適用於滑環應用的60GHz無線資料互連

作者: Anton Patyuchenko,ADI現場應用工程師

本文介紹了一種支援高速、低延遲通訊的60GHz創新無線解決方案,其能夠在滑環元件中實現先進的資料介面架構,從而滿足新工業場景的嚴苛要求。

第四次工業革命正在生產過程中實現新的場景,進而推動數位化製造向前發展(圖1)。這些場景依賴於基本的設計原則,包括元件互連、資訊透明、技術協助,以及分散決策。所有這些原則若沒有先進的無線通訊技術,就無法在現代智慧工廠中實現。它們支持在各種領域實現多種應用,包括過程自動化、資產追蹤、機械控制、內部物流和基礎設施網路。

圖1 工業革命概述。

智慧工廠整合了多種資訊物理系統,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資料量。在要求更高的工業4.0場景中,推動這些解決方案發展部署的主要因素包括:實現行動監視控制與資料獲取(SCADA)系統,更換傳統系統,以及實現(以前無法實現或者有限的)行動設備資料傳輸,本文主要探討最後這一方面推動的無線技術。

本文第一部分概述了現代工業應用對於機械旋轉子系統之間通訊介面的主要要求;第二部分嘗試根據在轉子和定子之間傳送資料所用的機制類型,來對當今這些子系統中所使用的多種資料介面技術進行分類。這部分簡要概述了這些技術,並且討論了它們的主要優缺點。第三部分介紹了一種支援高速、低延遲通訊的60GHz創新無線解決方案,其能夠在滑環(Slip Ring)元件中實現先進的資料介面架構,從而滿足新工業場景的嚴苛要求。

滑環中資料介面的工業要求

旋轉接頭,也經常被稱為滑環,是在旋轉連接中傳輸資料和電能的元件(圖2)。現代工業場景要求在旋轉零件之間提供更快、更可靠的資料傳輸,進而使得對旋轉接頭中所用資料介面的頻寬、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即時運行、連續正常運作和最大效率至關重要。

圖2 滑環框架圖和要求。

工業旋轉資料介面元件必須確保能在非常快的轉速下(5,000rpm~6,000rpm),以100Mbps的典型資料速率實現高品質的持續傳輸。在大多數情況下,這樣的資料速率足以滿足,但有些特殊應用需要以1Gbps或更高的速率進行快速傳輸,從而就成為了當今的基準指標。工業應用還要求支援IEEE 802.3(乙太網路)等工業匯流排協定,以及確定性即時通訊,從而支援時間敏感型應用和IIoT功能。針對這些應用的資料介面解決方案必須能夠不受物理失調、電磁干擾和串擾的影響,實現誤碼率(BER)等於或優於1×10-12的無誤差資料傳輸。理想情況下旋轉接頭應無需維護並且不會磨損,因此工業環境中的污染不應影響其運作。最後,資料介面技術必須與旋轉接頭元件的動力傳輸子系統相容,從而滿足目標應用的所有功能要求。

資料介面技術

旋轉接頭多種多樣,其功能特性、外形大小、轉速(rpm)、最大資料速率、功率範圍、支援的介面類別型和通道數量等設計因素,都會隨應用要求而有所不同。在這些設計考慮因素中,有關資料介面的一些要求非常重要,因此,要在滑環元件中正確實現資料介面,選擇適當的技術非常關鍵。用於實現這一功能的資料通訊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,具體取決於它們為了實現資料傳輸通訊通道所採用的耦合類型。

接觸式介面

接觸式解決方案通常在定子上採用複合材料、單絲或複合絲電刷,它靠著轉子上的導電環滑動,從而在移動元件和靜止元件之間形成不間斷的電訊號通道(圖3)。與資料通訊相關的電刷類型選擇取決於訊號頻寬、資料傳輸速率、所需的傳輸品質、工作電流和轉速。雖然這是一項較為完善的技術,自問世以來一直用於滑環中,但它也存在一定的局限性。由於接觸式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,用於建立接觸式介面的物理介質的特性,以及各種失配效應,都會對通道頻寬造成很大影響。而且,滑動接觸所產生的電阻變化會降低傳輸品質,這在高資料速率即時應用中尤為重要。

