一种多通道无线滑环的信号传输方法和无线滑环传输系统

摘要

本发明提供一种多通道无线滑环的信号传输方法及使用该信号传输方法的无线滑环系统。采用本发明中提供的多通道无线滑环的信号传输方法，无线滑环中的转子导线和定子导线相互不导通，而是利用无线电波辐射进行信号传输。无线滑环多环道可以同时使用，并且通过在环道之间设置安全频带的间隔取值方法，减少环道间的串扰；另外，本发明中的多通道无线滑环的信号传输方法，通过对优先级较高的环道设置较高的载波频率，能有效提高信道的传输效率并且能增加多通道滑环传输的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及数据通信和传输技术领域，尤其涉及一种多通道无线滑环的信号传输方法和无线滑环传输系统。

背景技术

旋转连通是一种在两个进行相对旋转的结构之间进行信号传输的方式。随着科技的进步，在现代军工、电子、航空、电力、冶金、石油化工、通信、网络监控和智能制造等关键设备中，需要大量使用多种旋转结构，在这些旋转结构中进行信号和能量的传输一直是业界研究的难点和热点。

在目前的应用中，主要采用导电滑环来实现在两个相对旋转的结构间的信号传输。传统的接触式导电滑环，定子和转子分别通过电刷和电环连接，并随转子的旋转而传输能量和信号。但是这种接触式导电滑环存在以下缺陷：因为电刷和电环在两个旋转机构中相对旋转时，始终处于摩擦状态，电刷和电环通过物理接触的方式进行通信。在使用一段时间之后，由于电刷和电环的不断摩擦而出现了磨损，会导致物理变形，导致电刷和电环的使用寿命大大缩短，电刷和电环时而接触时而不接触，形成非常不稳定的传输通道，可靠性和稳定性都会降低很多，甚至完全失效。而电刷和电环的寿命减短也会影响了整体产品的使用寿命，增加了整体产品的成本。

为了更好地解决传统的接触式导电滑环存在的寿命较短的问题，目前也有一些专利提出新的导电滑环的结构和传输方式。专利CN211063016U：导电滑环及具有该导电滑环的摄像组件，公开一种新型导电滑环，导电刷与导电环道设置有润滑层，减小摩擦系数，避免使用一段时间后发生磨损而损坏。但是，该专利中的导电滑环仍然没有改变接触式滑环容易因为摩擦而磨损甚至损坏的特点。专利CN108075576A：一种用于惯导系统的无线电能和信息传输装置，其公开一种新型的无线传输装置替代传统的接触式导电滑环，利用磁感应原理实现电能和信息的传输。该装置虽然采用新的传输装置代替了传统的接触式导电滑环，但是该装置结构复杂且不具有传统滑环中可以实现很多环道同时使用的特性，因此，该发明中的传输装置不支持多环道的应用环境，在公开文本中也未涉及多环道下的传输方法。专利CN209488273U：一种用于无触点滑环的电能及FSK信号传输电路，其公开一种无触点的新滑环，利用磁耦合谐振原理来传输无线电能和FSK信号。该新型的无触点滑环虽然对传统的接触式导电滑环进行了无触点革新，但是磁耦合的线圈占据体积较大且不具有传统滑环中可以实现很多环道同时使用的特性，在公开本文中也未涉及多环道下的传输方法。专利CN106532970A：一种无线电能传输滑环，其公开一种无触点的新滑环，由发射线圈和接收线圈以及驱动电路板利用无线电波的原理进行通信。该无线电能传输滑环对传统滑环的传输方式进行了创新，采用无线传输方式，但是在结构上对传统滑环的改动较大，且其中的发射线圈、接收线圈以及驱动电路板占据面积较大，这样将导致传统滑环中的多环道特性不能使用，在公开文本中也未涉及多环道下的传输方法。

从以上公开的现有技术可知，目前的这些无线滑环并没有涉及多环道同时使用，也没有涉及多环道无线滑环的具体传输方法。但是，多环道的无线滑环在实际应用中具有重要的意义。受限于装置成本或者硬件性能，系统最高工作频率是有限制的，其传输带宽也是有限制的，在一些应用中，单环道无法承载需求的传输速率，此时便需要多环道组合进行传输。

