Беспроводной 60 ГГц-канал передачи данных для систем с контактным кольцом

Высокая скорость, сверхмалая задержка и работа без постоянного технического обслуживания становятся важными параметрами перехода к Индустрии 4.0. Здесь представлено решение на основе миллиметрового диапазона волн для систем с контактным кольцом, которое отвечает этим потребностям
1511
В избранное

Высокая скорость, сверхмалая задержка и работа без постоянного технического обслуживания становятся важными параметрами перехода к Индустрии 4.0. Здесь представлено решение на основе миллиметрового диапазона волн для систем с контактным кольцом, которое отвечает этим потребностям.

Четвертая промышленная революция стимулирует развитие цифрового производства благодаря внедрению новых сценариев в производственный процесс (рис. 1). Такие сценарии основываются на фундаментальных принципах проектирования, что подразумевает взаимосвязь устройств, прозрачность информации, техническую помощь и децентрализованность решений.

Обзор промышленных революций

Рис. 1. Обзор промышленных революций

Реализация всех этих принципов на современных интеллектуальных производствах была бы невозможна без применения передовых технологий беспроводной связи. Эти технологии находят применение в широком спектре областей, включая автоматизацию процессов, отслеживание активов, управление оборудованием, внутреннюю логистику и объединение инфраструктуры в сеть.

Интеллектуальные производства используют различные киберфизические системы, которым требуются более быстрые и надежные беспроводные решения для обработки постоянно растущих объемов данных в самых сложных промышленных условиях. Внедрение новых решений на основе беспроводных технологий в сценариях Индустрии 4.0 стимулируется рядом основных задач, среди которых развертывание мобильных систем SCADA, замена устаревших систем и реализация передачи данных с движущегося оборудования там, где это было невозможно ранее или сталкивалось с ограничениями. Данная статья посвящена именно беспроводным технологиям для передачи данных с движущегося оборудования.

В первой части статьи приводится обзор основных требований, предъявляемых современными промышленными приложениями к интерфейсу связи между механически вращающимися подсистемами. Во второй части статьи сделана попытка классифицировать многочисленные технологии сопряжения данных, используемые сегодня в этих подсистемах, в соответствии с типом механизмов, используемых для передачи данных между ротором и статором. Также дается краткий обзор этих технологий и рассматриваются их основные преимущества и недостатки.

В третьей части статьи предлагается новое беспроводное решение, работающее на частоте 60 ГГц, для организации высокоскоростной связи с малой задержкой. На основе данного решенияможно реализовать передовые архитектуры сопряжения данных в устройствах с контактными кольцами, способные удовлетворить самые высокие требования новых промышленных сценариев.

Промышленные требования к интерфейсам данных во вращающихся соединениях

Вращающееся соединение (также часто используется термин «контактное кольцо») представляет собой конструкцию для передачи данных и питания через вращающийся контакт (рисунок 2, таблица 1). Растущая потребность в более быстрой и надежной передаче данных между вращающимися компонентами в современных промышленных системах предъявляет строгие требования к пропускной способности, уровню взаимных и электромагнитных помех для интерфейсов данных, используемых во вращающихся соединениях. Выполнение этих требований имеет важное значение для обеспечения работы в режиме реального времени, непрерывной работы и максимальной эффективности соответствующего промышленного оборудования.

Блок-схема и требования к функционированию вращающегося соединения

Рис. 2. Блок-схема и требования к функционированию вращающегося соединения

Таблица 1. Требования к функционированию вращающегося соединения

Параметр

Описание

Скорость вращения

5000…6000 об/мин

Скорость передачи данных

100 Мбит/с, 1 Гбит/с и выше

Протокол

IEEE802.3, TSN и другие

Величина BER

1 x 10-12 или лучше

Устойчивость к нарушению соосности, электромагнитным помехам, перекрестным помехам и загрязнениям; не требует технического обслуживания, совместим с интерфейсом питания

Промышленные ротационные узлы канала данных должны обеспечивать постоянное качество передачи при очень высоких скоростях вращения 5000…6000 об/мин со скоростью 100 Мбит/с. В большинстве случаев такой скорости передачи данных достаточно, но некоторые специализированные приложения требуют еще более высоких скоростей - до 1 Гбит/с и выше, что в настоящее время становится обыной практикой. Промышленные системы также требуют поддержки IEEE802.3 (Ethernet) и других промышленных протоколов общей шины, а также наличия детерминированной связи в реальном времени, что позволит обеспечить стабильную работу чувствительных ко времени приложений и инфраструктуры IoT.

