第四次工业革命正在生产过程中实现新的场景,进而推动数字化制造向前发展(参见图 1)。这些场景依赖于基本的设计原则,包括器件互联、信息透明、技术协助,以及分散决策。所有这些原则若没有先进的无线通信技术,就无法在现代智能工厂中实现。它们支持在各种领域实现多种应用,包括过程自动化、资产跟踪、机械控制、内部物流和基础设施网络。

 

图 1:工业革命概述。


智能工厂集成了多种信息物理系统,这些系统需要速度更快、更加可靠的无线解决方案,来处理严苛的工业环境中不断增长的数据量。在要求更高的工业 4.0 场景中,推动这些解决方案发展部署的主要因素包括:实现移动 SCADA(数据采集与监视控制)系统,更换传统系统,以及实现(以前无法实现或者有限的)移动设备数据传输。本文主要探讨最后这一方面推动的无线技术。


本文第一部分概述了现代工业应用对于机械旋转子系统之间通信接口的主要要求。第二部分尝试根据在转子和定子之间传送数据所用的机制类型,来对当今这些子系统中所使用的多种数据接口技术进行分类。这部分简要概述了这些技术,并且讨论了它们的主要优缺点。第三部分介绍了一种支持高速、低延迟通信的 60GHz 创新无线解决方案,其能够在滑环组件中实现先进的数据接口架构,从而满足新工业场景的严苛要求。


旋转接头中数据接口的工业要求
旋转接头,也经常被称为滑环,是在旋转连接中传输数据和电能的组件(参见图 2)。现代工业场景要求在旋转部件之间提供更快、更可靠的数据传输,进而使得对旋转接头中所用数据接口的带宽、串扰和 EMI 性能的要求也日益严格。满足这些要求对于保证相应工业设备的实时运行、连续正常运行和最大效率至关重要。

 

图 2:旋转接头——高层框图和要求。


工业旋转数据接口组件必须确保能在非常快的转速下(5000rpm 至 6000rpm),以 100Mbps 的典型数据速率实现高品质的持续传输。在大多数情况下,这样的数据速率足以满足,但有些特殊应用需要以 1Gbps 或更高的速率进行快速传输,从而就成为了当今的基准指标。工业应用还要求支持 IEEE 802.3(以太网)等工业总线协议,以及确定性实时通信,从而支持时间敏感型应用和 IIoT 功能。面向这些应用的数据接口解决方案必须能够不受物理失调、电磁干扰和串扰的影响,实现误比特率(BER)等于或优于 1×10−12 的无误差数据传输。理想情况下旋转接头应无需维护并且不会磨损,因此工业环境中的污染不应影响其运行。最后,数据接口技术必须与旋转接头组件的动力传输子系统兼容,从而满足目标应用的所有功能要求。


数据接口技术
旋转接头多种多样,其功能特性、外形大小、转速(rpm)、最大数据速率、功率范围、支持的接口类型和通道数量等设计因素,都会随应用要求而有所不同。在这些设计考虑因素中,有关数据接口的一些要求非常重要,因此,要在滑环组件中正确实现数据接口,选择适当的技术非常关键。用于实现这一功能的数据通信技术通常可分为接触式和非接触式。这些技术之间存在一些差异,具体取决于它们为了实现数据传输通信通道所采用的耦合类型。


接触式接口
接触式解决方案通常在定子上采用复合材料、单丝或复合丝电刷,它靠着转子上的导电环滑动,从而在移动部件和静止部件之间形成不间断的电信号通道(参见图 3)。与数据通信相关的电刷类型选择取决于信号带宽、数据传输速率、所需的传输质量、工作电流和转速。虽然这是一项较为完善的技术,自问世以来一直用于滑环中,但它也存在一定的局限性。由于接触式滑环的机械式接触点需要定期维护,因此在恶劣的工作环境中使用时可靠性会受到影响。机电旋转接头也容易受电磁干扰的影响。此外,用于建立接触式接口的物理介质的特性,以及各种失配效应,都会对通道带宽造成很大影响。而且,滑动接触所产生的电阻变化会降低传输质量,这在高数据速率实时应用中尤为重要。

 

图 3:接触式滑环。图片来源:Servotectica/CC BY-SA 4.0。


非接触式接口
非接触式旋转接头采用辐射或非辐射电磁场在旋转部件之间传输数据,因此可以解决这些局限性。与电信号传输技术相比,这种技术具有几个性能优势。它没有机械式接触点,因此不存在接触磨损,可减少维护需求;以高速旋转时,也不会因为阻抗导致数据丢失。


