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「滑环」采用60GHz频段、适用于工业滑环应用新型毫米波数据接口解决方案


第四次工业革命正在生产过程中实现新的场景 ， 进而推动数字化制造向前发展（参见图 1） 。 这些场景依赖于基本的设计原则 ， 包括器件互联、信息透明、技术协助 ， 以及分散决策 。 所有这些原则若没有先进的无线通信技术 ， 就无法在现代智能工厂中实现 。 它们支持在各种领域实现多种应用 ， 包括过程自动化、资产跟踪、机械控制、内部物流和基础设施网络 。
「滑环」采用60GHz频段、适用于工业滑环应用新型毫米波数据接口解决方案
本文插图
图 1：工业革命概述 。
智能工厂集成了多种信息物理系统 ， 这些系统需要速度更快、更加可靠的无线解决方案 ， 来处理严苛的工业环境中不断增长的数据量 。 在要求更高的工业 4.0 场景中 ， 推动这些解决方案发展部署的主要因素包括：实现移动 SCADA（数据采集与监视控制）系统 ， 更换传统系统 ， 以及实现（以前无法实现或者有限的）移动设备数据传输 。 本文主要探讨最后这一方面推动的无线技术 。
本文第一部分概述了现代工业应用对于机械旋转子系统之间通信接口的主要要求 。 第二部分尝试根据在转子和定子之间传送数据所用的机制类型 ， 来对当今这些子系统中所使用的多种数据接口技术进行分类 。 这部分简要概述了这些技术 ， 并且讨论了它们的主要优缺点 。 第三部分介绍了一种支持高速、低延迟通信的 60GHz 创新无线解决方案 ， 其能够在滑环组件中实现先进的数据接口架构 ， 从而满足新工业场景的严苛要求 。
旋转接头中数据接口的工业要求
旋转接头 ， 也经常被称为滑环 ， 是在旋转连接中传输数据和电能的组件（参见图 2） 。 现代工业场景要求在旋转部件之间提供更快、更可靠的数据传输 ， 进而使得对旋转接头中所用数据接口的带宽、串扰和 EMI 性能的要求也日益严格 。 满足这些要求对于保证相应工业设备的实时运行、连续正常运行和最大效率至关重要 。
【「滑环」采用60GHz频段、适用于工业滑环应用新型毫米波数据接口解决方案】
「滑环」采用60GHz频段、适用于工业滑环应用新型毫米波数据接口解决方案
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图 2：旋转接头——高层框图和要求 。
工业旋转数据接口组件必须确保能在非常快的转速下（5000rpm 至 6000rpm） ， 以 100Mbps 的典型数据速率实现高品质的持续传输 。 在大多数情况下 ， 这样的数据速率足以满足 ， 但有些特殊应用需要以 1Gbps 或更高的速率进行快速传输 ， 从而就成为了当今的基准指标 。 工业应用还要求支持 IEEE 802.3（以太网）等工业总线协议 ， 以及确定性实时通信 ， 从而支持时间敏感型应用和 IIoT 功能 。 面向这些应用的数据接口解决方案必须能够不受物理失调、电磁干扰和串扰的影响 ， 实现误比特率（BER）等于或优于 1×10?12 的无误差数据传输 。 理想情况下旋转接头应无需维护并且不会磨损 ， 因此工业环境中的污染不应影响其运行 。 最后 ， 数据接口技术必须与旋转接头组件的动力传输子系统兼容 ， 从而满足目标应用的所有功能要求 。
数据接口技术
旋转接头多种多样 ， 其功能特性、外形大小、转速（rpm）、最大数据速率、功率范围、支持的接口类型和通道数量等设计因素 ， 都会随应用要求而有所不同 。 在这些设计考虑因素中 ， 有关数据接口的一些要求非常重要 ， 因此 ， 要在滑环组件中正确实现数据接口 ， 选择适当的技术非常关键 。 用于实现这一功能的数据通信技术通常可分为接触式和非接触式 。 这些技术之间存在一些差异 ， 具体取决于它们为了实现数据传输通信通道所采用的耦合类型 。
接触式接口
接触式解决方案通常在定子上采用复合材料、单丝或复合丝电刷 ， 它靠着转子上的导电环滑动 ， 从而在移动部件和静止部件之间形成不间断的电信号通道（参见图 3） 。 与数据通信相关的电刷类型选择取决于信号带宽、数据传输速率、所需的传输质量、工作电流和转速 。 虽然这是一项较为完善的技术 ， 自问世以来一直用于滑环中 ， 但它也存在一定的局限性 。 由于接触式滑环的机械式接触点需要定期维护 ， 因此在恶劣的工作环境中使用时可靠性会受到影响 。 机电旋转接头也容易受电磁干扰的影响 。 此外 ， 用于建立接触式接口的物理介质的特性 ， 以及各种失配效应 ， 都会对通道带宽造成很大影响 。 而且 ， 滑动接触所产生的电阻变化会降低传输质量 ， 这在高数据速率实时应用中尤为重要 。


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