Решения, реализующие интерфейс передачи данных для таких систем, должны быть защищены от физических смещений, электромагнитных и перекрестных помех, при этом обеспечивая безошибочную передачу данных с частотой ошибок по битам (BER) от 1 × 10–12 или лучше. Загрязняющие вещества, присутствующие в промышленной среде, не должны влиять на работу вращающегося соединения, которое в идеале должно быть необслуживаемым и не должно подвергаться износу. Наконец, технология интерфейса передачи данных должна быть совместима с подсистемой передачи питания вращающегося соединения, чтобы соответствовать всем функциональным требованиям целевой системы.

Технологии реализации интерфейса передачи данных

Различные типы вращающихся соединений различаются по своим функциональным и конструктивным характеристикам, скорости вращения (об/мин), максимальной скорости передачи данных, диапазону мощности, типу поддерживаемых интерфейсов, количеству каналов и по многим другим аспектам конструкции, определяемым требованиями приложения. Среди этих факторов интерфейс данных предъявляет одни из наиболее важных требований к процессу проектирования, поэтому крайне важно сделать правильный выбор технологии для его реализации в узле контактных колец.

Технологии передачи данных, используемые для реализации этой функции, обычно можно разделить на контактные и бесконтактные. Сегодня представлено множество различных решений, в зависимости от типа связи для реализации канала для передачи данных.

Интерфейсы контактного типа

Решения контактного типа обычно подразумевают наличие композитных, моноволоконных или полифиламентных щеток на статоре, которые скользят по токопроводящим кольцам на роторе, создавая тем самым непрерывный канал прохождения электрических сигналов между движущимися и неподвижными компонентами (рисунок 3). Выбор типа щеток в отношении процесса передачи данных зависит от ширины полосы частот сигнала, скорости и качества передачи данных, рабочих токов и скорости вращения. Несмотря на то, что данная технология хорошо себя зарекомендовала и использовалась в контактных кольцах с момента их изобретения, она имеет определенные ограничения.

Контактное кольцо контактного типа

Рис. 3. Контактное кольцо контактного типа 

Надежность систем контактного типа снижается в жестких условиях эксплуатации из-за наличия механических контактов, требующих регулярного технического обслуживания. Электромеханические вращающиеся соединения также подвержены электромагнитным помехам. Кроме того, характеристики физического носителя, используемого для установления контактного соединения, а также различные эффекты согласования оказывают сильное влияние на ширину полосы канала. Кроме того, скольжение контактов приводит к изменению электрического сопротивления, что в свою очередь снижает качество передачи. Это может быть особенно критичным в системах с высокой скоростью передачи данных в реальном времени.

Бесконтактные интерфейсы

Бесконтактные вращающиеся соединения преодолевают описанные выше ограничения, используя «излучающие» или «неизлучающие» электромагнитные поля для передачи данных через вращающиеся детали. Эта технология обладает несколькими преимуществами по сравнению с передачей электрического сигнала. Отсутствие механических контактов предотвращает их износ, требует меньшего технического обслуживания и избавляет от проблемы потери данных в результате сопротивления при высоких скоростях вращения.

Волоконно-оптические вращающиеся соединения

Наиболее распространенным примером бесконтактного решения является волоконно-оптическое контактное кольцо, известное как волоконно-оптическое вращающееся соединение, или ВОВС (рисунок 4). ВОВС используют оптическое излучение для передачи данных и работают обычно на длинах волн инфракрасного излучения 850…1550 нм, что позволяет осуществлять передачу любого типа аналогового или цифрового оптического сигнала без электромагнитных помех при очень высоких скоростях передачи данных до нескольких десятков гигабит в секунду.

Волоконно-оптическое вращающееся соединение является наиболее распространенным примером бесконтактного решения

Рис. 4. Волоконно-оптическое вращающееся соединение является наиболее распространенным примером бесконтактного решения 

Однако и волоконно-оптические решения неидеальны. Они подвержены сильным внешним потерям, которые приводят к ослаблению сигнала из-за угловых и осевых смещений. Эти смещения также являются основной причиной колебаний сигнала вращения, что может стать критическим фактором в некоторых приложениях. Кроме того, ВОВС обычно требуют высокого уровня защиты при эксплуатации в жестких промышленных условиях.

