SpaceVPX (VITA 78) und die Welt der Verbindung

Sep 17, 2023

Seit Jahrzehnten tragen offene Systemarchitekturen und offene Standards dazu bei, Innovationen für Endbenutzer in Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen durch die Entwicklung offener, wichtiger und klar definierter Schnittstellen zu beschleunigen. Heutzutage befürworten Raumfahrtsystemdesigner und -entwickler den SpaceVPX-Standard (VITA 78), der die OpenVPX-Architektur (VITA 65.0) durch seine Bausteine ​​auf Steckplatzprofil- und Modulprofilebene nutzt und so Verbindungslösungen basierend auf den Anforderungen des Benutzers erstellt.

Entdecken Sie die Grundlagen von SpaceVPX mit den Designern der VPX- und SpaceVPX-Verbindung. Erfahren Sie mehr über den Ursprung des Standards, die Vorteile von SpaceVPX gegenüber OpenVPX, die jüngsten Änderungen am Standard und die Bedeutung von Standardverbindungen, die die Kosten senken, zu einer robusteren Lieferkette führen und den Weg für zukünftige Erweiterungen ebnen.

SpaceVPX ist ein Standard zum Erstellen von Plug-in-Karten (PICs) aus seinem Steckplatzprofil und seinen Modulprofilen (Protokollprofilen). Diese Bausteine ​​wiederum schaffen miteinander verbundene Subsysteme und Systeme. Es wurde unter der Schirmherrschaft des Next Generation Space Interconnect Standard (NGSIS) entwickelt und ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Regierung und Industrie. Das Hauptziel von SpaceVPX besteht darin, die Bandbreite als Einschränkung für zukünftige Raumfahrtsysteme kostengünstig zu beseitigen.

SpaceVPX basiert auf dem OpenVPX-Standard VITA (VMEbus International Trade Association) mit Verbesserungen, die den Standard für Raumfahrtanwendungen erweitern.

Das NGSIS-Team wählte die OpenVPX-Standardfamilie als physische Basis für den neuen SpaceVPX-Standard, da VPX sowohl 3U- als auch 6U-Formfaktoren mit robusten und leitungsgekühlten Funktionen unterstützt, die für den Einsatz in extremen Umgebungen geeignet sind. Die Infrastruktur von OpenVPX ermöglicht auch das Prototyping und Testen von SpaceVPX vor Ort.

SpaceVPX basiert auf mehreren Standards, von denen einige Teil der OpenVPX-Familie des American National Standards Institute (ANSI)/VITA und der European Cooperation for Space Standardization (ECSS) sind:

OpenVPX ist ein definierter Satz von Systemimplementierungen innerhalb von VPX, der einen Satz von Systemarchitekturen spezifiziert. OpenVPX organisiert Verbindungen auf vier Hauptverbindungsebenen – Daten, Steuerung, Versorgung und Erweiterung.

DatenebeneDie Datenebene umfasst Hochgeschwindigkeits-Multigigabit-Fabric-Verbindungen zwischen Modulen zur Übertragung von Nutzlast- und Missionsdaten.

KontrollebeneDie Steuerebene, ebenfalls eine Fabric-Verbindung, verfügt normalerweise über weniger Kapazität und wird für Konfiguration, Einrichtung, Diagnose und andere Betriebssteuerungsfunktionen innerhalb der Nutzlast sowie für Datenübertragungen mit niedrigerer Geschwindigkeit verwendet.

VersorgungsflugzeugDie Versorgungsebene ermöglicht die Einrichtung und Steuerung grundlegender Modulfunktionen für die Leistungssequenzierung, Low-Level-Diagnosen, Uhren und andere Basissignale, die für den Systembetrieb erforderlich sind.

ExpansionsflugzeugDie Erweiterungsebene kann als separate Verbindung zwischen Modulen mit ähnlichen Schnittstellen oder zur Überbrückung herkömmlicher Schnittstellen in einer eingeschränkteren Topologie wie einem Bus oder Ring verwendet werden.

