(chuan)輸(shu)子(zi)係(xi)統(tong)兼(jian)容(rong)，以(yi)滿(man)足(zu)目(mu)標(biao)應(ying)用(yong)的(de)所(suo)有(you)功(gong)能(neng)要(yao)求(qiu)。

 

數據接口技術

 

旋轉接頭多種多樣，其功能特性
、外形大小、轉速(rpm)、最大數據速率
、功率範圍、支持的接口類型、tongdaoshuliang

，yijixuduoqitashejiyinsu，dousuiyingyongyaoqiueryousuobutong。zaizhexieshejikaoliangyinsuzhong，guanyushujujiekoudeyixieyaoqiufeichangzhongyao，yinci，yaozaihuahuanzujianzhongzhengqueshishishujujiekou
，xuanzeshidangdejishufeichangguanjian。yongyushixianzheyigongnengdeshujutongxinjishutongchangkefenweijiechushihefeijiechushi。zhexiejishuzhijiancunzaiyixiechayi，jutiqujueyutamenweileshixianshujuchuanshutongxintongdaosuocaiyongdeouheleixing。

 

接觸型接口

 

接觸型解決方案通常在定子上采用複合材料、單絲或複合絲電刷，它靠著轉子上的導電環滑動，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）。與數據通信相關的電刷類型選擇取決於信號帶寬、數據傳輸速率、所需的傳輸質量


、工gong作zuo電dian流liu和he轉zhuan速su。雖sui然ran這zhe是shi一yi項xiang較jiao為wei完wan善shan的de技ji術shu

，自zi問wen世shi以yi來lai一yi直zhi用yong於yu滑hua環huan中zhong
，但dan它ta也ye存cun在zai一yi定ding的de局ju限xian性xing。由you於yu接jie觸chu型xing滑hua環huan的de機ji械xie式shi接jie觸chu點dian需xu要yao定ding期qi維wei護hu
，因yin此ci在zai惡e劣lie的de工gong作zuo環huan境jing中zhong使shi用yong時shi可ke靠kao性xing會hui受shou到dao影ying響xiang。機ji電dian旋xuan轉zhuan接jie頭tou也ye容rong易yi受shou電dian磁ci幹gan擾rao的de影ying響xiang。此ci外wai，用yong於yu建jian立li接jie觸chu型xing接jie口kou的de物wu理li介jie質zhi的de特te性xing，以yi及ji各ge種zhong失shi配pei效xiao應ying，都dou會hui對dui通tong道dao帶dai寬kuan造zao成cheng莫mo大da影ying響xiang。而er且qie，滑hua動dong接jie觸chu產chan生sheng的de電dian阻zu變bian化hua會hui降jiang低di傳chuan輸shu質zhi量liang，這zhe在zai高gao數shu據ju速su率lv實shi時shi應ying用yong中zhong尤you為wei重zhong要yao。

 

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

 

非接觸型接口

 

非(fei)接(jie)觸(chu)型(xing)旋(xuan)轉(zhuan)接(jie)頭(tou)采(cai)用(yong)輻(fu)射(she)或(huo)非(fei)輻(fu)射(she)電(dian)磁(ci)場(chang)在(zai)旋(xuan)轉(zhuan)部(bu)件(jian)之(zhi)間(jian)傳(chuan)輸(shu)數(shu)據(ju)，解(jie)決(jue)了(le)這(zhe)些(xie)限(xian)製(zhi)因(yin)素(su)。與(yu)電(dian)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)技(ji)術(shu)相(xiang)比(bi)
，此(ci)技(ji)術(shu)具(ju)有(you)幾(ji)個(ge)性(xing)能(neng)優(you)勢(shi)。它(ta)沒(mei)有(you)機(ji)械(xie)式(shi)接(jie)觸(chu)點(dian)


，不(bu)存(cun)在(zai)接(jie)觸(chu)磨(mo)損(sun)，減(jian)少(shao)了(le)維(wei)護(hu)需(xu)求(qiu)，以(yi)高(gao)速(su)旋(xuan)轉(zhuan)時(shi)，也(ye)不(bu)會(hui)因(yin)為(wei)阻(zu)抗(kang)導(dao)致(zhi)數(shu)據(ju)損(sun)失(shi)。

 

光纖旋轉接頭

 

