スリップリングアプリケーション用の60GHzワイヤレスデータ相互接続

1番目の産業革命は、新しいシナリオを生産プロセスに実装することにより、デジタル製造を前進させます（図XNUMXを参照）。 これらのシナリオは、デバイスの相互接続、情報の透明性、技術支援、分散型の意思決定などの基本的な設計原則に依存しています。 現代のスマートファクトリーでこれらすべての原則を実現するには、高度な無線通信技術が必要です。 これらは、プロセスの自動化、資産追跡、機械制御、イントラロジスティクス、インフラストラクチャネットワーキングなどの幅広い分野で多面的なアプリケーションを可能にします。 図1.産業革命の概要。 スマートファクトリーにはさまざまなサイバーフィジカルシステムが組み込まれており、最も過酷な産業環境で増え続けるデータを処理するために、より高速で信頼性の高いワイヤレスソリューションが必要です。 非常に要求の厳しいインダストリー4.0シナリオで展開されるこれらのソリューションの新しい開発を促進する主な推進要因には、モバイルSCADAの実装、レガシーシステムの置き換え、以前は不可能または制限されていた移動機器からのデータ送信の実現が含まれます。 この記事では、この後者の側面によって推進されるワイヤレステクノロジーに焦点を当てます。 記事の最初の部分では、機械的に回転するサブシステム間の通信インターフェースに最新の産業用アプリケーションが課す主な要件を要約しています。 第60部では、ローターとステーターの間でデータを送信するために使用されるメカニズムのタイプに従って、これらのサブシステムで現在採用されている多数のデータインターフェイステクノロジーを分類しようとしています。 これらのテクノロジーの概要を簡潔に説明し、主な長所と短所について説明します。 記事の第2部では、スリップリングアセンブリで高度なデータインターフェイスアーキテクチャを実現して、新しい産業シナリオの厳しい要件を満たすことを可能にする、高速で低遅延の通信用の新しいXNUMXGHzワイヤレスソリューションを提案します。 回転ジョイントのデータインターフェイスの産業要件回転ジョイントは、スリップリングという用語と交換されることも多く、回転接続を介してデータと電力を送信するためのアセンブリです（図XNUMXを参照）。 現代の産業シナリオにおける回転コンポーネント間のより高速で信頼性の高いデータ伝送に対するニーズの高まりにより、回転ジョイントで使用されるデータインターフェイスの帯域幅、クロストーク、およびEMIパフォーマンスに厳しい要件が課せられています。 これらの要件を満たすことは、対応する産業機器のリアルタイム動作、継続的な稼働時間、および最大の効率を保証するために不可欠です。 図2。 ロータリージョイント—高レベルのブロック図と要件。 パラメータ説明回転速度5000rpm〜6000rpmデータレート100Mbps、1 Gbps +プロトコルIEEE802.3、TSN、およびその他のBER 1×10-12以上ミスアライメント、EMI、クロストーク、および汚染物質に対する耐性、メンテナンスフリー、電源インターフェイスとの互換性産業用回転データインターフェイスアセンブリは、通常5000Mbpsの速度で6000rpm〜100rpmの非常に高速な回転速度で一定の伝送品質を保証する必要があります。 ほとんどの場合、これらのデータレートで十分ですが、一部の特殊なアプリケーションでは1 Gbps以上でより高速な伝送が必要であり、これは今日ではかなり標準的なベンチマークになりつつあります。 産業用アプリケーションでは、時間に敏感なアプリケーションとIIoT機能を可能にするために、IEEE802.3ベース（イーサネット）およびその他の産業用バスプロトコルのサポート、および確定的リアルタイム通信も必要です。 これらのアプリケーション向けに設計されたデータインターフェイスソリューションは、1×10-12以上のビットエラーレート（BER）でエラーのないデータ伝送を可能にするために、物理的なミスアライメント、電磁干渉、およびクロストークの影響を受けないようにする必要があります。 産業環境に存在する汚染物質は、理想的にはメンテナンスフリーで摩耗に悩まされてはならないロータリージョイントの動作に影響を与えてはなりません。 最後に、データインターフェイステクノロジは、ターゲットアプリケーションのすべての機能要件を満たすために、ロータリージョイントアセンブリの動力伝達サブシステムと互換性がある必要があります。 データインターフェイステクノロジさまざまなタイプのロータリージョイントがあり、機能機能、フォームファクタ、回転速度（rpm）、最大データレート、電力範囲、サポートされるインターフェイスのタイプ、チャネル数、およびによって形成される他の多くの設計面が異なります。アプリケーション要件。 