摘要：本文將對基于創(chuàng)新的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及“為工業(yè)連接而生”新技術(shù)的毫米波非接觸式連接器應(yīng)用特征與應(yīng)用優(yōu)勢及其在數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)接口中的應(yīng)用作分析研討。
關(guān)鍵詞：非接觸式 智能網(wǎng)聯(lián)連接器 毫米波 無線連接 數(shù)字視頻接口
Abstract: This paper will analyze the application characteristics and application advantages of millimeter wave contactless connector based on innovative industrial Internet and new technology "born for industrial connection" and its application in the interface of data packet transmission technology.
Keywords: contactless intelligent network connector millimeter wave wireless connection digital video interface
前言
連接器行業(yè)對下游應(yīng)用領(lǐng)域變化反應(yīng)敏銳，終端市場的規(guī)模與需求變化以及技術(shù)的更迭對連接器市場規(guī)模產(chǎn)生很大的影響。 由于全球智能手機的銷量在2022年開始出現(xiàn)下滑，新能源電動汽車和工業(yè)4.0等成為全球經(jīng)濟的主要增長動力，并有望通過智能設(shè)備、機器和生產(chǎn)過程的自動化和連接來實現(xiàn)數(shù)字化制造愿景,從而連接器市場也將在這方面快速反映出來。隨著網(wǎng)絡(luò)和物理過程在世界各地工廠車間中的融合，將出現(xiàn)方法、思維和技術(shù)的融合，世界將迎來一個生產(chǎn)力提高的新時代，這將是制造業(yè)的未來。為應(yīng)對新形勢下連接器行業(yè)的挑戰(zhàn)和機遇,由此一種新型的非接觸式連接器脫穎而出。
值此本文將對基于創(chuàng)新的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及“為工業(yè)連接而生”新技術(shù)的毫米波非接觸式連接器應(yīng)用特征與工業(yè)、自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢及其在Display Port接口中的應(yīng)用作分析研討。
1引導(dǎo)非接觸式連接器呈現(xiàn)的新要求是什么
應(yīng)該說引導(dǎo)非接觸式連接器呈現(xiàn)的新要求是涉及眾多領(lǐng)域,在此僅以新能源電動汽車為例作說明。
眾所周知，新能源汽車的發(fā)展如火如荼，它將是未來十數(shù)年全球經(jīng)濟發(fā)展的重要驅(qū)動力之一。在過去的幾年里，大多數(shù)領(lǐng)先的全球汽車制造商已經(jīng)進入了電動汽車市場，這方面中國處于領(lǐng)先地位。該領(lǐng)域的發(fā)展給連接器技術(shù)也提出了不同的需求，呈現(xiàn)出如下三大趨勢：
*汽車換電模式刺激換電連接器發(fā)展 在新能源汽車換電模式的應(yīng)用上，換電連接器是電池包唯一的電接口，需要同時提供高壓、低壓、通信及接地的混裝連接。在快速換電過程中，電池與整車配合存在誤差，換電連接器需要具備浮動補償能力。此外，因為更換電池頻率較高，換電連接器還需要滿足高壽命、低維護成本的要求。
