【導讀】第四次工業革命通過在生產過程中實現新場景來推動數字化制造向前發展（參見圖1）。這些場景依賴于基本的設計原則，包括器件互聯、信息透明、技術協助，以及分散決策。沒有先進的無線通信技術，就無法在現代智能工廠中實現所有這些原則。它們支持在廣泛的領域實現多種應用，包括過程自動化、資產跟蹤、機械控制、內部物流和基礎設施網絡。
圖1.工業革命概述
智能工廠集成多種信息物理系統，這些系統需要速度更快、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、更換傳統系統，或者通過移動設備實現數據傳輸（以前不可行或者受到限制）。本文主要探討受到最后一個因素推動的無線技術。
本文第一部分概述現代工業應用對于機械旋轉子系統之間的通信接口的主要要求。第二部分嘗試根據在轉子和定子之間傳送數據所用的機制類型，對當今這些子系統中使用的多種數據接口技術進行分類。這部分簡要概述了這些技術，并且討論了這些技術的優缺點。第三部分介紹一種支持高速、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。滿足這些要求對于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（5000 rpm至6000 rpm），能夠以典型的100 Mbps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1 Gbps或更高的速率進行快速傳輸，并成為當今的基準指標。工業應用還要求支持基于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。面向這些應用的數據接口解決方案必須能夠不受物理失調、電磁干擾和串擾的影響，實現比特誤碼率(BER)等于或低于1 × 10−12的無誤差數據傳輸。工業環境中的污染不應影響旋轉接頭的運行，理想情況下旋轉接頭無需維護且不受磨損。最后，數據接口技術必須與旋轉接頭組件的動力傳輸子系統兼容，以滿足目標應用的所有功能要求。
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、功率范圍、支持的接口類型、通道數量，以及許多其他設計因素，都隨應用要求而有所不同。在這些設計考量因素中，關于數據接口的一些要求非常重要，因此，要在滑環組件中正確實施數據接口，選擇適當的技術非常關鍵。用于實現這一功能的數據通信技術通常可分為接觸式和非接觸式。這些技術之間存在一些差異，具體取決于它們為了實現數據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合材料、單絲或復合絲電刷，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于信號帶寬、數據傳輸速率、所需的傳輸質量、工作電流和轉速。雖然這是一項較為完善的技術，自問世以來一直用于滑環中，但它也存在一定的局限性。由于接觸型滑環的機械式接觸點需要定期維護，因此在惡劣的工作環境中使用時可靠性會受到影響。機電旋轉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的特性，以及各種失配效應，都會對通道帶寬造成莫大影響。而且，滑動接觸產生的電阻變化會降低傳輸質量，這在高數據速率實時應用中尤為重要。
圖3.接觸型滑環。供圖：Servotectica/CC BY-SA 4.0。
非接觸型接口
非接觸型旋轉接頭采用輻射或非輻射電磁場在旋轉部件之間傳輸數據，解決了這些限制因素。與電信號傳輸技術相比，此技術具有幾個性能優勢。它沒有機械式接觸點，不存在接觸磨損，減少了維護需求，以高速旋轉時，也不會因為阻抗導致數據損失。
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的極高數據速率傳輸各種類型的模擬或數字光纖信號，而且不受電磁干擾影響。但是，光纖解決方案并非沒有挑戰。它們會遭受較強的非本征損耗，因角度和軸向失調導致信號衰減。這些失調也是造成旋轉信號波動的主要因素，對于某些應用，這非常關鍵。此外，光纖旋轉接頭在惡劣的工業環境中通常需要高水平的保護。
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于近場耦合機制建立，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。和葉片變槳控制系統的動力，以及用于運動零件以高rpm運行的包裝應用。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）對于高轉速工業應用非常有用，但它們更適合進行功率傳輸，而不是高速數據傳輸。它們也廣泛應用于風力渦輪機應用中，為槳距控制系統提供電信號和電力，以及活動組件以高轉速運行的封裝應用中。
圖5.感性耦合
相對于依賴磁場的感性滑環，基于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所示的容性耦合方法提供了一種成本相對較低的輕型解決方案，其渦電流損失可以忽略不計，且具備出色的失調性能。此技術能夠在惡劣的運行環境中以幾Gbps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于和以太網現場總線組合使用，廣泛用于時間敏感型工業應用中。
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制的非接觸型滑環技術外，還可以使用適當的耦合結構，例如波導元件或傳輸線路元件，實現采用這兩類機制組合的解決方案。還有一些特殊類型的滑環：例如，依靠水銀作為傳導介質的滑環。但是，浸水銀滑環對操作環境的要求非常嚴格，不能在高溫環境中使用，因此不適合工業應用領域。
表1.基于數據接口耦合技術進行旋轉接頭分類
表1中總結了我們探討的各類數據接口技術，它們提供眾多特性和功能，能夠滿足典型的工業滑環應用要求。但是，這些傳統技術大多僅支持短距離數據傳輸，這要求轉子和定子上的收發器元件需彼此非常靠近。此外，第四次工業革命還對滑環應用數據接口的可配置性、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。