これらの設計上の考慮事項の中で、データインターフェイスにはいくつかの最も重要な要件があるため、スリップリングアセンブリに実装するためのテクノロジを正しく選択することが重要です。 この機能を実現するために使用されるデータ通信技術は、一般的に接触型と非接触型に分類できます。 データ伝送用の通信チャネルを実現するために利用する結合の種類に応じて、さまざまなバリエーションがあります。 接触型インターフェース接触型ソリューションは、通常、固定子の複合ブラシ、モノフィラメントブラシ、またはポリフィラメントブラシに依存しており、回転子の導電リングに対してスライドするため、可動コンポーネントと静止コンポーネントの間で電気信号が途切れることなく通過します（図3を参照）。 データ通信に関するブラシタイプの選択は、信号帯域幅、データ転送速度、必要な伝送品質、動作電流、およびrpmによって異なります。 これは、発明以来スリップリングに採用されてきた確立された技術ですが、一定の制限があります。 接触式スリップリングの信頼性は、定期的なメンテナンスを必要とする機械的接触が存在するため、過酷な動作環境では低下します。 電気機械式ロータリージョイントも電磁干渉を受けやすいです。 それに加えて、接触インターフェースを確立するために使用される物理媒体の特性、およびさまざまな不一致の影響は、チャネル帯域幅に強い影響を及ぼします。 図3.コンタクトタイプのスリップリング。 礼儀：Servotectica / CC BY-SA4.0。 非接触インターフェース非接触ロータリージョイントは、放射または非放射電磁界を使用して回転部品間でデータを転送することにより、これらの制限を克服します。 このテクノロジーは、電気信号伝送に比べていくつかのパフォーマンス上の利点を提供します。 機械的接触がないため、メンテナンスが少なくてすむ接触摩耗が回避され、高回転速度での抵抗によるデータ損失が発生しません。 光ファイバーロータリージョイント非接触ソリューションの最も一般的な例は、光ファイバーロータリージョイント（FORJ）として知られる光ファイバースリップリングです。これを図4に模式的に示します。FORJは、光放射に依存してデータを転送し、通常は赤外線で動作します。 850 nm〜1550 nmの波長により、数十Gbpsの非常に高いデータレートであらゆる種類のアナログまたはデジタル光信号をEMIフリーで伝送できます。 ただし、光ファイバーソリューションには課題があります。 それらは、角度的および軸方向の不整合によって引き起こされる信号減衰をもたらす強い外因性損失を経験します。 これらの不整合は、一部のアプリケーションで重大になる可能性のある回転信号の変動の主な原因でもあります。 さらに、光ファイバーロータリージョイントは通常、過酷な産業環境で高レベルの保護を必要とします。 図4.光ファイバーロータリージョイント。 礼儀：Servotectica / CC BY-SA4.0。 誘導性および容量性インターフェース別のタイプの非接触技術は、電磁スペクトルの低周波数帯域で主に非放射性の誘導性および容量性回路要素によって生成される電界および磁界によって実現される近接場結合メカニズムに基づいています。 誘導法は、電磁誘導の原理をアセンブリの可動部品のインターフェースに適用します。 図5に概略的に示されているこのタイプのカップリングを使用するスリップリングは、高速回転の産業用アプリケーションに役立ちますが、高速データの送信よりも電力の送信に適しています。 これらは、風力タービンのアプリケーションでブレードピッチ制御システムに電気信号と電力を提供するために、また可動部品が高回転で動作するパッケージングアプリケーションで広く使用されています。 図5.誘導結合。 磁場に依存する誘導スリップリングとは対照的に、容量技術に基づくスリップリングは、電界を使用してローターとステーターの間でデータを転送します。 図6に示す容量結合法は、渦電流損失を無視し、優れたミスアライメント性能を備えた、比較的低コストで軽量のソリューションを実現します。 このテクノロジーにより、過酷な運用環境で回転速度に関係なく、数Gbpsの高速で信頼性の高いデータ伝送が可能になります。 容量性スリップリングは、イーサネットフィールドバスとの組み合わせ用に設計されることが多く、時間に敏感な産業用アプリケーションで広く使用されています。 図6。 容量結合。 他のタイプのインターフェース主に誘導性または容量性カップリングメカニズムを利用する非接触スリップリング技術とは別に、導波管や伝送線路要素などの適切なカップリング構造を使用することにより、両方のタイプのメカニズムの組み合わせに依存するソリューションを実現できます。 特殊なタイプのスリップリングもあります。たとえば、伝導媒体として水銀に依存しているものです。 