*電動化促使高壓連接器的發(fā)展 汽車的電動化使其內(nèi)部電氣連接器部件的要求也逐漸提高，與傳統(tǒng)燃料汽車相比，電動汽車往往有較高的電壓和電流平臺。高壓連接器作為新能源汽車的“血管”，是汽車高壓系統(tǒng)中較為核心的組件之一，主要應(yīng)用于DC、水暖PTC充電機、風(fēng)暖PTC、直流充電口、動力電機、高壓線束、維修開關(guān)、逆變器、動力電池、高壓箱、電動空調(diào)、交流充電口等�，F(xiàn)在電動汽車將逐漸從400V演進到800V架構(gòu)，對連接器的可靠性、體積和電氣性能提出了更高要求，其在機械性能、電氣性能、環(huán)境性能三方面均將持續(xù)提升。升壓后，高壓連接器將重新選型，增加大功率快充接口及400V到800V的轉(zhuǎn)化接口，帶動高壓連接器單車價值量上升。
*智能化加速智能網(wǎng)聯(lián)連接器發(fā)展 智能駕駛系統(tǒng)需要將超聲波雷達、毫米波雷達、攝像頭、激光雷達、網(wǎng)關(guān)、VCU、天線、GPS、5G通信等進行互連。隨著高級別ADAS的滲透率快速提升，車載傳感器用量增加，數(shù)據(jù)傳輸要求相應(yīng)提高，智能網(wǎng)聯(lián)連接器使用量也隨之增長。由此連接器制造廠商與工程師在這方面投入大量資金開發(fā)了創(chuàng)新型解決方案，走在了這些不斷變化的需求趨勢的前面。連接器產(chǎn)品質(zhì)量和客戶協(xié)作方面可滿足汽車生態(tài)系統(tǒng)中不斷增長的消費者需求，涉及汽車電動化、智能駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、汽車高速網(wǎng)絡(luò)、車輛天線系統(tǒng)、互聯(lián)移動解決方案和車聯(lián)網(wǎng)通信(V2X)。
在錯綜復(fù)雜多變的這，這不僅提前在連接器技術(shù)方面進行了前瞻性研發(fā)和戰(zhàn)略布局，而且在其他軟實力方面也進行了快速靈活的部署。
由此為滿足這在錯綜復(fù)雜多變的新形勢下連接器要求，則非接觸式連接器尤其是毫米波非接觸式連接器將是較理想的選擇。
2工業(yè)連接而生的非接觸式連接器應(yīng)用特征
當前，無論是顯示器，智能手機還是工業(yè)機器人，連接器已成為電子設(shè)備的關(guān)鍵。尤其隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)“萬物互聯(lián)”生態(tài)模式的日漸成熟，無線連接器已成為工業(yè)領(lǐng)域中不可替代的設(shè)備，其作為工業(yè)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的“紐帶”，受到各大細分行業(yè)以及具備升級需求的企業(yè)的青睞。其創(chuàng)新的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以及“為工業(yè)連接而生”的毫米波非接觸式連接器產(chǎn)品備受行業(yè)關(guān)注。探討它在工業(yè)連接領(lǐng)域的顛覆性創(chuàng)新，以及推動自動化產(chǎn)業(yè)數(shù)智化發(fā)展的重大意義。從而將成為用戶需求為中心，非接觸式連接器讓工業(yè)連接更輕松。
2.1傳統(tǒng)的技術(shù)連接器面臨的挑戰(zhàn)
連接是一種傳統(tǒng)的技術(shù)，傳統(tǒng)連接器的本質(zhì)是金屬接觸金屬，在一些應(yīng)用領(lǐng)域面臨著傳輸寬、可靠性、電磁干擾等問題的挑戰(zhàn)。如新型的毫米波非接觸式連接器這項技術(shù)使用60GHz來傳輸信號，具有超高帶寬、超低功耗、近距離、點對點傳輸?shù)忍攸c，是無需任何協(xié)議的物理傳輸芯片，其目標是在廣泛的電子設(shè)備中成為甚至替代連接器和連接線纜。圖1(a)為新型毫米波非接觸式連接器示意框圖,而圖1(b)毫米波非接觸式連接器芯片封裝示意圖。和傳統(tǒng)連接器、線纜相比，具有創(chuàng)新的非接觸的優(yōu)勢為工業(yè)、自動化產(chǎn)品帶來優(yōu)勢：其一是防水、防濕氣、防塵，支持360度旋轉(zhuǎn);其二是無連接磨損老化，電氣隔離、防震動。
圖1(a)為非接觸式連接器示意框圖
圖1(b)非接觸式連接器芯片封裝示意圖
2.2非接觸式連接器獨特的應(yīng)用特征
