適用于滑環(huán)應(yīng)用的60 GHz無線數(shù)據(jù)互聯(lián)

第四次工業(yè)革命通過在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)新場景來推動(dòng)數(shù)字化制造向前發(fā)展（參見圖1）。這些場景依賴于基本的設(shè)計(jì)原則，包括器件互聯(lián)、信息透明、技術(shù)協(xié)助，以及分散決策。沒有先進(jìn)的無線通信技術(shù)，就無法在現(xiàn)代智能工廠中實(shí)現(xiàn)所有這些原則。它們支持在廣泛的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)多種應(yīng)用，包括過程自動(dòng)化、資產(chǎn)跟蹤、機(jī)械控制、內(nèi)部物流和基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。

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)場景的嚴(yán)苛要求。

01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）。現(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(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(5000rpm至6000rpm)，能夠以典型的100Mbps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1Gbps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。

02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。

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(hào)傳輸技術(shù)相比，此技術(shù)具有幾個(gè)性能優(yōu)勢。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)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/481492.html">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(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)。

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(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和磁場實(shí)現(xiàn)。

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(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(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。

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

本文介紹了一種基于非接觸型技術(shù)的解決方案，此方案依靠電磁毫米波在輻射近場（菲涅耳）和遠(yuǎn)場區(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。

03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(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。特別是60GHz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，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(dá)9GHz的寬帶寬，支持高數(shù)據(jù)速率，提供的短波長可以實(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60GHz技術(shù)對(duì)諸如多千兆WiGig網(wǎng)絡(luò)(IEEE802.11ad和下一代IEEE802.11ay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，60GHz技術(shù)主要用于毫米波雷達(dá)傳感器和數(shù)據(jù)速率較低的遙測鏈路中。但是，隨著該領(lǐng)域的快速發(fā)展，60GHz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。