因此，亟需要一种多通道无线滑环的信号传输方法，其能适用于无线滑环多通道同时使用，且能有效降低通道之间的串扰，提高传输效率并且能增加多通道滑环传输的可靠性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多通道无线滑环的信号传输方法，该方法提出一种无线滑环多环道同时使用，并且通过在环道之间设置安全频带的间隔取值方法，减少环道间的串扰；另外，本发明中的信号传输方法，能有效提高信道的传输效率并且能增加多通道滑环传输的可靠性。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种多通道无线滑环的信号传输方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤100，控制器检查无线滑环与各信号处理模块之间的连接以及供电是否就绪；步骤200，控制器获取无线滑环的基本信息；步骤300，控制器对无线滑环的多个环道中的多个载波点进行配置；步骤400，控制器将无线滑环环道的载波信息发送给第一信号处理模块和第二信号处理模块；步骤500，处理器接收外部信号，将外部信号传输至第一信号处理模块，第一信号处理模块根据各个环道上的载波信息对环道上的信号进行调制并发出；步骤600，判断第二信号处理模块是否接收到第一信号处理模块中的信号；如果判断为第二信号处理模块接收不到第一信号处理模块中的信号，返回步骤100；步骤700，如果判断为第二信号处理模块接收到第一信号处理模块中的信号，第二信号处理模块对接收到的信号进行解调，并将解调后的信号发送至第二处理器；步骤800，第二处理器接收信号后将信号输出。通过本发明提供的多通道无线滑环的信号传输方法，通过该信号传输方法，可以实现多通道同时进行传输，有效地提高了传输效率。

优选地，在步骤200中，控制器获取的无线滑环的基本信息至少包括以下信息其中之一：无线滑环中的多个环道的个数、多个环道分别对应的优先级、系统支持的最高频点、安全频带间隔信息。

优选地，控制器对无线滑环的多个环道中的多个载波点进行配置时，无线滑环的多个环道中的多个载波点按照系统支持的频点进行升序或者降序排列。

优选地，控制器对无线滑环的多个环道中的多个载波点进行配置时，控制器根据无线滑环的多个环道分别对应的优先级，对于优先级较高的环道配置较高的载波点，对于优先级较低的环道配置较低的载波点。对于优先级较高的环道，根据无线传播原理，频率越高，辐射能量越强，辐射效率越高，故接收端接收到的信号越大。因此，优先级越高的环道采用频率较高的载波点，能有效提高传输效率，增加多环道传输的可靠性。

优选地，控制器对无线滑环的多个环道中的多个载波点进行配置时，不同环道之间的载波点设置安全频带间隔。通过设置安全频带间隔，在传输过程中不同频率的各个环道之间的信号便不会相互干扰，而且在接收端也很容易地将各个信号进行区分。

优选地，所述安全频带间隔△W的取值范围为：0＜△W≤B/N，其中，N为无线滑环的多个环道的个数，B为可传输频带的范围。

优选地，第二信号处理模块对接收到的信号进行解调时，包含以下步骤：对接收到的信号进行信号恢复；对恢复后的信号进行滤波以及将滤波后的信号恢复出基带信号。

本发明还提供一种无线滑环系统，所述无线滑环系统包括控制器、第一处理器、第一信号处理模块、无线滑环、第二信号处理模块和第二处理器，其中：所述控制器分别与第一处理器、第一信号处理模块、无线滑环、第二信号处理模块和第二处理器连接，用于检查多个模块之间的连接及供电是否正常；所述控制器还用于获取无线滑环的基本信息，对无线滑环环道中的载波点进行设置，并将载波信息发送给第一信号处理模块和第二信号处理模块；所述第一处理器用于接收外部信号，并将外部信号传输至第一信号处理模块；所述第一信号处理模块根据多个环道的载波信息，分别对多个环道上的信号进行调制并发出；所述第二信号处理模块用于接收第一信号处理模块发出的调制信号，并将解调后的多个环道上的信号发送至第二处理器；所述第二处理器将接收到的多个环道上的信号输出。