Индуктивные и емкостные интерфейсы

Другой тип бесконтактной технологии основан на механизмах связи ближнего поля (NFC). Эти механизмы реализуются посредством электрических и магнитных полей, генерируемых преимущественно неизлучающими элементами индуктивного и емкостного контуров в низкочастотных диапазонах электромагнитного спектра.

Индуктивный метод использует принцип электромагнитной индукции для сопряжения движущихся частей узла. Контактные кольца на основе данного типа сопряжения (рисунок 5) подходят для промышленного применения в системах с высокими скоростями вращения. Однако они больше подходят для передачи энергии, а не для передачи высокоскоростных данных. Они широко используются в ветровых турбинах для подачи электрических сигналов и питания системам регулирования шага лопастей, а также в упаковочных системах с движущимися частями с высокой скоростью вращения.

 Промышленные системы с высокими скоростями вращения обычно используют индуктивную связь

Рис. 5. Промышленные системы с высокими скоростями вращения обычно используют индуктивную связь

В отличие от индуктивных контактных колец, использующих магнитное поле, контактные кольца на основе емкостной технологии используют электрические поля для передачи данных между ротором и статором. Метод емкостной связи, показанный на рисунке 6, позволяет реализовать относительно бюджетное и легкое решение с незначительными потерями на вихревые токи и отличными характеристиками смещения. Эта технология обеспечивает надежную передачу данных на высоких скоростях в несколько гигабит в секунду в жестких условиях эксплуатации и независимо от скорости вращения. Емкостные контактные кольца часто разрабатываются для соединения с шинами Ethernet и широко используются в чувствительных ко времени промышленных системах.

Емкостное сопряжение обычно используется в системах, где важна низкая стоимость и легкий вес, а также в системах, чувствительных ко времени  Другие типы интерфейсов

Рис. 6. Емкостное сопряжение обычно используется в системах, где важна низкая стоимость и легкий вес, а также в системах, чувствительных ко времени

Другие типы интерфейсов

Помимо бесконтактных технологий контактных колец, использующих в основном механизмы индуктивной или емкостной связи, могут быть реализованы решения, основанные на комбинации обоих типов механизмов, что подразумевает использование соответствующих структур связи, таких как волноводы или элементы линии передачи. Существуют также специальные типы контактных колец, например, использующие ртуть в качестве проводящей среды. Однако контактные кольца на основе ртути предъявляют строгие требования к параметрам рабочей среды и не могут использоваться при высоких температурах, что делает их непригодными для использования в промышленности.

Широкий спектр всех обсуждаемых технологий реализации интерфейса передачи данных, представленных в таблице 2, предлагает многочисленные функции и возможности, отвечающие всем стандартным требованиям промышленных приложений с контактными кольцами. Однако большинство из этих традиционных технологий эффективно для передачи данных только на короткие расстояния, и требует, чтобы приемопередающие элементы на роторе и статоре находились в непосредственной близости друг от друга. Более того, Четвертая промышленная революция предъявляет жесткие требования к конфигурируемости, надежности и скорости передачи данных для соответствующих интерфейсов, при этом традиционные технологии, используемые сегодня, не всегда могут следовать этим требованиям.

Таблица 2. Классификация вращающихся соединений на основе технологий реализации интерфейса передачи данных

Тип

Свойства

Контактные

Композитные щетки

Высокие токи, высокие обороты, низкие скорости передачи данных

Износ контактов, электромагнитные помехи, ширина канала, изменение сопротивления

Моноволокно

Низкие токи, низкий уровень шумов, низкое контактное сопротивление

Полифиламентные волокна

Несколько контактов на канал, минимальный уровень шумов, минимальное сопротивление контактов, высокая скорость передачи данных

Ртутный контакт

Низкое сопротивление, стабильное соединение, нельзя использовать при высоких температурах, проблемы безопасности

Бесконтактные

ВОВС

Отсутствие электромагнитных помех, гигабитные скорости передачи данных, сильные потери, чувствительность к смещениям, требуется защита

Индуктивные

Ближнее поле, связь по магнитному полю, высокая частота вращения, высокая мощность

Емкостные

Ближнее поле, связь по электрическому полю, бюджетность, малый вес, меньшая чувствительность к смещениям, высокая скорость вращения, гигабитные скорости передачи данных

Электромагнитные

Ближнее/дальнее поле, передача большого объема данных, меньшая чувствительность к смещениям, гигабитные скорости передачи данных

Новое решение, основанное на бесконтактной технологии, преодолевает некоторые критические ограничения для других методов благодаря использованию электромагнитных волн миллиметрового диапазона (мм-волн) для передачи данных на большие расстояния в излучающей ближней зоне (зоне Френеля) и дальней зоне. Предложенное решение подходит не только для компактных и экономически эффективных реализаций усовершенствованного микроволнового интерфейса передачи данных в системах с контактными кольцами, но также оно может быть объединено с обычными элементами связи на неизлучающих вращающихся соединениях для достижения лучшей производительности при меньших затратах.

