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、通tong道dao數shu量liang，以yi及ji許xu多duo其qi他ta設she計ji因yin素su，都dou隨sui應ying用yong要yao求qiu而er有you所suo不bu同tong。在zai這zhe些xie設she計ji考kao量liang因yin素su中zhong，關guan於yu數shu據ju接jie口kou的de一yi些xie要yao求qiu非fei常chang重zhong要yao，因yin此ci
，要yao在zai滑hua環huan組zu件jian中zhong正zheng確que實shi施shi數shu據ju接jie口kou
，選xuan擇ze適shi當dang的de技ji術shu非fei常chang關guan鍵jian。用yong於yu實shi現xian這zhe一yi功gong能neng的de數shu據ju通tong信xin技ji術shu通tong常chang可ke分fen為wei接jie觸chu式shi和he非fei接jie觸chu式shi。這zhe些xie技ji術shu之zhi間jian存cun在zai一yi些xie差cha異yi，具ju體ti取qu決jue於yu它ta們men為wei了le實shi現xian數shu據ju傳chuan輸shu通tong信xin通tong道dao所suo采cai用yong的de耦ou合he類lei型xing。

 

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

 

feijiechuxingxuanzhuanjietoucaiyongfushehuofeifushediancichangzaixuanzhuanbujianzhijianchuanshushuju
，jiejuelezhexiexianzhiyinsu。yudianxinhaochuanshujishuxiangbi，cijishujuyoujigexingnengyoushi。tameiyoujixieshijiechudian，bucunzaijiechumosun，jianshaoleweihuxuqiu
，yigaosuxuanzhuanshi，yebuhuiyinweizukangdaozhishujusunshi。

 

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Gbpsdejigaoshujusulvchuanshugezhongleixingdemonihuoshuziguangxianxinhao，erqiebushoudianciganraoyingxiang。danshi
，guangxianjiejuefanganbingfeimeiyoutiaozhan。tamenhuizaoshoujiaoqiangdefeibenzhengsunhao，yinjiaoduhezhouxiangshitiaodaozhixinhaoshuaijian。zhexieshitiaoyeshizaochengxuanzhuanxinhaobodongdezhuyaoyinsu，duiyumouxieyingyong，zhefeichangguanjian。ciwai，guangxianxuanzhuanjietouzaieliedegongyehuanjingzhongtongchangxuyaogaoshuipingdebaohu。

 

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）和he遠yuan場chang區qu域yu遠yuan距ju離li傳chuan輸shu數shu據ju，解jie決jue了le其qi他ta方fang法fa存cun在zai的de一yi些xie關guan鍵jian限xian製zhi。這zhe種zhong解jie決jue方fang案an不bu但dan為wei滑hua環huan應ying用yong提ti供gong了le一yi種zhong緊jin湊cou且qie經jing濟ji高gao效xiao的de先xian進jin微wei波bo數shu據ju接jie口kou
，還hai能neng與yu傳chuan統tong的de非fei輻fu射she旋xuan轉zhuan接jie頭tou的de耦ou合he元yuan件jian組zu合he
，以yi較jiao低di成cheng本ben實shi現xian更geng出chu色se的de性xing能neng。

 

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(da)9GHz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

、dizaoshengxishu
，yijiketiaodeditonghegaotongjidailvboqi。cijiejuefanganfeichangshihechaodiyanchigongyehuahuanyingyong，qizhongyigeduteyoushishizaijieshouqixinhaolianzhongjichengleyigeAM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 BGA封(feng)裝(zhuang)
，將(jiang)特(te)性(xing)和(he)性(xing)能(neng)優(you)勢(shi)以(yi)獨(du)特(te)的(de)方(fang)式(shi)組(zu)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)

，可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)現(xian)代(dai)高(gao)速(su)滑(hua)環(huan)應(ying)用(yong)的(de)嚴(yan)苛(ke)要(yao)求(qiu)。除(chu)了(le)核(he)心(xin)收(shou)發(fa)器(qi)元(yuan)件(jian)外(wai)，全(quan)雙(shuang)工(gong)滑(hua)環(huan)數(shu)據(ju)接(jie)口(kou)的(de)完(wan)整(zheng)概(gai)念(nian)設(she)計(ji)還(hai)包(bao)括(kuo)天(tian)線(xian)、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Gbps級(ji)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)的(de)特(te)定(ding)應(ying)用(yong)設(she)計(ji)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)了(le)一(yi)種(zhong)集(ji)成(cheng)式(shi)和(he)分(fen)立(li)式(shi)數(shu)據(ju)接(jie)口(kou)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，它(ta)利(li)用(yong)毫(hao)米(mi)波(bo)電(dian)磁(ci)波(bo)可(ke)實(shi)現(xian)轉(zhuan)子(zi)和(he)定(ding)子(zi)之(zhi)間(jian)的(de)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)不(bu)僅(jin)提(ti)供(gong)高(gao)速(su)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)、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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