圖3 接觸式滑環。(圖片來源:Servotectica/CC BY-SA 4.0)

非接觸式介面

非接觸式旋轉接頭採用輻射或非輻射電磁場在旋轉元件之間傳輸資料,因此可以解決這些局限性。與電訊號傳輸技術相比,這種技術具有幾個性能優勢。它沒有機械式接觸點,因此不存在接觸磨損,可減少維護需求;以高速旋轉時,也不會因為阻抗導致資料丟失。

光纖滑環

最常見的非接觸式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依靠光輻射來傳輸資料,通常在850nm~1550nm的紅外波長下工作,能夠以幾十Gbps的極高資料速率傳輸各種類型的類比或數位光纖訊號,而且不受電磁干擾影響。但是,光纖解決方案並非沒有挑戰,它們會遭受較強的非本徵損耗,從而因角度和軸向失調而導致訊號衰減。這些失調也是造成旋轉訊號波動的主要因素,從而對於某些應用來說非常關鍵。此外,光纖旋轉接頭在惡劣的工業環境中通常需要高水準的保護。

圖4 FORJ。(圖片來源:Servotectica/CC BY-SA 4.0)

感性和容性介面

另一種非接觸式技術是基於近場耦合機制實現,即利用本來無輻射的感性和容性電路元件來生成低電磁頻譜頻段的電場和磁場。

感性方法利用電磁感應原理來連接元件中的活動零件。使用這種耦合方式的滑環(原理圖如圖5所示)對於高轉速工業應用非常有用,但它們更適合進行電力傳輸,而不是高速資料傳輸。它們也廣泛應用於風力渦輪機應用,而為槳距控制系統提供電訊號和電力,以及應用於封裝應用,在這類應用中,活動零件會以高轉速運行。

圖5 感性耦合。

與依賴磁場的感性滑環不同,基於電容技術的滑環在轉子和定子之間利用電場傳輸資料。圖6所示的容性耦合方法提供了一種成本較低的羽量級解決方案,其渦流損耗可以忽略不計,且失準性能出色。這項技術能夠在惡劣的運行環境中以幾Gbps的高速可靠傳輸資料,且不受轉速影響。容性滑環通常設計用於與乙太網現場匯流排組合使用,廣泛用於時間敏感型工業應用中。

圖6 容性耦合。

其他類型的介面

除了主要利用感性或容性耦合機制的非接觸式滑環技術外,還可以使用適當的耦合結構,例如波導元件或傳輸線元件,實現採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 基於資料介面耦合技術進行旋轉接頭分類。

表1總結了所探討的各類資料介面技術,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資料傳輸,這要求轉子和定子上的收發器元件彼此非常靠近。此外,第四次工業革命還對滑環應用資料介面的可配置性、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。

本文介紹了一種基於非接觸式技術的新型解決方案,該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資料,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資料介面,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。

毫米波資料介面解決方案

60GHz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毫米波技術,憑藉其位於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。這一全球範圍內免授權且基本未佔用的頻段能夠提供高達9GHz的頻寬,支援高資料速率,提供的短波長可以實現緊湊的系統設計,且具備高衰減比,因此干擾水準低。這些優點使得60GHz技術對諸如多千兆WiGig網路(IEEE 802.11ad和下一代IEEE 802.11ay標準)、無線回程連接和高畫質視訊無線傳輸(WirelessHD/UltraGig專有標準)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感測器和資料速率較低的遙測鏈路中。但是,隨著該領域的快速發展,60GHz技術很可能在工業子系統中實現高速、超低延遲的資料傳輸。