*從上圖可知，無論從外觀還是連接方式來說，打破了幾十年在傳統(tǒng)連接器基礎(chǔ)上的固有形象。值得一提的是，基于本身是一個比較小的芯片，且60GHz屬于較為純凈的頻段，頻率上下有很大范圍的空白頻段資源，能為客戶的大數(shù)據(jù)傳輸提供了有力的支撐。但是考慮到客戶面臨的應(yīng)用難點在于天線的設(shè)計，故它不僅提供了集成天線的版本，而且攜手合作伙伴提供模塊一體化的方案，這樣為其降低了開發(fā)與應(yīng)用的門檻，以便客戶更方便快捷地使用。需指出，天線設(shè)計是非接觸式連接器開發(fā)之初的難點之一，如何與芯片進行更好地匹配是當時面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前非接觸式連接器已有兩代產(chǎn)品:其第一代產(chǎn)品(如MX60或ST60A2型)是主要應(yīng)用于替代有線單個高速GPIO、以太網(wǎng)和高速SLVS傳輸，它產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn);其二是第二代產(chǎn)品(如ST60A3型)能支持eUSB2和UART，I2C及GPIO應(yīng)用。而第一代產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，而新一代產(chǎn)品系列已于2023年中實現(xiàn)量產(chǎn)，未來還會有更多的新產(chǎn)品支持更多的無線傳輸應(yīng)用。
*無線連接是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，如何保證工業(yè)設(shè)備之間信號的完整性與可靠性，需要有與之匹配的高質(zhì)量連接器。在這一背景下，新型毫米波非接觸式連接器，這一連接器使用毫米波在兩個設(shè)備間來建立低功耗、高速且高可靠的無線連接。
該系列采用高速、無電纜、固態(tài)無線設(shè)備替代傳統(tǒng)的機械連接器，從而實現(xiàn)高效、耐用且無縫的點對點通信。該新一代解決方案將射頻收發(fā)器和天線集成在一個封裝件中，簡化并加速了產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)。這項革命性的技術(shù)適用于連接視頻顯示器、自動駕駛汽車、工業(yè)機器人、消費電子產(chǎn)品和醫(yī)療設(shè)備，尤其在嚴苛環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定連接。
毫米波非接觸式連接器的優(yōu)勢特點可歸納為：其一、相較于傳統(tǒng)的機械連接器，不需要插拔，因此沒有插拔損耗，可靠性更高;其二、產(chǎn)品外觀沒有開孔，進行了封閉式設(shè)計，避免接口暴露在惡劣的環(huán)境中，進一步提高安全性;其三、配合獨特設(shè)計的全雙工圓極化天線，不受線纜限制，實現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)全雙工數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于工業(yè)滑環(huán)、安防攝像頭和智能設(shè)備等產(chǎn)品中。
2.3非接觸式連接器探索了多元化應(yīng)用場景
非接觸式連接器可以用在哪里。它是諸多應(yīng)用中取代傳統(tǒng)連接器、線纜、Pogopin的理想方案，例如：消費電子產(chǎn)品中，助力實現(xiàn)產(chǎn)品無孔化、纖薄機身、可折疊等;工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域中，擺脫傳統(tǒng)連接器受運動、振動、旋轉(zhuǎn)和污物(濕氣和灰塵)的影響，解決連接器反復(fù)拔插磨損老化等問題，它開發(fā)了非接觸式連接器應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域;工廠自動化測試中，實現(xiàn)無線診斷和測試，提升生產(chǎn)效率;在滑環(huán)，安防攝像頭，雷達，POV顯示等連接中支持設(shè)備360度自由旋轉(zhuǎn);LED視頻墻中，解決線纜多、安裝繁瑣的問題，并提升穩(wěn)定性，并成為新一代采用非接觸連接的顯示屏。圖1(c)為非接觸式連接器應(yīng)用領(lǐng)域的示意框圖。
