第四次工业革命如何借助无线技术推动数字化制造向前发展？

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第四次工业革命借助在生产环节中引入新型应用场景，助力数字化制造业不断进步（可参照图1）。这些应用场景遵循一系列基础设计理念，诸如器件间的互联互通、信息的全面透明化、技术的辅助作用以及决策的分散化。而在现代智能化工厂中，若缺乏先进的无线通信技术，上述原则将难以全面实现。它们适用于众多领域，涵盖了过程自动化、资产追踪、机械操控、内部物流以及基础设施网络的多个应用场景。

图1. 工业革命概述。

智能工厂融合了众多信息物理系统，这些系统迫切需要更高效、更稳定的无线技术来应对工业环境中日益庞大的数据需求。促进这些无线技术不断进步并取得显著成效的关键因素有：实现移动式SCADA系统、淘汰过时的传统系统，或者利用移动设备进行数据传输（这在以前要么不可行，要么存在诸多限制）。本文主要探讨受到最后一个因素推动的无线技术。

本文首段对现代工业中机械旋转子系统间通信接口的关键需求进行了概述。随后，第二部分依据转子与定子间数据传输的机制种类，对这些子系统中广泛采用的多类数据接口技术进行了分类。该部分对上述技术进行了简要介绍，并对其优劣进行了分析。本部分内容主要阐述了一种适用于高速、低延迟通信的60 GHz无线技术方案，该技术方案能够在滑环组件内部构建起高效的数据接口结构，旨在满足新兴工业领域对通信性能的极高需求。

旋转接头中数据接口的工业要求

旋转接头，亦称作滑环，是用于在旋转连接中传递数据和能量的部件（见图2）。在当今的工业环境中，对旋转部件间数据传输速度和稳定性的要求越来越高。伴随着这一需求的不断上升，对旋转接头所采用的数据接口的带宽、串扰以及电磁干扰（EMI）性能等方面的要求也随之变得更加严格。满足这些高标准对于确保相关工业设备的实时运行、持续稳定运行以及最高效率运作显得尤为关键。

图2. 旋转接头—高层框图和要求。

工业旋转数据接口组件需在极高的转速下，确保数据能以标准速率，高质量地连续传输。在多数情形下，此速率已能满足需求，然而，某些特定应用场景需要以每秒1吉比特或更快的速度进行快速数据传输，这已成为当前的标准衡量标准。工业应用领域需要兼容以太网.3协议、多种工业总线协议，并确保确定性实时通信，以便支持对时间敏感的应用以及工业物联网（IIoT）功能。为此，面向这些应用的数据接口解决方案必须具备抵御物理偏差、电磁干扰和串扰的能力，确保实现比特误码率（BER）达到或低于1×10^-12的高精度数据传输。工业环境下的污染不应干扰旋转接头的正常运作，在理想状态下，旋转接头无需进行维护且能够抵抗磨损。此外，数据接口技术需与旋转接头组件的动力传输子系统相匹配，以确保其能够满足目标应用的所有功能需求。

数据接口技术

旋转接头种类繁多，其功能特性、尺寸大小、转速（每分钟转数）、最高数据传输速率、功率区间、兼容的接口种类、通道数目等众多设计要素均根据具体应用需求而有所差异。在这些设计要素中，数据接口的相关要求尤为关键，故而在滑环组件中准确实施数据接口，挑选合适的技术显得尤为关键。实现此功能所需的数据通信手段一般分为两大类：接触式与非接触式。这两类技术间存在若干区别，这些差异主要源于它们在建立数据传输通信渠道时所采用的连接方式不同。

接触型接口

接触式解决方案多在定子部分使用复合材料、单丝或复合丝制成的电刷，这些电刷通过转子上的导电环进行滑动，以此在运动部件与固定部件之间建立起一个连续的电信号传输路径（详见图3）。在选择与数据传输相关的电刷类型时，需考虑信号的带宽、数据传输的速度、传输质量的要求、工作时的电流强度以及转速等因素。尽管这项技术相对成熟，且自推出以来便广泛应用于滑环领域，然而它仍存在某些限制。因为接触式滑环的机械接触点需要定期进行保养，这使得在恶劣的工作条件下其可靠性有所降低。同时，机电旋转接头也容易遭受电磁干扰。再者，构建接触式接口所使用的物理介质的特性，以及不同组件间的匹配问题，都会对通信通道的带宽产生显著影响。此外，由于滑动接触导致的电阻波动会影响到信号的传输效果，特别是在需要高数据传输速率的实时应用场景中，这一点显得尤为关键。