优选地，所述第二信号处理模块包括放大单元、滤波单元和解调单元，其中，所述放大单元用于对传输过程中衰减的信号进行恢复；所述滤波单元用于滤除信号中的噪声；所述解调单元用于将接收到的信号恢复出基带信号。

优选地，所述无线滑环包括：壳体、转子、导电环道和导电刷，所述壳体与外部固定装置连接，所述转子与外部旋转装置连接，所述转子和所述导电环道固定连接设置于所述壳体内并能相对所述壳体转动，所述导电刷一端固定连接于所述壳体上，所述导电刷的另一端为自由端并靠近所述导电环道进行电信号传输，所述导电刷与所述导电环道之间为非接触式无线电波传输结构。

通过本发明提供的多通道无线滑环的信号传输方法及无线滑环系统，无线滑环多环道可以同时使用，并且通过在环道之间设置安全频带的间隔取值方法，减少环道间的串扰；另外，本发明中的信号传输方法，通过对优先级较高的环道设置较高的载波频率，能有效提高信道的传输效率并且能增加多通道滑环传输的可靠性。

附图说明

图1为采用本发明中多通道无线滑环信号传输方法的无线滑环系统的模块图。

图2为本发明提供的一种多通道无线滑环系统的信号传输方法的流程图。

图3为本发明提供的一种多通道无线滑环系统的信号传输方法中安全频带的示意图。

图4为本发明提供的一种多通道无线滑环系统的信号传输方法中信号传输的示意图。

图5为本发明实施例中无线滑环沿转轴轴线方向的截面示意图。

图6为图5中所示无线滑环A-A处的剖视图。

图7为本发明实施例中环形夹具的剖面图。

图8为本发明实施例中环形夹具的安装示意图。

图9为本发明无线滑环中导电刷与导电环道的相对位置安装示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

如图1，图1为采用本发明中多通道无线滑环信号传输方法的无线滑环系统1的模块图。无线滑环系统1包括控制器130、第一处理器111、第一信号处理模块112、无线滑环131、第二信号处理模块122和第二处理器121。无线滑环131连接于第一端口110和第二端口120之间，第一端口110包括第一处理器111和第一信号处理模块112，且第二端口120包括第二信号处理模块122和第二处理器121。其中，控制器130分别与第一处理器1、第一信号处理模块、无线滑环131、第二信号处理模块和第二处理器连接，控制器130用于检查第一处理器111、第一信号处理模块112、第二信号处理模块122、第二处理器121与无线滑环131之间的连接以及供电情况等是否正常。除此之外，控制器130还用于获取无线滑环131的基本信息，这些信息包括无线滑环131的多个环道的个数、多个环道分别对应的优先级、系统支持的最高频点、安全频带间隔信息等。在控制器130读取完无线滑环131的基本信息之后，分别对无线滑环131的多个环道中的多个载波点进行设置，并将多个载波点设置信息传输给第一信号处理模块112和第二信号处理模块122。在对无线滑环环道中的载波点进行设置时，可以按照从高到低或者从低到高顺序进行设置，也可以通过获取的多个环道分别对应的优先级，对于优先级较高的环道，优先设置频率较高的载波点。详细来说，对于优先级较高的环道，根据无线传播原理，频率越高，辐射能量越强，辐射效率越高，故接收端接收到的信号越大。因此，优先级越高的环道采用频率较高的载波点，能有效提高传输效率，增加多环道传输的可靠性。在进行不同环道中载波点配置时，为了减少信号之间的相互干扰和方便第二信号处理模块122进行解调，相邻的载波频点之间保持一定的安全频带间隔。

第一处理器111用于接收外部信号，并将外部信号传输至第一信号处理模块112。第一信号处理模块112根据多个环道的载波信息，分别对多个环道上的信号进行调制并发出。第一处理器111还用于控制模块，里面存储有预先设定的环道优先级信息等，也可以即时接受外部输入的环道优先级信息并作出反馈动作。