本文介紹了一種基于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）和遠場區域遠距離傳輸數據，解決了其他方法存在的一些關鍵限制。這種解決方案不但為滑環應用提供了一種緊湊且經濟高效的先進微波數據接口，還能與傳統的非輻射旋轉接頭的耦合元件組合，以較低成本實現更出色的性能。
毫米波數據接口解決方案
60 GHz頻段
低成本微波元件制造技術的出現，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60 GHz毫米波技術，憑借其位于微波頻譜上半部分的獨特優勢，正日益受到市場的廣泛關注。這一全球范圍內免授權且基本未占用的頻段能夠提供高達9 GHz的寬帶寬，支持高數據速率，提供的短波長可以實現緊湊型系統設計，且具備高衰減比，因此干擾水平低。這些優點使得60 GHz技術對諸如多千兆WiGig網絡（IEEE 802.11ad和下一代IEEE 802.11ay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，60 GHz技術主要用于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，60 GHz技術很可能能夠在工業子系統中實現高速、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60 GHz頻段，適用于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公司的60 GHz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。 這個完整的硅鍺(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57 GHz至64 GHz頻率范圍內工作，可以使用集成式頻率合成器以250 MHz、500 MHz或540 MHz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制、一致性和相位噪聲要求。
收發器芯片組支持多種調制格式，包括開關鍵控(OOK)、FSK、MSK和QAM，最大調制帶寬為1.8 GHz。它提供最大15 dBm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增益控制、低噪聲系數，以及可調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滑環應用，其中一個獨特優勢是在接收器信號鏈中集成了一個AM檢波器，可用于對OOK等幅度調制進行解調。
OOK是控制應用中常用的一種調制方法，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，由于OOK系統架構不包含復雜的調制和解調級，所以能夠提供低延遲性能，這對于工業實時應用非常重要。
圖7.發射器HMC6300的功能框圖
圖8.接收器HMC6301的功能框圖
ADI公司的發射器HMC6300和接收器HMC6301集成解決方案都采用小型4 mm × 6 mm BGA封裝，將特性和性能優勢以獨特的方式組合在一起，可以滿足現代高速滑環應用的嚴苛要求。除了核心收發器元件外，全雙工滑環數據接口的完整概念設計還包括天線、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60 GHz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于1 Gbps的速度實現高度、超低延遲數據傳輸，且比特誤碼率可以忽略不計。使用適當的天線設計和增益設置可以在幾十厘米距離內實現可靠通信，這為在特定的工業場景中廣泛使用滑環解決方案開啟了契機。
圖9.60 GHz全雙工數據接口的框圖
分立式數據接口架構
本文介紹的集成式解決方案的性能功能足以滿足大部分工業滑環應用的需求，但是，受工業組件定制這個趨勢的廣泛影響，數據接口可能需要提供支持千兆位的更快數據速率。因此，可能需要使用分立式組件來配置定制解決方案，以滿足特定需求。
圖10.適用于60 GHz發射器的完整信號鏈解決方案（OOK調制器）
圖11.適用于60 GHz接收器的完整信號鏈解決方案（OOK解調器）
圖10和圖11顯示支持5 Gbps以上數據速率的60 GHz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公司的標準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）。
這種分立式解決方案基于單個檢測系統架構實現。但是，基于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，從而有助于實現超外差架構。
結論
工業4.0正在推動許多技術的變革，其中一個就是工業通信。在第四次工業革命的推動下產生的新應用場景，要求在實時運行的自動化設備的旋轉組件之間，實現更快、更可靠且更準確的超低延遲數據傳輸。
ADI公司提供廣泛的、涵蓋整個頻譜范圍的高性能集成式和分立式RF和微波組件，支持通過旋轉接頭實現非接觸型Gbps級數據傳輸的特定應用設計。本文介紹了一種集成式和分立式數據接口解決方案，它利用毫米波電磁波可實現轉子和定子之間的數據傳輸。本文介紹的解決方案不僅提供高速數據傳輸、超低延遲、可以忽略不計的比特誤碼率、強干擾衰減和免維護操作，還可以經受更高程度的失調，支持在更遠距離內傳輸數據，支持更廣泛的滑環組件，以滿足日益增長的現代工業應用需求。
ADI公司為工業4.0合作伙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。
作者簡介
Anton Patyuchenko于2007年獲得慕尼黑技術大學微波工程碩士學位。畢業之后，Anton曾在德國航空航天中心(DLR)擔任科學家。他于2015年加入ADI公司擔任現場應用工程師，主要負責醫療健康、能源和微波應用，目前為ADI公司的戰略與重點客戶提供現場應用支持。聯系方式：anton.patyuchenko@analog.com。
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