图3. 接触型滑环。供图：/CC BY-SA 4.0。

非接触型接口

非接触式旋转接头通过辐射或非辐射电磁场在旋转部件间进行数据传输，有效克服了相关限制。相较于电信号传输技术，该技术展现出多项性能上的优势：它摒弃了机械接触点，因而避免了接触磨损，大幅降低了维护工作量；即便在高速旋转状态下，也不会因阻抗问题造成数据丢失。

光纤旋转接头

最普遍采用的非接触式技术为光纤滑环，亦称作光纤旋转接头（FORJ），其工作原理可参照图4进行了解。这种FORJ通过光辐射进行数据传输，通常在850至1550纳米的红外波段内运作，具备实现数十吉比特每秒的高数据传输速率，适用于传输各类模拟或数字光纤信号，并且不受电磁干扰的干扰。然而，即便如此，光纤技术方案在应用上也面临一定的挑战。这些设备会经历较大的非固有损耗，信号因角度和轴向的不匹配而减弱。此类不匹配亦是导致旋转信号波动的关键原因，对某些特定应用来说，这一点至关重要。另外，在恶劣的工业条件下，光纤旋转接头往往需要得到高度的保护。

图4. 光纤旋转接头。供图：/CC BY-SA 4.0.

感性和容性接口

这种非接触式技术是依托于近场耦合原理构建的，它通过初级非辐射性和容性电路元件，在较低的电磁频谱范围内，共同产生了电场与磁场。

感性方法通过电磁感应的原理实现组件活动部件的连接。采用这种结合技术的滑环（如图5原理图所示），在高速旋转的工业场合中极为适用。然而，它更擅长于功率的传输，而非高速数据的传递。此外，这种滑环在风力涡轮机领域得到广泛应用，为桨距控制系统提供所需的电信号和电力，并在需要高转速运行的活动组件封装应用中发挥着重要作用。

图5. 感性耦合。

相较于依赖磁场的感应滑环，采用电容技术的滑环通过电场在转子和定子间进行数据传输。图6所展示的电容耦合技术提供了一种成本较低且轻量化的解决方案，其涡流损耗微乎其微，并且具有优异的失调特性。这种技术能够在恶劣的工作条件下，以几吉比特每秒的速度稳定传输数据，且不受转速变化的影响。容性滑环一般被设计成与以太网现场总线配合应用，其在时间要求严格的工业场合得到了广泛应用。

图6. 容性耦合。

其他类型的接口

非接触型滑环技术主要依赖感性或容性耦合机制，除此之外，我们还可以借助波导元件或传输线路元件等合适的耦合结构，来达成结合这两种机制的综合解决方案。此外，尚存在一些特殊的滑环类型，比如以水银为传导介质的滑环。然而，这种浸水银的滑环对操作环境有着极为苛刻的要求，无法在高温环境下使用，因此并不适宜应用于工业领域。

表1概述了我们所研究的不同数据接口技术，这些技术拥有丰富的特性和功能，足以满足工业滑环应用的常规需求。然而，这些技术普遍存在一个限制，即它们主要适用于较短距离的数据传输。这一限制意味着，转子和定子上的收发器元件必须保持相当近的距离。除此之外，第四次工业革命对滑环应用的数据接口提出了更高的配置、可靠以及速度方面的要求，然而，现行的传统技术常常无法达到这些标准。

表1.基于数据接口耦合技术进行旋转接头分类

本文阐述了采用非接触式技术的一种创新方案，该方案利用电磁毫米波在辐射近场（菲涅耳区）及远场区域进行数据的长距离传输，有效克服了现有技术的一些关键性局限。该方案不仅为滑环应用提供了一种结构紧凑且成本效益高的先进微波数据接口，而且可以与传统的非辐射旋转接头的耦合部件配合使用，以较低的成本实现更为卓越的性能表现。

毫米波数据接口解决方案

60 GHz频段

低成本微波元件制造技术的问世，促使它在军事以外的众多商业领域得到了广泛的应用。尤其是60GHz毫米波技术，由于其占据微波频谱高端的显著特点，正逐渐成为市场关注的焦点。该全球范围内的免费且未被广泛使用的频段，拥有高达9GHz的带宽，能够满足高数据传输速率的需求。同时，其短波长特性使得系统设计更为紧凑，并且具有较低的衰减率，从而有效降低了干扰水平。这些特点使得60GHz技术对于多千兆WiGig网络，包括.11ad和即将推出的.11ay标准，以及无线回程连接和高清视频无线传输（无论是专有技术还是行业标准）等应用领域，展现出了极大的吸引力。

在工业界，60GHz技术主要应用于毫米波雷达传感器以及传输速率不高的遥测链路。然而，伴随着该领域的迅猛进步，60GHz技术有望在工业子系统中实现高速率、极低延迟的数据传输。