第二信号处理模块122用于接收第一信号处理模块111中发出的调制信号，对调制信号进行解调，并将解调后的多个环道上的信号发送至第二处理器121，第二处理器121将接收的多个环道上的信号输出。第二信号处理模块122还用于根据第二处理器121发来的指示，产生相应频率的载波，调制信号发送到指示的环道上去。第二信号处理模块122包括放大单元、滤波单元和解调单元（图1中没有相应表示），其中，放大单元用于对传输过程中衰减的信号进行恢复，因为在信号传输过程中，因为信号衰减将使得信号的幅度减小，采用放大单元补偿信号幅度，进行信号恢复处理；滤波单元用于滤除信号中的噪声，改善信号质量；解调单元用于将接收到的信号恢复出基带信号。

本无线滑环系统1的无线滑环131的具体结构，可以如图5和图6所示。无线滑环131包括壳体10、导电刷40、导电环道20、转子30、第一轴承50和第二轴承60，用于实现将固定装置与旋转装置之间实现电信号连接。壳体10与外部固定装置连接，导电刷40的一端固定连接于壳体10并通过导线引入电流传输至固定安装于导电刷40，导电刷40自由端与导电环道20之间距离很近但不接触，导电刷40与导电环道20之间通过短距离下的无线电波辐射的方式进行通信，导电环道20与转子30固定连接通过第一轴承50和第二轴承60安装于壳体10内腔中，转子30连接外部转动装置且通过一导线将导电刷40引入的电流导出至外部转动装置。

壳体10作为导电的无线滑环131整体结构的保护壳，外部连接固定装置，内部设有空腔11，空腔11侧壁上设置导电刷40，空腔11内设有导电环道20。壳体10两端分别设有第一轴承槽12和第二轴承槽13，用于安装相应的轴承。壳体10整体形状可根据实际需求进行设计，在此实施例中，外形呈圆柱状，内部空腔11也为圆柱状。

导电刷40用于将固定装置的电信号传给导电环道20，其一端固定连接于壳体10上并连接一导线，另一端为自由端，导电刷40的自由端与导电环道20表面距离很近但并不接触。在此实施例中，导电刷40整体呈为扁平状，导电刷40用来作为发射（或接收）信号的天线。导电刷40与导电环道20形成无线信号连接通路，将引入的电信号通过短距离下的无线电波辐射的方式进行通信以传给导电环道20。具体来说，在半双工（half duplex）的一个应用场景下，作为发射端的第二端口120有线传输电信号给导电刷40，导电刷40通过短距离下的无线电波辐射（或是电耦合效应）进一步无线传输电信号给导电环道20，然后导电环道20再有线传输电信号给作为接收端的第一端口110，如此即可实现从第二端口120到第一端口110的信号传输。此非接触的电信号传输结构不仅有效提高导电滑环100的使用寿命，还解决了在长时间应用中因磨损导致的信号传输不稳定的问题，提高了传输通道的稳定性和可靠性。

值得注意的是，由于无线滑环131的N个导电环道20配置了不同频率的载波（即通过频率隔离来降低串扰），或是在不同位置的多个导电环道20配置了相同频率的载波（即通过空间隔离来降低串扰），所以多个导电环道20可同时进行通信，以实现多环道同时通信。举例来说，当发射端需要传输一个每秒二百百万位元（200Mbps）的数据流，在单个导电环道20的传输上限是每秒一百五十百万位元（150Mbps）的条件下，本无线滑环系统1可以采用两个环道20分别传输两个每秒一百百万位元（100Mbps）的数据流。

