【導(dǎo)讀】第四次工業(yè)革命通過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)新場(chǎng)景來(lái)推動(dòng)數(shù)字化制造向前發(fā)展(參見(jiàn)圖1)。這些場(chǎng)景依賴(lài)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(méi)有先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),就無(wú)法在現(xiàn)代智能工廠(chǎng)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(guò)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)。
圖1. 工業(yè)革命概述。
智能工廠(chǎng)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(wú)線(xiàn)解決方案來(lái)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(guò)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(wú)線(xiàn)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(lèi)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(lèi)。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(wú)線(xiàn)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(mǎn)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(chēng)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(jiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(wú)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(wú)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(mǎn)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(lèi)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(lèi)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(jiàn)圖3)。與數(shù)據(jù)通信相關(guān)的電刷類(lèi)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(wèn)世以來(lái)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(méi)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(jiàn)的非接觸型解決方案是光纖滑環(huán),也稱(chēng)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(lái)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(lèi)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(méi)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(guò)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)。
感性方法利用電磁感應(yīng)原理來(lái)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(lài)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(xiàn)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(lèi)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(xiàn)路元件,實(shí)現(xiàn)采用這兩類(lèi)機(jī)制組合的解決方案。還有一些特殊類(lèi)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(lèi)數(shù)據(jù)接口技術(shù),它們提供眾多特性和功能,能夠滿(mǎn)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(mǎn)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(lèi)
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(lèi)商業(yè)市場(chǎng)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(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)9GHz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(wú)線(xiàn)回程連接和高清視頻無(wú)線(xiàn)傳輸(專(zhuān)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(cè)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。
集成式數(shù)據(jù)接口架構(gòu)
本文介紹了一種采用60GHz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的60GHz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(mǎn)足工業(yè)滑環(huán)應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信需求。芯片組在57GHz至64GHz頻率范圍內(nèi)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(jìn)行調(diào)諧,也可以使用外部LO信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧,以滿(mǎn)足目標(biāo)應(yīng)用特定的調(diào)制、一致性和相位噪聲要求。
圖7. 發(fā)射器HMC6300的功能框圖。
圖8. 接收器HMC6301的功能框圖。
收發(fā)器芯片組支持多種調(diào)制格式,包括開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)、FSK、MSK和QAM,最大調(diào)制帶寬為1.8GHz。它提供最大15dBm的輸出功率,可以使用集成式檢波器進(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(wú)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。
HMC6300
● 頻段:57 - 64 GHz
● RF信號(hào)帶寬:最高達(dá)1.8 GHz
● 針對(duì)1 dB壓縮的輸出功率:15 dBm
● 增益:5 - 35 dB
● 數(shù)字和模擬RF和IF增益控制
● 集成頻率合成器
● 集成鏡像抑制濾波器
● 部分外置的環(huán)路濾波器
● 支持外部LO
● 片內(nèi)溫度傳感器
● 支持256-QAM調(diào)制
● 集成MSK調(diào)制器
● 通用模擬I/Q基帶接口
● 三線(xiàn)式串行數(shù)字接口
● 符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的65引腳晶圓級(jí)球柵陣列封裝
ADI發(fā)射器HMC6300和接收器HMC6301集成解決方案都采用小型4mm×6mm 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(mǎn)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(xiàn)、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)60GHz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(jiàn)圖9。此解決方案能夠以高于1Gbps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€(xiàn)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(kāi)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(mǎn)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(lái)配置定制解決方案,以滿(mǎn)足特定需求。
圖10和圖11顯示支持5Gbps以上數(shù)據(jù)速率的60GHz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(guò)采用ADI的標(biāo)準(zhǔn)RF組件和基本自定義模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),包括無(wú)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)。
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(guò)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(mǎn)足日益增長(zhǎng)的現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用需求。
ADI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(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)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(lái)的準(zhǔn)備。
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