Pins, die nicht als Teil einer dieser Ebenen definiert sind, sind in der Regel benutzerdefiniert und stehen für die Durchleitung von Tochter- oder Mezzanine-Karten oder zu Rear Transition Modules (RTM) zur Verfügung. Für eine maximale Wiederverwendung von Modulen sollten die benutzerdefinierten Pins konfigurierbar sein, damit sie nicht mit Modulen in Konflikt geraten, die dieselben Pins auf andere Weise verwenden. Weitere Einzelheiten finden Sie in ANSI/VITA 65.0.

Eine Evaluierung von OpenVPX hinsichtlich der Speicherplatznutzung ergab mehrere Mängel. Die Haupteinschränkung war das Fehlen verfügbarer Funktionen zur Unterstützung einer vollständigen, einzelfehlertoleranten und äußerst zuverlässigen Konfiguration. Versorgungssignale wurden über Busse übertragen und unterstützten in den meisten Fällen nur einen Signalsatz über Signalpins zu einem Modul. Daher kann es bei einem reinen OpenVPX-System zu mehreren Ausfällen kommen. Darüber hinaus wurde in VITA 46.11 kein vollständiger Management-Kontrollmechanismus definiert.

Aus Protokollsicht ist SpaceWire die dominierende Daten- und Steuerungsebenenschnittstelle mittlerer Geschwindigkeit für die meisten Raumfahrzeuge. Die typischen OpenVPX-Steuerungsebenen sind jedoch PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) oder Ethernet, die in Raumfahrtanwendungen im Allgemeinen nicht verwendet werden. (Hinweis: Gigabit-Ethernet wurde zur Revision 2022 des SpaceVPX-Standards hinzugefügt.)

Das Ziel von SpaceVPX besteht darin, ein akzeptables Maß an Fehlertoleranz zu erreichen und gleichzeitig ein angemessenes Maß an Kompatibilität mit vorhandenen OpenVPX-Komponenten aufrechtzuerhalten, einschließlich der Anschluss-Pin-Belegungen für die Platine und die Rückwandplatine (Abbildung 1).

Aus Gründen der Fehlertoleranz gilt ein Modul (definiert als eine gedruckte Drahtbaugruppe, die definierten mechanischen und elektrischen Spezifikationen entspricht) als Element mit minimaler Redundanz oder als Bereich mit minimaler Fehlereindämmung. Die Versorgungsebene und die Steuerungsebene innerhalb von SpaceVPX sind alle redundant verteilt und in Sterntopologien, Doppelsterntopologien, Teilnetztopologien oder Vollnetztopologien angeordnet, um Fehlertoleranz für das gesamte System zu gewährleisten.

Um das gewünschte Maß an Fehlertoleranz zu erreichen, müssen die Signale der Versorgungsebene doppelt redundant sein und auf jede SpaceVPX-Kartenfunktion umgeschaltet werden.

In einer Handelsstudie, die 2010 in Zusammenarbeit zwischen Regierung und Industrie mit Unterstützung der SpaceVPX-Arbeitsgruppe durchgeführt wurde, wurden verschiedene Implementierungen verglichen, einschließlich der Hinzufügung des Switchings zu jeder Karte auf unterschiedliche Weise und der Erstellung einer einzigartigen Switching-Karte. Der letztere Ansatz wurde gewählt, damit SpaceVPX-Karten jeweils dieselben Utility-Plane-Signale empfangen können, die eine OpenVPX-Karte empfängt, mit geringfügigen Anpassungen für etwaige Änderungen in der Topologie. Dies wurde als Space Utility Management Module (SpaceUM) bekannt, eine wichtige Grundlage des SpaceVPX-Standards.

Ein 6U-SpaceUM-Modul enthält bis zu acht Sätze von Strom- und Signalschaltern zur Unterstützung von acht SpaceVPX-Nutzlastmodulen – die 3U-Version des SpaceUM kann bis zu fünf unterstützen. Es empfängt einen Energiebus von jedem der beiden Netzteile und einen Satz Versorgungsebenensignale von jeder der beiden Systemcontrollerfunktionen, die in der SpaceVPX-Rückwandplatine erforderlich sind. Die verschiedenen Teile des SpaceUM-Moduls erfordern keine eigene Redundanz. Für die Zuverlässigkeitsberechnung gelten sie als Erweiterungen der Stromversorgung, des Systemcontrollers und anderer SpaceVPX-Module.