导电环道20设置于壳体内腔11中，与导电刷40进行电信号连接并随转子30的转动而转动。在此实施例中，导电环道20形状呈圆柱形，外表面设有多个导电滑槽21，每个导电滑槽21对应每个导电刷40进行电信号通信，导电滑槽21的宽度与导电刷40的宽度相适应。相邻两个导电滑槽21之间外表面上设有绝缘层22，使得相邻两个导电滑槽21的表面不能电连通但内部处于连通状态，增强电信号的传输效率。导电滑槽21和导电环道20随转子30的转动而转动，导电环道20用来作为接收（或发射）信号的天线。导电环道20与导电刷40形成无线信号连接通路，导电环道20通过短距离下的无线电波辐射的方式从导电刷40接收电信号，以实现结构之间无接触式情况下的电信号传输。其中，当第一端口110作为接收端时，第二端口120作为发射端；或者，当第一端口110作为发射端时，第二端口120作为接收端，因此导电刷40和导电环道20之间可以进行双向电信号的传输。具体来说，在半双工的另一个应用场景下，作为发射端的第一端口110有线传输电信号给导电环道20，导电环道20通过短距离下的无线电波辐射（或是电耦合效应）进一步无线传输电信号给导电刷40，然后导电刷40再有线传输电信号给作为接收端的第二端口120，如此即可实现从第一端口110到第二端口120的信号传输。导电环道20一端连接转子30安装于壳体10内部空腔11中，两者在空腔11中可以相对壳体10进行转动，在此实施例中，通过第一轴承50和第二轴承60安装于壳体10的内部空腔11中，保证工作过程中转动动作的平滑稳定性。

导电环道20上可根据实际需求设定导电滑槽21的数量，仅设有一个导电滑槽21时，本发明的无线滑环设计可以适用，当设有多个导电滑槽21时，本发明的设计方案同样适用，也即适用于多环道无线滑环。

转子30用于连接旋转装置，通过一导线实现将导电环道20接收到的电信号传给外部旋转装置。转子30的形状可根据实际设备需求进行设计，转子30和导电环道20在工作中能保证同步运动即可，在此实施例中，转子30形状为T字形，其一端固定连接导电环道20，与导电环道20为一体成型结构，更好的保障了同步转动。

为了有效保障导电刷40与导电环道20之间的安装距离，本发明还提供一种环形夹具70，如图7所示。环形夹具70用于无线滑环的生产安装过程，主要用于无线滑环中导电刷40的安装。该环形夹具70具有弹性，在使用时固定于导电滑槽21中，在导电刷40安装时，导电刷40的自由端与该环形夹具70接触固定，固定完成后取出环形夹具70即可。该环形夹具70具有一定的厚度，厚度大小即为导电刷40与导电环道20之间的距离，此厚度可根据导电滑环结构以及机器工艺精度进行设置。该环形夹具70可以设计为针对导电环道20中的单个导电滑槽21的结构的单通道夹具，也可设计成针对多个导电滑槽21结构的多通道夹具。如图7表示环形夹具的剖面图，其中h表示夹具的厚度，r表示环形夹具的半径，环形夹具70的半径与导电滑槽21的外周半径相同。图8表示环形夹具的安装示意图，首先将环形夹具70嵌入导电环道20上，然后再将导电刷40与环形夹具70接触确定导电刷40的安装位置，继而将导电刷40安装固定在壳体10的相应位置，最后导电刷40安装固定完成后再将环形夹具70取出。图9表示本发明无线滑环中导电刷40与导电环道20的相对位置安装示意图，本发明的该环形夹具70有效保证了导电刷40和导电环道20之间的距离要求，提高导电刷40安装过程中的方便性和安装位置的准确性，提高了无线滑环在使用中传输通道的稳定可靠性。