ただし、水銀で湿らせたスリップリングは、動作環境の設定に対する厳しい要求があり、高温では使用できないため、産業用途には適していません。 表1に要約されている、説明されているすべてのデータインターフェイステクノロジの幅広い範囲は、産業用スリップリングアプリケーションの一般的な要件を満たすことができる多数の機能セットを提供します。 ただし、これらの従来の技術のほとんどは、短距離でのデータ伝送にのみ有効であり、ローターとステーターのトランシーバー要素を互いに非常に近接させる必要があります。 さらに、第XNUMXの産業革命は、現在存在する従来の技術では常に満たすことができないスリップリングアプリケーションのデータインターフェイスの構成可能性、信頼性、および速度に厳しい要件を課しています。 表1。 データインターフェース結合技術に基づくロータリージョイントの分類タイプ機能接触複合ブラシ高電流、高rpm、低データレート接触摩耗、EMI、チャネル帯域幅、抵抗変動モノフィラメントワイヤ低電流、低ノイズ、低接触抵抗ポリフィラメントワイヤチャネル、最小ノイズ、最小接触抵抗、高データレート水銀で濡れた低抵抗、安定した接続、高温では使用できない、安全上の懸念非接触FORJ EMIフリー、Gbpsレベルのデータレート、強い損失、ミスアライメントに敏感、保護誘導近接場、磁場結合、高rpm、高電力容量性近接場、電界結合、低コスト、軽量、ミスアライメントの影響を受けにくい、高rpm、Gbpsレベルのデータレート電磁近接/遠方界、大量のデータ送信、ミスアライメントの影響を受けにくい、Gbpsレベルのデータレートこの記事では、非接触技術に基づく新しいソリューションを紹介します放射性近接場（フレネル）および遠方場領域で長距離にわたってデータを送信するために電磁ミリ波に依存することにより、他の方法のいくつかの重大な制限を克服するhnology。 提案されたソリューションは、スリップリングアプリケーション向けの高度なマイクロ波データインターフェイスのコンパクトで費用効果の高い実現を可能にするだけでなく、非放射ロータリージョイントの従来の結合要素と組み合わせて、低コストでより優れた性能を実現することもできます。 ミリ波データインターフェイスソリューション60GHz周波数帯低コストのマイクロ波コンポーネント製造技術の出現により、最近、軍事分野を超えた幅広い市場アプリケーション向けの商業的現実が生まれました。 特に、ミリ波60 GHz技術は、マイクロ波スペクトルの上部領域に位置するこの周波数帯の独自の利点により、今日の幅広い市場からますます注目を集めています。 このグローバルなライセンスフリーでほとんど混雑していない帯域は、最大9 GHzの広い帯域幅を提供します。これにより、高いデータレートが可能になり、コンパクトなシステム設計を可能にする短い波長が提供されます。また、減衰率が高く、結果として低帯域幅になります。干渉レベル。 これらの利点により、60 GHzテクノロジーは、マルチギガビットWiGigネットワーク（IEEE802.11adおよび次世代IEEE802.11ay標準）、ワイヤレスバックホール接続、高解像度ビデオのワイヤレス送信（独自のWirelessHD / UltraGig標準）などのアプリケーションにとって魅力的なものになりました。 工業地域では、60 GHzテクノロジーは、主にミリ波レーダーセンサーと低データレートのテレメトリリンクに使用されます。 ただし、この分野での急速な進歩により、60 GHzテクノロジは、産業用サブシステムでの高速、超低遅延のデータ伝送の実現に非常に有望です。 統合データインターフェイスアーキテクチャこの記事では、産業用スリップリングアプリケーション向けに60GHzの周波数帯域を利用する新しいミリ波データインターフェイスソリューションを提案します。 このソリューションの主要な機能要素は、HMC60送信機とHMC6300受信機で構成されるアナログデバイセズの6301 GHz統合チップセットであり、それぞれ図7と図8に概略的に示されています。 この完全なシリコンゲルマニウム（SiGe）トランシーバーソリューションは、もともとスモールセルバックホール市場向けに最適化されており、産業用スリップリングアプリケーションのデータ通信要件を完全に満たしています。 図7.送信機HMC6300の機能ブロック図。 図8.レシーバーHMC6301の機能ブロック図。 トランシーバーチップセットは、オンオフキーイング（OOK）、FSK、MSK、および最大変調帯域幅1.8GHzのQAMを含むさまざまな変調フォーマットをサポートします。 統合検出器を使用して監視できる15dBmの最大出力電力を提供します。 チップセットは、柔軟なデジタルまたはアナログIF / RFゲイン制御、低雑音指数、および調整可能なローパスおよびハイパスベースバンドフィルターを備えています。 