集成式数据接口架构

本文阐述了针对工业滑环应用而研发的一种新型毫米波数据接口技术，该技术所依托的核心部件为ADI公司生产的60GHz集成芯片组，该芯片组由发射部分和接收部分构成，其电路图分别展示于图7和图8中。该硅锗(SiGe)全功能收发器方案起初专为缩小型蜂窝基站回程场景进行了性能优化，其性能足以充分迎合工业用滑环的数据传输需求。该芯片组能够在57GHz至64GHz的频段内稳定运行，并支持通过内置频率合成器进行精确的频率调整，无论是采用连续的频率阶梯还是借助外部本振信号进行同步，均能确保满足目标应用对调制方式、信号稳定性和相位噪声的特定要求。

图7. 发射器的功能框图。

图8. 接收器的功能框图。

该芯片组能够兼容多种调制方式，诸如开关键控、频移键控、最小移频键控以及正交幅度调制等，其最高调制频带宽度可达1.8GHz。它具备高达15dBm的输出功率，并可通过内置的检波器进行功率监控。此外，该芯片组还具备灵活的数字或模拟中频/射频增益调节功能、低噪声系数特性，以及可调节的低通和高通基带滤波器。此方案特别适用于对超低延迟有要求的工业滑环系统，它的一大亮点在于接收器信号链路中内置了AM检波器，这一功能使得对OOK等幅度调制信号进行解调成为可能。

OOK作为一种在控制应用中广泛采用的调制技术，其优势在于无需依赖昂贵且耗能的快速数据转换器，从而实现了既简便又经济的通信方案。再者，由于OOK的体系结构中不涉及复杂的调制与解调环节，它还能确保较低的延迟，这对于工业领域的实时应用来说尤为关键。

ADI的发射与接收器集成方案均采用了体积小巧的4mm×6mm BGA封装，将特性与性能优势巧妙融合，从而能够满足现代高速滑环应用的高标准需求。除了核心的收发器部件，该方案还涵盖了全双工滑环数据接口的全面设计理念，包括天线、电源管理、I/O模块以及辅助信号调理组件，用户可根据具体应用需求进行灵活选择。关于60GHz全双工数据接口解决方案的完整概念图示，请查阅图9。该方案具备超过1Gbps的数据传输速率，并确保了极低的数据传输延迟，同时比特错误率极低，几乎可以忽略。通过合理的天线设计和增益调整，该方案能够在数厘米的距离范围内实现稳定的通信，从而为特定工业环境下滑环技术的广泛应用提供了新的机遇。

图9. 60 GHz全双工数据接口的框图。

分立式数据接口架构

本文所介绍的集成式解决方案在性能和功能方面，能够充分满足众多工业滑环应用的基本需求。然而，鉴于工业组件定制这一趋势的普遍存在，数据接口或许需要具备支持千兆位速度的更高数据传输速率。鉴于此，配置定制化的解决方案时，可能需要采用分立式组件，以确保满足特定需求。

图10与图11展示了针对60GHz频段且支持超过5Gbps数据传输速率的信号链路解决方案的实例。该开放式振荡键控（OOK）方案是通过集成ADI公司生产的标准射频元件以及一些基础的自定义模块来构建的，涵盖了诸如无源元件、匹配电路、分支滤波器、偏置电路、衰减器等组件（图中并未展示所有这些元件）。

图10展示了适用于60 GHz频段发射器的全套信号链解决方案，其中包含OOK调制器。

图11展示了针对60 GHz频段接收器的全套信号链解决方案，其中包含一个光学开关键控（OOK）解调器。

该独立式方案依托于单一检测系统结构来构建。然而，考虑到性能需求，我们同样可以在视频检测流程之前对射频信号进行降频处理，此举有助于我们采纳超外差式架构。

结论

工业4.0正引领众多技术的革新，其中工业通信领域尤为显著。这一革命性的第四次工业变革催生了众多新应用场景，这些场景对实时运行的自动化设备中旋转部件间的数据传输提出了更高要求，即需要实现更快速、更稳定以及更精确的超低延迟数据传输。

ADI供应了多种高性能的集成式与分立式射频和微波元件，这些元件覆盖了整个频谱范围。它们支持特定应用，如通过旋转接头进行非接触式Gbps级数据传输。本文将介绍一种基于毫米波电磁波的数据接口解决方案，该方案能够实现转子和定子之间的数据交换。本文所阐述的方案不仅确保了数据传输的迅猛速度、极低延迟、极小的比特错误率、出色的抗干扰能力以及无需维护的操作，而且能够承受更高级别的失调，适用于更长的数据传输距离，兼容更广泛的滑环部件，从而满足现代工业应用不断增长的需求。

ADI向工业4.0合作伙伴贡献了丰富的工业专业知识以及新一代技术的实践经验，助力当前工厂基础设施的快速、经济且高效的先进解决方案开发，为迎接未来做好准备。

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