整合式資料介面架構

本文介紹一種採用60GHz頻段、適用於工業滑環應用的新型毫米波資料介面解決方案。該解決方案的關鍵功能性元件是ADI公司的60GHz整合式晶片組,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。這款完整的矽鍺(SiGe)收發器解決方案最初針對小蜂巢回程應用進行了最佳化,完全可以滿足工業滑環應用的資料通訊需求。晶片組在57GHz~64GHz頻率範圍內工作,可以使用整合式頻率合成器以250MHz、500MHz或540MHz的不連續頻率步進進行調諧,也可以使用外部LO訊號進行調諧,以滿足目標應用特定的調變、一致性和相位雜訊要求。

收發器晶片組支援多種調變方式,包括開關鍵控(OOK)、FSK、MSK和QAM,最大調變頻寬為1.8GHz。它提供最大15dBm的輸出功率,可以使用整合式檢波器進行監控。這個晶片組支援靈活的數字或類比IF/RF增益控制、低雜訊係數,以及可調的低通和高通基頻濾波器。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訊號鏈中整合了一個AM檢波器,可用於對OOK等幅度調變進行解調。

OOK調變方法由於無需使用成本高昂、高耗電的高速資料轉換器,而能實現簡單、低成本的通訊解決方案,因此在控制應用中非常常用。此外,由於OOK系統架構不包含複雜的調變和解調級,因此能夠提供低延遲性能,這對於工業即時應用非常重要。

圖7 發射器HMC6300的功能框架圖。

圖8 接收器HMC6301的功能框架圖。

ADI的發射器HMC6300和接收器HMC6301整合解決方案都採用小型4mm×6mm BGA封裝,將特性和性能優勢以獨特的方式組合,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,全雙工滑環資料介面的完整概念設計還包括天線、電源管理、I/O模組和輔助訊號調理元元件,可以根據目標應用的需求進行選擇。有關整個60GHz全雙工資料介面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、超低延遲資料傳輸,且誤位元速率可以忽略不計。使用適當的天線設計和增益設置可以在幾十公分距離內實現可靠通訊,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 60GHz全雙工資料介面的框架圖。

離散式資料介面架構

本文介紹的整合式解決方案的性能和功能足以滿足大部分工業滑環應用的需求,但是,受工業元件定制趨勢的廣泛影響,資料介面可能需要支援數十億位元的更高資料速率。因此,可能需要使用離散式元件來配置定制解決方案,以滿足特定需求。

圖10 適用於60GHz發射器的完整訊號鏈解決方案(OOK調變器)。

圖11 適用於60GHz接收器的完整訊號鏈解決方案(OOK解調器)。

圖10和圖11舉出了支援5Gbps以上資料速率的60GHz資料介面的完整訊號鏈解決方案示例。這種OOK解決方案通過採用ADI的標準RF元件和基本自訂模組來實現,包括被動元件、匹配電路、分支型濾波器、偏置器、衰減器等(圖中未顯示所有元件)。

這種離散式解決方案基於單個檢測系統架構實現。但是,根據性能要求也可以在視訊檢測階段之前對RF訊號進行下變頻處理,從而有助於實現超外差架構。

小結

工業4.0正在推動許多技術的變革,其中一個就是工業通訊。第四次工業革命所催生的新應用場景,要求在即時運作的自動化設備旋轉件之間,實現更快、更可靠、更準確的超低延遲資料傳輸。

ADI提供廣泛的涵蓋整個頻譜範圍的高性能整合式和離散式RF和微波元件,支持透過滑環實現非接觸式Gbps級資料傳輸的特定應用設計。本文介紹了一種整合式和離散式資料介面解決方案,利用毫米波電磁波實現了轉子和定子之間的資料傳輸,該解決方案不僅可提供高速資料傳輸、超低延遲、可忽略不計的誤碼率、強干擾衰減和免維護操作,還可以經受更高程度的失準,並支援在更遠距離內傳輸資料,實現更廣泛的滑環元件,以滿足日益增長的現代工業應用需求。

 

 

發表評論