このソリューションを超低遅延の産業用スリップリングアプリケーションに理想的なものにする独自の機能の6300つは、OOKなどの振幅変調の復調に利用できる受信機信号チェーンに統合されたAM検出器です。 OOKは、高価で電力を大量に消費する高速データコンバータを使用する必要がないため、制御アプリケーションで非常に人気のある変調方式であり、シンプルで低コストの通信ソリューションの実装を可能にします。 さらに、OOKシステムアーキテクチャには複雑な変調および復調ステージが含まれていないため、産業用リアルタイムアプリケーションにとって重要な低遅延パフォーマンスを提供します。 アナログ・デバイセズのトランスミッターHMC6301とレシーバーHMC4の統合ソリューションは、どちらも小型の6mm×60mm BGAタイプのパッケージで提供され、最新の高速スリップリングアプリケーションの最も厳しい要件を満たすための機能とパフォーマンス機能の独自の組み合わせを提供します。 コアトランシーバー要素に加えて、全二重スリップリングデータインターフェイスの完全な概念には、アンテナ、電力管理、I / Oブロック、およびターゲットユースケースの要件に応じて選択できる補助信号調整コンポーネントが含まれます。 。 完全な9GHz全二重データインターフェイスソリューションの概念の高レベルのブロック図を図1に示します。このソリューションは、XNUMX Gbpsを超える速度で、無視できるほど小さいビットエラーレートで高速、超低遅延のデータ伝送を可能にします。 適切なアンテナ設計とゲイン設定を使用すると、数十センチメートルの距離で信頼性の高い通信を実現できます。これにより、特定の産業シナリオ向けの幅広いスリップリングソリューションが可能になります。 図9GHz全二重データインターフェイスのブロック図。 ディスクリートデータインターフェイスアーキテクチャ提案された統合ソリューションのパフォーマンス機能は、ほとんどの産業用スリップリングアプリケーションに十分ですが、産業用コンポーネントのカスタマイズへの一般的な傾向により、マルチギガビット速度をサポートするさらに高速なデータインターフェイスの実装が必要になる場合があります。 この場合、個別のコンポーネントを使用して特定の要件を満たすようにカスタマイズされたソリューションを構成することができます。 図60と図10は、11Gbpsを超えるデータレートをサポートする60GHzデータインターフェイスの完全なシグナルチェーンソリューションの例を示しています。 このOOKソリューションは、アナログ・デバイセズの標準RFコンポーネントと、パッシブ、マッチング回路、スタブフィルター、バイアスティー、減衰器などで表される基本的なカスタムブロックで実現されます（すべてが図に示されているわけではありません）。 図10 GHz送信機（OOK変調器）の完全なシグナルチェーンソリューション。 図11 GHz受信機（OOK復調器）の完全な信号チェーンソリューション。 この個別の提案は、単一の検出システムアーキテクチャに基づいています。 ただし、パフォーマンス要件によっては、ビデオ検出段階の前にRF信号をダウンコンバートすることにより、スーパーヘテロダインアーキテクチャの実現にも役立ちます。 結論インダストリー60は多くのテクノロジーの変化を推進しており、そのような変化の4.0つが産業用通信です。 第4.0次産業革命によって形成された新しいアプリケーションシナリオでは、リアルタイムで動作する自動化装置の回転部品間で、より高速で信頼性が高く、より正確な超低遅延のデータ伝送が求められます。 アナログ・デバイセズは、周波数スペクトル全体にわたって、高性能の統合されたディスクリートRFおよびマイクロ波コンポーネントを幅広く提供し、ロータリージョイントを介した非接触Gbpsレベルのデータ伝送のアプリケーション固有の設計を可能にします。 この記事では、ミリ波電磁波を利用してローターとステーターの間でデータを転送する統合およびディスクリートデータインターフェイスソリューションを提案しました。 提案されたソリューションは、高速データ伝送、超低遅延、無視できるビットエラー率、強力な干渉減衰、およびメンテナンスフリーの動作を提供するだけでなく、より高いミスアライメントに耐えることができ、より長い距離での伝送を可能にして、幅広いスリップリングアセンブリを可能にします。現代の産業用アプリケーションの増え続けるニーズに対応します。 アナログ・デバイセズは、インダストリーXNUMXパートナーに産業分野の深い専門知識を提供し、次世代の機能を提供して、今日の工場インフラストラクチャ向けのより高速で費用効果の高い高度なソリューションを開発し、次の段階への道を切り開きます。

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