Jeder Steckplatz, jedes Modul und jedes Backplane-Profil in OpenVPX ist vollständig definiert und miteinander verknüpft. Die Anpassung dieser Profile für den Einsatz im Weltraum erfordert die Angabe einer SpaceVPX-Version jedes Profils.

Slot-ProfilEin Steckplatzprofil bietet eine physische Zuordnung von Datenports zum Backplane-Anschluss eines Steckplatzes, die unabhängig von der Art des Protokolls ist, das zur Übermittlung von Daten vom Steckplatz zur Backplane verwendet wird.

Modul- und Backplane-Profile Modulprofile sind Erweiterungen der zugehörigen Steckplatzprofile, die die Zuordnung von Protokollen zu jedem Modulport ermöglichen. Ein Modulprofil enthält Informationen zu den thermischen, leistungsbezogenen und mechanischen Anforderungen für jedes Modul. Einige Modulprofile für SpaceVPX ähneln OpenVPX, was die Verwendung von OpenVPX-Modulen und Backplanes für Prototyping oder Tests am Boden ermöglicht. Allerdings unterscheiden sich die meisten Modulprofile für Weltraumanwendungen erheblich von Profilen für Bodenanwendungen, sodass vollständige Spezifikationen im Einklang mit SpaceVPX erforderlich sind. Der Abschnitt des SpaceVPX-Standards, der diese Profile definiert, bildet einen Großteil des Standards.

Verbindungen sind ein weiterer wichtiger Teil von SpaceVPX. Wie andere Elemente des Standards basieren sie auf Verbindungen, die für OpenVPX entwickelt, aber für extreme Weltraumumgebungen ausgelegt sind.

Problematische Temperaturen, Vibrationen, Ausgasungen und andere Faktoren können Verbindungssysteme sowie die Signal- und Leistungsintegrität katastrophal beeinträchtigen. Seit Jahrzehnten verlassen sich Entwickler von Raumfahrtanwendungen auf maßgeschneiderte Verbindungsdesigns, um die Zuverlässigkeit eingebetteter Elektronik sicherzustellen, die den extremen Bedingungen im Weltraum ausgesetzt ist. Die hohen Kosten und langen Vorlaufzeiten einer kundenspezifischen Verbindungslösung galten einst als lohnende Investition gegen Ausfälle, die extrem kostspielig oder im Weltraum nicht zu beheben waren.

Heutzutage senkt der Einsatz von Standardverbindungen die Kosten, verbessert die Verfügbarkeit und bereitet den Weg für zukünftige Erweiterungen vor.

Durch die Nutzung der OpenVPX-Architektur bringt SpaceVPX die Verbindungslösungen ein, die in den VITA-Standards definiert sind und umfangreiche Tests durchlaufen haben, um ihren Einsatz im Weltraum zu unterstützen.

Die SpaceVPX-Steckplatzprofile definieren die Verwendung von VPX-Anschlüssen (VITA 46 oder alternative VPX-Anschlüsse) und ermöglichen die Implementierung von HF- (VITA 67) und optischen (VITA 66) Modulen an der Schnittstelle zwischen Plug-in-Modul und Backplane. Netzteile folgen dem VITA 62-Standard, der auch die Netzteilanschlussschnittstelle definiert. Für XMC-Mezzanine-Karten in Steckmodulen werden XMC 2.0-Stecker nach VITA 61 empfohlen. Anstatt neue Anschlüsse mit besonderen Eigenschaften zu definieren, verweisen SpaceVPX-Steckplatzprofile auf die entsprechenden VITA-Anschlussstandards, die die OpenVPX-Architektur unterstützen.

Der VITA 46 VPX-Anschluss ist die ursprüngliche VPX-Verbindung. Es basiert auf dem MULTIGIG RT 2-Stecker von TE Connectivity (TE), der 2006 im VITA 46-Standard veröffentlicht wurde.

Die MULTIGIG RT-Steckverbinderfamilie bietet Entwicklern ein einfach zu implementierendes, modulares, standardisiertes und kostengünstiges Verbindungssystem, das dazu beiträgt, die Zuverlässigkeit ihrer Embedded-Computing-Anwendungen für Raumfahrtsysteme sicherzustellen.