最常見的非接觸型解決方案是光纖滑環，也稱為光纖旋轉接頭(FORJ)，其原理圖如圖4所示。FORJ依靠光輻射來傳輸數據，通常在850 nm至1550 nm的紅外波長下工作，能夠以幾十Gbps的de極ji高gao數shu據ju速su率lv傳chuan輸shu各ge種zhong類lei型xing的de模mo擬ni或huo數shu字zi光guang纖xian信xin號hao，而er且qie不bu受shou電dian磁ci幹gan擾rao影ying響xiang。但dan是shi，光guang纖xian解jie決jue方fang案an並bing非fei沒mei有you挑tiao戰zhan。它ta們men會hui遭zao受shou較jiao強qiang的de非fei本ben征zheng損sun耗hao，因yin角jiao度du和he軸zhou向xiang失shi調tiao導dao致zhi信xin號hao衰shuai減jian。這zhe些xie失shi調tiao也ye是shi造zao成cheng旋xuan轉zhuan信xin號hao波bo動dong的de主zhu要yao因yin素su，對dui於yu某mou些xie應ying用yong，這zhe非fei常chang關guan鍵jian。此ci外wai，光guang纖xian旋xuan轉zhuan接jie頭tou在zai惡e劣lie的de工gong業ye環huan境jing中zhong通tong常chang需xu要yao高gao水shui平ping的de保bao護hu。

 

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

 

感性和容性接口

 

另一種非接觸型技術是基於近場耦合機製建立
，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。

 

感性方法利用電磁感應原理來連接組件中的活動部件。使用這種耦合方式的滑環（原理圖如圖5所示）對(dui)於(yu)高(gao)轉(zhuan)速(su)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)非(fei)常(chang)有(you)用(yong)
，但(dan)它(ta)們(men)更(geng)適(shi)合(he)進(jin)行(xing)功(gong)率(lv)傳(chuan)輸(shu)，而(er)不(bu)是(shi)高(gao)速(su)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)。它(ta)們(men)也(ye)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)風(feng)力(li)渦(wo)輪(lun)機(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，為(wei)槳(jiang)距(ju)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)電(dian)信(xin)號(hao)和(he)電(dian)力(li)，以(yi)及(ji)活(huo)動(dong)組(zu)件(jian)以(yi)高(gao)轉(zhuan)速(su)運(yun)行(xing)的(de)封(feng)裝(zhuang)應(ying)用(yong)中(zhong)。

 

圖5. 感性耦合。

 

相對於依賴磁場的感性滑環
，基於電容技術的滑環利用電場在轉子和定子之間傳輸數據。圖6所suo示shi的de容rong性xing耦ou合he方fang法fa提ti供gong了le一yi種zhong成cheng本ben相xiang對dui較jiao低di的de輕qing型xing解jie決jue方fang案an

，其qi渦wo電dian流liu損sun失shi可ke以yi忽hu略lve不bu計ji
，且qie具ju備bei出chu色se的de失shi調tiao性xing能neng。此ci技ji術shu能neng夠gou在zai惡e劣lie的de運yun行xing環huan境jing中zhong以yi幾jiGbps的高速可靠傳輸數據

，且不受轉速影響。容性滑環通常設計用於和以太網現場總線組合使用
，廣泛用於時間敏感型工業應用中。

 

圖6. 容性耦合。

 

其他類型的接口

 

除(chu)了(le)主(zhu)要(yao)利(li)用(yong)感(gan)性(xing)或(huo)容(rong)性(xing)耦(ou)合(he)機(ji)製(zhi)的(de)非(fei)接(jie)觸(chu)型(xing)滑(hua)環(huan)技(ji)術(shu)外(wai)，還(hai)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)耦(ou)合(he)結(jie)構(gou)，例(li)如(ru)波(bo)導(dao)元(yuan)件(jian)或(huo)傳(chuan)輸(shu)線(xian)路(lu)元(yuan)件(jian)，實(shi)現(xian)采(cai)用(yong)這(zhe)兩(liang)類(lei)機(ji)製(zhi)組(zu)合(he)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。還(hai)有(you)一(yi)些(xie)特(te)殊(shu)類(lei)型(xing)的(de)滑(hua)環(huan)：例li如ru，依yi靠kao水shui銀yin作zuo為wei傳chuan導dao介jie質zhi的de滑hua環huan。但dan是shi
，浸jin水shui銀yin滑hua環huan對dui操cao作zuo環huan境jing的de要yao求qiu非fei常chang嚴yan格ge，不bu能neng在zai高gao溫wen環huan境jing中zhong使shi用yong，因yin此ci不bu適shi合he工gong業ye應ying用yong領ling域yu。

 

表1中zhong總zong結jie了le我wo們men探tan討tao的de各ge類lei數shu據ju接jie口kou技ji術shu

，它ta們men提ti供gong眾zhong多duo特te性xing和he功gong能neng
，能neng夠gou滿man足zu典dian型xing的de工gong業ye滑hua環huan應ying用yong要yao求qiu。但dan是shi，這zhe些xie傳chuan統tong技ji術shu大da多duo僅jin支zhi持chi短duan距ju離li數shu據ju傳chuan輸shu，這zhe要yao求qiu轉zhuan子zi和he定ding子zi上shang的de收shou發fa器qi元yuan件jian需xu彼bi此ci非fei常chang靠kao近jin。此ci外wai
，第di四si次ci工gong業ye革ge命ming還hai對dui滑hua環huan應ying用yong數shu據ju接jie口kou的de可ke配pei置zhi性xing、可靠性和速度提出了嚴格的要求，而現有的傳統技術往往不能滿足這些要求。