Интерфейс передачи данных на основе миллиметровых волн

Появление технологий изготовления недорогих микроволновых компонентов в последнее время сделало возможным их широкое коммерческое применение за пределами военного сектора. В частности, повышенным вниманием на сегодняшнем коммерческом рынке пользуются технологии на основе миллиметрового диапазона волн 60 ГГц благодаря уникальным преимуществам этой полосы частот, расположенной в верхней части микроволнового спектра.

Этот безлицензионный в глобальном масштабе и по большей части свободный диапазон частот вмещает достаточно широкую полосу пропускания до 9 ГГц, что обеспечивает высокую скорость передачи данных и короткие длины волн (а это означает компактность разрабатываемых систем) при высоком коэффициенте затухания и, как результат, низком уровне помех. Эти преимущества сделали технологии на основе 60 ГГц привлекательными для разработки таких систем как мультигигабитные сети WiGig (стандарты IEEE 802.11ad и IEEE 802.11ay следующего поколения), беспроводной транзитной связи и беспроводной передачи видео высокой четкости (частные стандарты WirelessHD/UltraGig).

В промышленном секторе 60 ГГц технологии в основном используются для создания радарных датчиков миллиметрового диапазона и телеметрических линий с более низкой скоростью передачи данных. Однако быстрое развитие в этой области делает 60 ГГц-технологии очень перспективными для реализации высокоскоростной передачи данных со сверхмалой задержкой в промышленных подсистемах.

Интегрированная архитектура интерфейса данных

Предлагаемое решение для интерфейса данных миллиметрового диапазона волн использует полосу частот 60 ГГц для промышленных систем с контактными кольцами. Ключевым функциональным элементом этого решения является интегрированный чипсет Analog Devices с частотой 60 ГГц, включающий передатчик HMC6300 и приемник HMC6301 (рис. 7 и 8, соответственно).

Функциональная блок-схема передатчика HMC6300 Функциональная блок-схема приемника HMC6301   
Рис. 7. Функциональная блок-схема передатчика HMC6300 Рис. 8. Функциональная блок-схема приемника HMC6301

Данный кремниево-германиевый (SiGe) приемопередатчик, изначально оптимизированный для построения транспортных сетей малых сот, отвечает требованиям к передаче данных в промышленных системах с контактными кольцами. Чипсет работает в диапазоне частот 57…64 ГГц и может быть настроен на использование либо встроенного синтезатора с дискретным шагом частот 250, 500 или 540 МГц, либо на работу с сигналом внешнего опорного генератора для получения определенной модуляции, когерентности и требований к фазовому шуму целевой системы.

Приемопередатчик поддерживает широкий спектр форматов модуляции, включая амплитудную манипуляцию (АМн), частотную манипуляцию (ЧМн), минимальную частотную манипуляцию и QAM с максимальной шириной полосы модуляции 1,8 ГГц. При этом обеспечивается максимальная выходная мощность 15 дБм, которую можно контролировать с помощью встроенного детектора. Чипсет имеет гибкую цифровую или аналоговую регулировку усиления ПЧ/РЧ, низкий уровень шума и настраиваемые фильтры нижних и верхних частот основной полосы. Одной из его уникальных особенностей, которая делает его пригодным для применения в промышленных системах контактных колец со сверхмалыми задержками, является встроенный АМ-детектор в сигнальной цепи приемника — его можно использовать для демодуляции амплитудных модуляций, например, АМн.

АМн — это очень популярный метод модуляции для систем управления, поскольку он не требует использования дорогих и энергоемких высокоскоростных преобразователей данных, что позволяет реализовать простые и недорогие коммуникационные решения. Кроме того, поскольку системная архитектура АМн не включает в себя сложные этапы модуляции и демодуляции, она обеспечивает производительность с низкой задержкой, что важно для промышленных приложений реального времени.