圖1(c)為非接觸式連接器應(yīng)用領(lǐng)域的示意框圖
由于系列非接觸式連接器產(chǎn)品具有非常廣闊的應(yīng)用場景，包括工業(yè)自動化、安防攝像頭、大屏戶外LED顯示屏，以及消費電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，從下圖1(d)應(yīng)用實例可見。結(jié)合實例進行了分享：在LED行業(yè)，非接觸式連接器的無線連接技術(shù)可讓LED屏幕背板更干凈，連接更穩(wěn)定，安裝維護更簡單，并且降低了連接器成本和維護成本，節(jié)約了失效花費;在消費電子行業(yè)，助力實現(xiàn)產(chǎn)品無孔化、纖薄機身和可折疊，讓產(chǎn)品外觀更精美;在工廠自動化生產(chǎn)線上，不需要插拔數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)自動檢測，優(yōu)于WiFi和藍牙，為今后無人化工廠的運營打下了堅實的基礎(chǔ)。
圖1(d)為非接觸式連接產(chǎn)品系列應(yīng)用實例圖示
非接觸式連接器產(chǎn)品作為一款非接觸連接黑科技，其典型的是MX60 與ST60型。而下一代產(chǎn)品將會有更高的設(shè)計帶寬和傳輸吞吐量，未來隨著工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，我們的非接觸式連接產(chǎn)品會進行不斷創(chuàng)新，從而滲透到更多行業(yè)，滿足全球客戶群體的需求，為構(gòu)建更智能、更互聯(lián)的世界提供助力。由此得知毫米波非接觸式連接器引領(lǐng)連接新時代
2.4 和其他無線技術(shù)的比較
圖1(e)是非接觸式連接器產(chǎn)品和常用的其他無線技術(shù)的比較，如5G、Wi-Fi、藍牙、NFC等。從傳輸距離的角度，非接觸式連接器覆蓋較近的cm級的無線連接距離;從支持的信號帶寬范圍，它可以實現(xiàn)的信號速率從約10Kbps到高達6.25Gbps;從能耗的角度，有著最好的每bit功耗性能。
圖1(e)是非接觸式連接器產(chǎn)品和常用的其他無線技術(shù)的比較示意
3非接觸式連接產(chǎn)品在工業(yè)、自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢
*在嚴重暴露于惡劣環(huán)境或機械壓力之下的工業(yè)系統(tǒng)中，它允許使用非接觸式數(shù)據(jù)鏈路獲得更高的可靠性，這些數(shù)據(jù)鏈路在工業(yè)環(huán)境和操作條件，例如沖擊和振動，會獲得更加穩(wěn)定的性能。另一個新興的趨勢是工業(yè)安全。非接觸式低功率射頻鏈路在消防安全和石油天然氣等安全應(yīng)用中能提供更好的自然免疫力。由于該鏈接采用毫米波無線傳輸，因此它是測試與測量、醫(yī)療安全、電動汽車中的高速數(shù)字信號電氣隔離應(yīng)用中的優(yōu)秀勝任者。
在自動化工廠中，如果您有大規(guī)模制造的設(shè)備，在裝配測試生產(chǎn)線上，每個被測設(shè)備都會實際插入測試平臺，您可以下載固件、運行診斷、拔下插頭并將其傳遞到下一站。采用非接觸式連接可以實現(xiàn)整個測試過程無人為干預(yù)，避免拔插，極大地提高裝配線的吞吐量，并通過強大的連接提高可靠性。在智能工廠中，機器人中的旋轉(zhuǎn)接頭/鉸鏈采用完全非接觸式連接，從而提高設(shè)備運動的自由度和可靠性。
*告別束縛，連接永固，非接觸式連接器為工業(yè)連接而生
隨著工業(yè)智能化和物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)趨勢的快速興起，無線連接也逐漸成為各大細分行業(yè)和具備升級需求的企業(yè)在未來數(shù)字化、智能化道路上的首選。尤其是在連接器方面，非接觸式(無線連接)的技術(shù)進展其實一直未能跟上產(chǎn)品設(shè)計和制造的腳步。