光纤旋转接头

最常见的非接触式解决方案是光纤滑环,也称为光纤旋转接头(FORJ),其原理图如图 4 所示。FORJ 依靠光辐射来传输数据,通常在 850nm 至 1550nm 的红外波长下工作,能够以几十 Gbps 的极高数据速率传输各种类型的模拟或数字光纤信号,而且不受电磁干扰影响。但是,光纤解决方案并非没有挑战。它们会遭受较强的非本征损耗,从而因角度和轴向失调而导致信号衰减。这些失调也是造成旋转信号波动的主要因素,从而对于某些应用来说非常关键。此外,光纤旋转接头在恶劣的工业环境中通常需要高水平的保护。

 

图 4:光纤旋转接头。图片来源:Servotectica/CC BY-SA 4.0。


感性和容性接口

另一种非接触式技术是基于近场耦合机制实现的,即利用本来无辐射的感性和容性电路元件来生成低电磁频谱频段的电场和磁场。
感性方法利用电磁感应原理来连接组件中的活动部件。使用这种耦合方式的滑环(原理图如图 5 所示)对于高转速工业应用非常有用,但它们更适合进行电力传输,而不是高速数据传输。它们也广泛应用于风力涡轮机应用,而为桨距控制系统提供电信号和电力;以及应用于封装应用,在这类应用中,活动组件会以高转速运行。

 

图 5:感性耦合。


与依赖磁场的感性滑环不同,基于电容技术的滑环在转子和定子之间利用电场传输数据。图 6 所示的容性耦合方法提供了一种成本较低的轻量级解决方案,其涡流损耗可以忽略不计,且失准性能出色。这项技术能够在恶劣的运行环境中以几 Gbps 的高速可靠传输数据,且不受转速影响。容性滑环通常设计用于与以太网现场总线组合使用,广泛用于时间敏感型工业应用中。

 

图 6:容性耦合。


其他类型的接口
除了主要利用感性或容性耦合机制的非接触式滑环技术外,还可以使用适当的耦合结构,例如波导元件或传输线元件,实现采用这两类机制组合的解决方案。还有一些特殊类型的滑环:例如,依靠水银作为传导介质的滑环。但是,浸水银滑环对操作环境的要求非常严格,不能在高温环境中使用,因此不适合工业应用领域。

 

表 1:基于数据接口耦合技术进行旋转接头分类。


表 1 总结了所探讨的各类数据接口技术,它们提供众多特性和功能,能够满足典型的工业滑环应用要求。但是,这些传统技术大多仅支持短距离数据传输,这要求转子和定子上的收发器元件彼此非常靠近。此外,第四次工业革命还对滑环应用数据接口的可配置性、可靠性和速度提出了严格的要求,而现有的传统技术往往不能满足这些要求。


本文介绍了一种基于非接触式技术的新型解决方案,该方案依靠电磁毫米波在辐射近场(菲涅耳)和远场区域远距离传输数据,解决了其他方法存在的一些关键限制。这种解决方案不但为滑环应用提供了一种紧凑且经济高效的先进微波数据接口,还能与传统的非辐射旋转接头的耦合元件组合,以较低成本实现更出色的性能。


毫米波数据接口解决方案
60GHz 频段

低成本微波元件制造技术的出现,使其在军事领域之外的各类商业市场都实现了广泛应用。特别是 60GHz 毫米波技术,凭借其位于微波频谱上半部分的独特优势,正日益受到市场的广泛关注。这一全球范围内免授权且基本未占用的频段能够提供高达 9GHz 的宽带宽,支持高数据速率,提供的短波长可以实现紧凑的系统设计,且具备高衰减比,因此干扰水平低。这些优点使得 60GHz 技术对诸如多千兆 WiGig 网络(IEEE 802.11ad 和下一代 IEEE 802.11ay 标准)、无线回程连接和高清视频无线传输(WirelessHD/UltraGig 专有标准)等应用具有吸引力。


在工业领域,60GHz 技术主要用于毫米波雷达传感器和数据速率较低的遥测链路中。但是,随着该领域的快速发展,60GHz 技术很可能在工业子系统中实现高速、超低延迟的数据传输。