Интегрированные передатчик HMC6300 и приемник HMC6301, которые поставляются в корпусе типа BGA 4×6 мм, предлагают сочетание функций и рабочих характеристик для удовлетворения жестких требований современных высокоскоростных контактных колец. В дополнение к базовым элементам приемопередатчика концепция полнодуплексного интерфейса передачи данных с контактным кольцом включает антенну, блок управления питанием, блоки ввода/вывода и вспомогательные компоненты формирования сигнала, которые могут быть выбраны в соответствии с требованиями целевой системы.

На рисунке 9 показана высокоуровневая структурная схема полной концепции полнодуплексного интерфейса данных с частотой 60 ГГц. Он обеспечивает высокоскоростную передачу данных со сверхмалой задержкой на скоростях выше 1 Гбит/с с пренебрежимо малой частотой появления ошибок по битам. Используя правильную конструкцию антенны и настройки усиления, можно добиться надежной связи на расстояниях в несколько десятков сантиметров, что открывает широкий спектр решений с контактными кольцами для конкретных промышленных сценариев.

Полнодуплексное решение для передачи данных с частотой 60 ГГц

Рис. 9. Полнодуплексное решение для передачи данных с частотой 60 ГГц

Дискретная архитектура интерфейса данных

Уровень производительности предлагаемого интегрированного решения оказывается достаточным для большинства промышленных приложений с контактными кольцами, но общая тенденция к индивидуализации промышленных компонентов может потребовать реализации еще более быстрых интерфейсов данных, поддерживающих мультигигабитные скорости. В этом случае можно разработать индивидуальное решение для удовлетворения конкретных требований с использованием дискретных компонентов.

На рисунках 10 и 11 показан пример законченного решения сигнальной цепи интерфейса данных с частотой 60 ГГц, поддерживающего скорости передачи данных выше 5 Гбит/с. В этом решении на основе АМн используются стандартные радиочастотные компоненты производства Analog Devices и стандартные дискретные блоки, представленные пассивными элементами, цепями согласования, шлейфовыми фильтрами, сепараторами питания, аттенюаторами и прочими компонентами (не все из них показаны на рисунках).

Законченное решение сигнальной цепи передатчика с частотой 60 ГГц (модулятор АМн) Законченное решение сигнальной цепи приемника с частотой 60 ГГц (демодулятор АМн)
Рис. 10. Законченное решение сигнальной цепи передатчика с частотой 60 ГГц (модулятор АМн) Рис. 11. Законченное решение сигнальной цепи приемника с частотой 60 ГГц (демодулятор АМн)

В основе данного дискретного решения лежит архитектура системы единого детектора. Однако, в зависимости от требований к производительности, решение также может быть реализовано на основе супергетеродинной архитектуры с преобразованием радиочастотного сигнала с понижением частоты до стадии обнаружения видео.

Заключение

Индустрия 4.0 становится драйвером изменений во многих технологиях, включая промышленную связь. Новые промышленные сценарии, сформированные четвертой промышленной революцией, требуют более быстрой, более надежной и более точной передачи данных со сверхмалой задержкой между вращающимися частями оборудования автоматизации, работающего в режиме реального времени.

Чтобы решить эту проблему, компания Analog Devices разработала высокопроизводительные интегрированные и дискретные радиочастотные и микроволновые компоненты, работающие во всем частотном спектре, которые позволяют разрабатывать специализированные системы для бесконтактной передачи данных на гигабитных скоростях через вращающиеся соединения. В этой статье предложено как интегрированное, так и дискретное решение для построения интерфейса данных, использующее электромагнитные волны миллиметрового диапазона для передачи данных между ротором и статором.

Предложенное решение обеспечивает не только высокоскоростную передачу данных, сверхмалую задержку, незначительную частоту ошибок по битам, эффективное ослабление помех и работу, не требующую технического обслуживания, но также может выдерживать более высокие смещения приемника и передатчика относительно друг друга и позволяет передавать данные на большие расстояния. Таким образом, он позволяет использовать широкий спектр узлов контактных колец для удовлетворения постоянно растущих требований современных промышленных систем.

Источник: https://www.electronicdesign.com

Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
HMC6300BG46
HMC6300BG46
Analog Devices Inc.
Арт.: 2460283 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
RF Transmitter ISM 57GHz ~ 64GHz 15dBm Antenna 65-VFBGA, WLBGA
HMC6300BG46
-
Поиск
предложений
HMC6301BG46
HMC6301BG46
Analog Devices Inc.
Арт.: 2460307 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
MILLIMETERWAVE RECEIVER, 57-64GHZ, BGA
HMC6301BG46
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()