图2中为本发明提供的一种多通道无线滑环系统1的信号传输方法的流程图。该多通道无线滑环信号传输方法包含以下步骤：

步骤100，控制器检查无线滑环与各信号处理模块之间的连接以及供电是否就绪。

步骤200，控制器获取无线滑环的基本信息，这些基本信息包括无线滑环中多个环道的个数、多个环道分别对应的优先级、系统支持的最高频点、安全频带间隔信息等。

步骤300，控制器对无线滑环环道中的载波点进行配置。在控制器根据步骤200中获得的基本信息对环道中的载波点进行配置时，可以进行顺序配置，例如将N个环道中的载波频率按照系统支持的频点进行升序或者降序排列，系统支持的频点在系统支持的工作频段中均匀进行选取。也可以根据步骤200中多个环道分别对应的优先级，对于优先级较高的环道配置较高的载波点，对于优先级较低的环道配置较低的载波点。详细来说，对于优先级较高的环道，根据无线传播原理，频率越高，辐射能量越强，辐射效率越高，故接收端接收到的信号越大。因此，优先级越高的环道采用频率较高的载波点，能有效提高传输效率，增加多环道传输的可靠性。为了减少环道之间的串扰，不同环道之间的载波点之间设置一定的安全频带间隔，这样在传输过程中不同频率的各个环道之间的信号便不会相互干扰，而且在接收端也很容易地将各个信号进行区分。图3为本发明提供的一种多通道无线滑环系统1的信号传输方法中安全频带的示意图。图3中的实施例根据不同环道传输信号的重要程度，依次划分优先级，最高优先级的环道优先分配高频点的载波f0，其中，0＜f0≤B，B为整个装置的传输频带；第二优先级的环道分配的载波点频率为f1；第三优先级的环道分配的载波点频率为f2；以此类推。从图3中可以看出，载波频点f0与载波频率f1之间保持一定的安全频带间隔△W，载波频点f2与载波频点f1之间保持一定的安全频带间隔△W。安全频带间隔的取值范围为0＜△W≤B/N，其中，N为无线滑环的环道个数，B为可传输频带的范围。

步骤400，控制器将无线滑环环道的载波信息发送给第一信号处理模块和第二信号处理模块，以便于后期对信号进行调制和解调。

步骤500，第一处理器接收外部信号，将外部信号传输至第一信号处理模块，第一信号处理模块对各个环道上的信号进行调制并发出。第一信号处理模块在对各个环道上的信号进行调制时，根据各个环道上的载波信息进行调制。

步骤600，判断第二信号处理模块是否接收到第一信号处理模块中的信号，如果判断为第二信号处理模块接收到第一信号处理模块中的信号，则认为信号传输正常，继续进行步骤700；如果判断为第二信号处理模块接收不到第一信号处理模块中的信号，则认为信号传输存在问题，返回步骤100，控制器检查无线滑环与各信号处理模块之间的连接以及供电是否就绪。

步骤700，第二信号处理模块对接收到的信号进行解调，并将解调后的信号发送至第二处理器。在第二信号处理模块对接收到的信号进行解调时，包含以下步骤：首先对接收到的信号进行信号恢复，因为在信号传输过程中，信号衰减将会使得信号的幅度减小，采用放大单元补偿信号幅度，进行信号恢复处理；然后对恢复后的信号进行滤波，滤波单元用于滤除信号中的噪声，改善信号质量；最后，将滤波后的信号恢复出基带信号。如图4所示，图4为本发明提供的一种多通道无线滑环系统1的信号传输方法中信号传输的一个实施例的示意图。在图4中，以数字调幅方式进行举例说明，但是本发明中并不限于该调制方法。在进行信号传输的过程中，首先，对于接收到的基带信号按照该环道的载波信号频率进行调制，不同的环道采用不同的载波信号频率。如图4中所示，假设第一环道为最高优先级环道，其载波信号频率为f0；第二环道为第二优先级环道，其载波信号频率为f1，由图中可以看出，f0>f1。然后将调制后的信号传输至第二信号处理模块，第二信号处理模块对接收到的信号进行解调，恢复出基带信号。

步骤800，第二处理器接收信号后将信号输出。

采用本发明中提供的一种多通道无线滑环的信号传输方法，具有以下优点：（1）通过该多通道无线滑环的信号传输方法，可以实现无线滑环的多环道同时进行传输，提高了传输速率；（2）本发明中的多通道无线滑环信号传输方法，在进行环道间的载波频点设置时，各个环道间设置有安全频带间隔取值方法，可以有效地降低环道间的串扰，而且在接收端也很容易地将各个信号进行区分；（3）本发明中的多通道无线滑环信号传输方法，在进行环道间的载波频点设置时，可以根据各多环道分别对应的优先级，对于优先级较高的环道，设置较高的载波频点，这样将能有效地提高传输效率，增加多环道传输的可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本实用发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。