集成式数据接口架构
本文介绍了一种采用 60GHz 频段、适用于工业滑环应用的新型毫米波数据接口解决方案。该解决方案的关键功能性元件是 ADI 公司的 60GHz 集成式芯片组,由 HMC6300 发射器和 HMC6301 接收器组成,其原理图分别如图 7 和图 8 所示。这款完整的硅锗(SiGe)收发器解决方案最初针对小蜂窝回程应用进行了优化,完全可以满足工业滑环应用的数据通信需求。芯片组在 57GHz 至 64GHz 频率范围内工作,可以使用集成式频率合成器以 250MHz、500MHz 或 540MHz 的不连续频率步进进行调谐,也可以使用外部 LO 信号进行调谐,以满足目标应用特定的调制、一致性和相位噪声要求。


收发器芯片组支持多种调制方式,包括开关键控(OOK)、FSK、MSK 和 QAM,最大调制带宽为 1.8GHz。它提供最大 15dBm 的输出功率,可以使用集成式检波器进行监控。这个芯片组支持灵活的数字或模拟 IF/RF 增益控制、低噪声系数,以及可调的低通和高通基带滤波器。此解决方案非常适合超低延迟工业滑环应用,其中一个独特优势是在接收器信号链中集成了一个 AM 检波器,可用于对 OOK 等幅度调制进行解调。


OOK 调制方法由于无需使用成本高昂、高耗电的高速数据转换器,而能实现简单、低成本的通信解决方案,因此在控制应用中非常常用。此外,由于 OOK 系统架构不包含复杂的调制和解调级,因此能够提供低延迟性能,这对于工业实时应用非常重要。

 

图 7:发射器 HMC6300 的功能框图。

 


图 8:接收器 HMC6301 的功能框图。


ADI 公司的发射器 HMC6300 和接收器 HMC6301 集成解决方案都采用小型 4mm×6mm BGA 封装,将特性和性能优势以独特的方式组合在一起,可以满足现代高速滑环应用的严苛要求。除了核心收发器元件外,全双工滑环数据接口的完整概念设计还包括天线、电源管理、I/O 模块和辅助信号调理元器件,可以根据目标应用的需求进行选择。有关整个 60GHz 全双工数据接口解决方案概念的详细框图,请参见图 9。此解决方案能够以高于 1Gbps 的速度实现高度、超低延迟数据传输,且误比特率可以忽略不计。使用适当的天线设计和增益设置可以在几十厘米距离内实现可靠通信,这为在特定的工业场景中广泛使用滑环解决方案开启了契机。

 

图 9:60GHz 全双工数据接口的框图。


分立式数据接口架构
本文介绍的集成式解决方案的性能和功能足以满足大部分工业滑环应用的需求,但是,受工业元器件定制趋势的广泛影响,数据接口可能需要支持数千兆位的更高数据速率。因此,可能需要使用分立式元器件来配置定制解决方案,以满足特定需求。

 

图 10:适用于 60GHz 发射器的完整信号链解决方案(OOK 调制器)。

 

图 11. 适用于 60GHz 接收器的完整信号链解决方案(OOK 解调器)。


图 10 和图 11 举出了支持 5Gbps 以上数据速率的 60GHz 数据接口的完整信号链解决方案示例。这种 OOK 解决方案通过采用 ADI 公司的标准 RF 元器件和基本自定义模块来实现,包括无源元件、匹配电路、分支型滤波器、偏置器、衰减器等(图中未显示所有组件)。


这种分立式解决方案基于单个检测系统架构实现。但是,根据性能要求也可以在视频检测阶段之前对 RF 信号进行下变频处理,从而有助于实现超外差架构。


本文小结
工业 4.0 正在推动许多技术的变革,其中一个就是工业通信。第四次工业革命所催生的新应用场景,要求在实时运行的自动化设备旋转件之间,实现更快、更可靠、更准确的超低延迟数据传输。


ADI 公司提供广泛的涵盖整个频谱范围的高性能集成式和分立式 RF 和微波元器件,支持通过旋转接头实现非接触式 Gbps 级数据传输的特定应用设计。本文介绍了一种集成式和分立式数据接口解决方案,它利用毫米波电磁波实现了转子和定子之间的数据传输。本文介绍的解决方案不仅可提供高速数据传输、超低延迟、可忽略不计的误比特率、强干扰衰减和免维护操作,还可以经受更高程度的失准,并支持在更远距离内传输数据,实现更广泛的滑环组件,以满足日益增长的现代工业应用需求。


ADI 公司为工业 4.0 合作伙伴提供深厚的工业领域专业知识和新一代功能经验,帮助当今的工厂基础设施开发更快、更经济高效的先进解决方案,而做好迎接未来的准备。