 

表1.基於數據接口耦合技術進行旋轉接頭分類

 

本文介紹了一種基於非接觸型技術的新型解決方案，此方案依靠電磁毫米波在輻射近場（菲涅耳）heyuanchangquyuyuanjulichuanshushuju，jiejueleqitafangfacunzaideyixieguanjianxianzhi。zhezhongjiejuefanganbudanweihuahuanyingyongtigongleyizhongjincouqiejingjigaoxiaodexianjinweiboshujujiekou，hainengyuchuantongdefeifushexuanzhuanjietoudeouheyuanjianzuhe，yijiaodichengbenshixiangengchusedexingneng。

 

毫米波數據接口解決方案

 

60 GHz頻段

 

低成本微波元件製造技術的出現
，使其在軍事領域之外的各類商業市場都實現了廣泛應用。特別是60GHz毫hao米mi波bo技ji術shu
，憑ping借jie其qi位wei於yu微wei波bo頻pin譜pu上shang半ban部bu分fen的de獨du特te優you勢shi，正zheng日ri益yi受shou到dao市shi場chang的de廣guang泛fan關guan注zhu。這zhe一yi全quan球qiu範fan圍wei內nei免mian授shou權quan且qie基ji本ben未wei占zhan用yong的de頻pin段duan能neng夠gou提ti供gong高gao達da9GHz的寬帶寬，支持高數據速率，提供的短波長可以實現緊湊型係統設計，且具備高衰減比，因此幹擾水平低。這些優點使得60GHz技術對諸如多千兆WiGig網絡(IEEE802.11ad和下一代IEEE802.11ay標準)、無線回程連接和高清視頻無線傳輸(專有的WirelessHD/UltraGig標準)等應用具有吸引力。

 

在工業領域，60GHz技術主要用於毫米波雷達傳感器和數據速率較低的遙測鏈路中。但是，隨著該領域的快速發展，60GHz技術很可能能夠在工業子係統中實現高速
、超低延遲的數據傳輸。

 

集成式數據接口架構

 

本文介紹了一種采用60GHz頻段
，適用於工業滑環應用的新型毫米波數據接口解決方案。該解決方案的關鍵功能性元件是ADI的60GHz集成式芯片組，由HMC6300發射器和HMC6301接收器組成，其原理圖分別如圖7和圖8所示。這個完整的矽鍺(SiGe) 收發器解決方案最初針對小型蜂窩回程應用進行了優化，完全可以滿足工業滑環應用的數據通信需求。芯片組在57GHz至64GHz頻率範圍內工作，可以使用集成式頻率合成器以250MHz
、500MHz或540MHz的離散頻率階躍進行調諧
，也可以使用外部LO信號進行調諧
，以滿足目標應用特定的調製、一致性和相位噪聲要求。

 

圖7. 發射器HMC6300的功能框圖。

 

圖8. 接收器HMC6301的功能框圖。

 

收發器芯片組支持多種調製格式，包括開關鍵控(OOK)
、FSK、MSK和QAM，最大調製帶寬為1.8GHz。它提供最大15dBm的輸出功率，可以使用集成式檢波器進行監控。此芯片組支持靈活的數字或模擬IF/RF增益控製

、低di噪zao聲sheng係xi數shu，以yi及ji可ke調tiao的de低di通tong和he高gao通tong基ji帶dai濾lv波bo器qi。此ci解jie決jue方fang案an非fei常chang適shi合he超chao低di延yan遲chi工gong業ye滑hua環huan應ying用yong
，其qi中zhong一yi個ge獨du特te優you勢shi是shi在zai接jie收shou器qi信xin號hao鏈lian中zhong集ji成cheng了le一yi個geAM檢波器，可用於對OOK等幅度調製進行解調。

 

OOK是控製應用中常用的一種調製方法，因為它無需使用成本高昂且耗電的高速數據轉換器，因此能夠實現簡單
、低成本的通信解決方案。此外，由於OOK係統架構不包含複雜的調製和解調級，所以能夠提供低延遲性能
，這對於工業實時應用非常重要。

 

HMC6300

 

●  頻段：57 - 64 GHz

●  RF信號帶寬：最高達1.8 GHz

●  針對1 dB壓縮的輸出功率：15 dBm

●  增益：5 - 35 dB

●  數字和模擬RF和IF增益控製

●  集成頻率合成器

●  集成鏡像抑製濾波器

●  部分外置的環路濾波器

●  支持外部LO

●  片內溫度傳感器

●  支持256-QAM調製

●  集成MSK調製器

●  通用模擬I/Q基帶接口

●  三線式串行數字接口

●  符合RoHS標準的65引腳晶圓級球柵陣列封裝

 

