适用于滑环应用的60 GHz无线数据互联

第四次工业革命通过在生产过程中实现新场景来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。没有先进的无线通信技术，就无法在现代智能工厂中实现所有这些原则。它们支持在广泛的领域实现多种应用，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。

图1.工业革命概述

智能工厂集成多种信息物理系统，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。推动这些解决方案发展取得成果，以便在要求较高的工业4.0场景中部署的主要因素包括：实现移动SCADA、更换传统系统，或者通过移动设备实现数据传输（以前不可行或者受到限制）。本文主要探讨受到最后一个因素推动的无线技术。

本文第一部分概述现代工业应用对于机械旋转子系统之间的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，对当今这些子系统中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，并且讨论了这些技术的优缺点。第三部分介绍一种支持高速、低延迟通信的新型60 GHz无线解决方案，该方案能够在滑环组件中实现先进的数据接口架构，以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功率的组件（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，随着此需求日益增长，对旋转接头中使用的数据接口的带宽、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。

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在非常快的转速下（5000 rpm至6000 rpm），能够以典型的100 Mbps数据速率，高品质的持续传输数据。在大多数情况下，这一数据速率已足够，但有些特殊应用要求以1 Gbps或更高的速率进行快速传输，并成为当今的基准指标。工业应用还要求支持基于IEEE802.3（以太网）的协议、其他工业总线协议，以及确定性实时通信，以实现时间敏感型应用和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，实现比特误码率(BER)等于或低于1 × 10−12的无误差数据传输。工业环境中的污染不应影响旋转接头的运行，理想情况下旋转接头无需维护且不受磨损。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，以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、通道数量，以及许多其他设计因素，都随应用要求而有所不同。在这些设计考量因素中，关于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施数据接口，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。

接触型接口

接触型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，从而在移动组件和静止组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。由于接触型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，用于建立接触型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莫大影响。而且，滑动接触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。