雖然連接器經(jīng)過了由模擬信號到數(shù)字信號，到芯片式連接器的模式升級。但是，當下用戶的需求更多偏向于非接觸式連接。對此，創(chuàng)新性推出毫米波非接觸式連接器，開辟了顛覆性的連接方式，它的非接觸式連接能力能夠幫助用戶和傳統(tǒng)連接器揮手告別了。
4非接觸式連接器在Display Port接口中的應(yīng)用
DisplayPort(簡稱DP)是視頻電子標準協(xié)會(VESA)推動的數(shù)字視頻接口標準，制定于2006年5月。該接口主要應(yīng)用于連接電腦和顯示屏，或是電腦和家庭劇院系統(tǒng)，有意要取代舊有的VGA、DVI和LVDS視頻傳輸接口技術(shù)。DisplayPort是第一個依賴數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的顯示連接接口，這種數(shù)據(jù)包化傳輸技術(shù)可以在以太網(wǎng)、USB和PCI Express等技術(shù)中找到。它既可以用于內(nèi)部顯示連接，也可以用于外部的顯示連接。DisplayPort連接器在主鏈路可以有1、2或4路差分數(shù)據(jù)對，每個通道比特率為1.62、2.7或者5.4 Gbit/s。數(shù)據(jù)為8b/10b編碼，即每8位的消息被編入10比特符號中。除了主傳輸通道之外，DisplayPort還提供了一條功能強大的AUX輔助通道。該輔助通道的傳輸帶寬一般為1Mbps，最高延遲僅為500μs，可以直接作為語音等低帶寬數(shù)據(jù)的傳輸通道，另外也可用于無延遲的游戲控制。DisplayPort還有HPD通道用來傳輸熱插拔信號。
非接觸式連接器的數(shù)字接口是SLVS(Scalable low voltage signaling)差分數(shù)據(jù)對。它可以直接傳輸DisplayPort主通道視頻數(shù)據(jù)，不需要加轉(zhuǎn)換芯片。而下一代非接觸式連接器可以傳輸eUSB2，GPIO，I2C，SPI，UART信號。對于AUX和HPD信號，需要用FPGA把這兩種低速信號做聚合，然后輸送到一路(如ST60A3型)的GPIO口傳輸。使用FPGA的原因是AUX信號有低延遲的要求，F(xiàn)PGA可以滿足低延遲的要求。如下圖2(a)是DisplayPort方案的原理框圖。此方案最大支持4個視頻主通道，每通道最大5.4Gbps數(shù)據(jù)率。每一路視頻主通道用一對芯片傳輸數(shù)據(jù)。
圖2(a)是DisplayPort方案的原理框圖
ST60/DisplayPort方案的一個應(yīng)用是用于二合一平板或者擴展屏的視頻傳輸。如下圖圖2(b)所示，把非接觸式連接器模組放在邊框位置，傳輸DisplayPort視頻。非接觸式連接器除了傳輸DisplayPort信號外，還可以通過轉(zhuǎn)換芯片來傳輸MIPI-DPHY和HDMI視頻。
圖2(b)所示，把非接觸式連接器模組放在邊框位置，傳輸DisplayPort視頻
4 小結(jié)
由上可知非接觸式連接器具有無與倫比的效率、非常小的外形并采用專為優(yōu)化物料清單而設(shè)計的創(chuàng)新架構(gòu)，這使其非常適合廣泛的個人電子產(chǎn)品、工業(yè)應(yīng)用以及計算機和外設(shè)。 該系列采用高速、無電纜、固態(tài)無線設(shè)備替代傳統(tǒng)的機械連接器，從而實現(xiàn)高效、耐用且無縫的點對點通信。
運用我們的創(chuàng)新型非接觸式連接器收發(fā)器實現(xiàn)無連接器解決方案,這種外形小巧且經(jīng)過優(yōu)化的高數(shù)據(jù)速率無線鏈路收發(fā)器在短距離、點對點非接觸式通信領(lǐng)域是一個突破，其支持：板到板非接觸式連接;用于消除電子設(shè)備中的柔性電纜;用于消除工業(yè)電子系統(tǒng)中由于擾區(qū)和彎曲而受到機械應(yīng)力的電纜;無連接器解決方案;用于防水防塵的無線設(shè)備;用于無縫對接和活動式設(shè)備到設(shè)備數(shù)據(jù)同步;用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，以避免連接器端口受到環(huán)境影響;適用于工業(yè)應(yīng)用的非接觸式連接器解決方案。 |