ADI發射器HMC6300和接收器HMC6301集成解決方案都采用小型4mm×6mm BGAfengzhuang，jiangtexinghexingnengyoushiyidutedefangshizuhezaiyiqi，keyimanzuxiandaigaosuhuahuanyingyongdeyankeyaoqiu。chulehexinshoufaqiyuanjianwai

，quanshuanggonghuahuanshujujiekoudewanzhenggainianshejihaibaokuotianxian、電源管理、I/O模塊和輔助信號調理組件，可以根據目標應用的需求進行選擇。有關整個60GHz全雙工數據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於1Gbps的速度實現高度、超(chao)低(di)延(yan)遲(chi)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)
，且(qie)比(bi)特(te)誤(wu)碼(ma)率(lv)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)。使(shi)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)天(tian)線(xian)設(she)計(ji)和(he)增(zeng)益(yi)設(she)置(zhi)可(ke)以(yi)在(zai)幾(ji)十(shi)厘(li)米(mi)距(ju)離(li)內(nei)實(shi)現(xian)可(ke)靠(kao)通(tong)信(xin)，這(zhe)為(wei)在(zai)特(te)定(ding)的(de)工(gong)業(ye)場(chang)景(jing)中(zhong)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)滑(hua)環(huan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)開(kai)啟(qi)了(le)契(qi)機(ji)。

 

圖9. 60 GHz全雙工數據接口的框圖。

 

分立式數據接口架構

 

本ben文wen介jie紹shao的de集ji成cheng式shi解jie決jue方fang案an的de性xing能neng功gong能neng足zu以yi滿man足zu大da部bu分fen工gong業ye滑hua環huan應ying用yong的de需xu求qiu
，但dan是shi，受shou工gong業ye組zu件jian定ding製zhi這zhe個ge趨qu勢shi的de廣guang泛fan影ying響xiang，數shu據ju接jie口kou可ke能neng需xu要yao提ti供gong支zhi持chi千qian兆zhao位wei的de更geng快kuai數shu據ju速su率lv。因yin此ci
，可ke能neng需xu要yao使shi用yong分fen立li式shi組zu件jian來lai配pei置zhi定ding製zhi解jie決jue方fang案an，以yi滿man足zu特te定ding需xu求qiu。

 

圖10和圖11顯示支持5Gbps以上數據速率的60GHz數據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的標準RF組件和基本自定義模塊來實現，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）。

 

圖10. 適用於60 GHz發射器的完整信號鏈解決方案（OOK調製器）。

 

圖11. 適用於60 GHz接收器的完整信號鏈解決方案（OOK解調器）。

 

這種分立式解決方案基於單個檢測係統架構實現。但是，基於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，從而有助於實現超外差架構。

 

結論

 

工業4.0正(zheng)在(zai)推(tui)動(dong)許(xu)多(duo)技(ji)術(shu)的(de)變(bian)革(ge)
，其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)就(jiu)是(shi)工(gong)業(ye)通(tong)信(xin)。在(zai)第(di)四(si)次(ci)工(gong)業(ye)革(ge)命(ming)的(de)推(tui)動(dong)下(xia)產(chan)生(sheng)的(de)新(xin)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)
，要(yao)求(qiu)在(zai)實(shi)時(shi)運(yun)行(xing)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)設(she)備(bei)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)組(zu)件(jian)之(zhi)間(jian)，實(shi)現(xian)更(geng)快(kuai)、更可靠且更準確的超低延遲數據傳輸。

 

ADI提供廣泛的、涵蓋整個頻譜範圍的高性能集成式和分立式RF和微波組件，支持通過旋轉接頭實現非接觸型Gbpsjishujuchuanshudetedingyingyongsheji。benwenjieshaoleyizhongjichengshihefenlishishujujiekoujiejuefangan

，taliyonghaomibodiancibokeshixianzhuanzihedingzizhijiandeshujuchuanshu。benwenjieshaodejiejuefanganbujintigonggaosushujuchuanshu、超低延遲、可以忽略不計的比特誤碼率
、qiangganraoshuaijianhemianweihucaozuo，haikeyijingshougenggaochengdudeshitiao
，zhichizaigengyuanjulineichuanshushuju，zhichigengguangfandehuahuanzujian，yimanzuriyizengchangdexiandaigongyeyingyongxuqiu。

 

ADI為工業4.0合作夥伴提供深厚的工業領域專業知識和新一代功能經驗，幫助當今的工廠基礎設施開發更快
、更經濟高效的先進解決方案，做好迎接未來的準備。

 

 

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