MULTIGIG RT-Steckverbinder wurden von TE umfangreichen Tests unterzogen, um ihre Eignung für den Weltraum sicherzustellen, darunter:

Die meisten Konstrukteure von Raumfahrtsystemen verwenden MULTIGIG RT-Steckverbinder, um ihre Anforderungen zu erfüllen, ohne physische Änderungen am Design oder an Materialien und Oberflächen vorzunehmen. Wenn nur minimale Änderungen erforderlich sind (z. B. wird ein höherer Bleigehalt [40 %] in den Kontaktfahnen für eine stärkere Abschwächung der Zinn-Whisker-Bildung angegeben), sind zusätzliche Screening-Tests erforderlich, die auf den Benutzer- oder Programmanforderungen basieren, aber die Herstellungsprozesse für Steckverbinder sind relativ Das Gleiche trägt zur Verbesserung von Kosten und Verfügbarkeit bei.

HF- und optische Anschlussmodule können in einen OpenVPX-Steckplatz integriert werden, um Signale über die Rückwandplatine zum/vom Plug-in-Modul zu übertragen. Diese Anschlussmodule werden auf den Platinen montiert (einschließlich standardmäßiger Öffnungsausschnitte auf der Rückwandplatine), um mehrere Koaxialkontakte oder optische Fasern aufzunehmen. Sie können ausgewählte VITA 46-Anschlüsse innerhalb eines Steckplatzes ersetzen. Diese HF- und optischen Steckverbindermodule und Kontakte wurden in Satellitensystemen verwendet und eignen sich für andere Anwendungen im Weltraum.

VITA 67 ist der Basisstandard für HF-Module. VITA 67.3 wird für die SpaceVPX-Architektur mit Öffnungen verwendet, die in spezifischen Steckplatzprofilen für HF- und optische Anschlussmodule definiert sind. VITA 67.3 bietet koaxiale Kontaktlösungen mit den anfänglichen Subminiatur-Push-on-Micro-Kontakten (SMPM) sowie koaxialen Schnittstellen mit höherer Dichte, NanoRF und Schaltnetzteil (SMPS), wodurch die Kontaktdichte um das Zwei- bis Dreifache erhöht werden kann SMPM. Mit einer neuen Überarbeitung von VITA 67.3 wurde begonnen, 75-Ohm-Koaxialschnittstellen hinzuzufügen, um Videos mit höherer Geschwindigkeit zu unterstützen.

VITA 66 ist der Basisstandard für optische Module, mit MT-Ferrulen als primärer optischer Schnittstelle zwischen Steckmodul und Backplane. Die Öffnungen in den SpaceVPX-Steckplatzprofilen nehmen optische und hybride HF-/optische Anschlussmodule auf, die den Anforderungen von VITA 66.5 entsprechen. MT-Schnittstellen können für höchste Dichte mit 12 oder 24 Fasern spezifiziert werden.

XMC-Mezzanine-Karten können auf SpaceVPX-Plug-in-Modulen implementiert werden, um I/O und andere Funktionen hinzuzufügen. VITA 61 XMC 2.0, der auf dem Mezalok-Stecker von TE basierende Standard, ist der empfohlene XMC-Stecker im SpaceVPX-Standard. Der Mezalok-Stecker verfügt über mehrere Kontaktpunkte pro Pin und unterstützt so die für Raumfahrtanwendungen erforderliche Redundanz. Der Steckverbinder erfüllt die Ausgasungsanforderungen und wurde in extremen Umgebungen getestet – einschließlich 2000 thermischen Zyklen von -55 °C bis +125 °C ohne Lötstellenfehler.

Durch die Nutzung der OpenVPX-Architektur kann SpaceVPX auch die OpenVPX-Verbindungs-Roadmap nutzen, die Lösungen mit schnelleren Geschwindigkeiten, höherer Dichte, geringerer Größe und geringerem Gewicht bietet. Es gibt erhebliche Aktivitäten mit neuen und überarbeiteten VITA-Standards zur Definition von Technologien, die Embedded Computing der nächsten Generation unterstützen.

MULTIGIG RT 3-Steckverbinder mit höherer Datenrate sind in VITA 46.30 (kompatibler Stift) und 46.31 (Lötfahne) verfügbar und standardisiert, um Kanäle bis 25–32 Gigabit pro Sekunde zu unterstützen und 100G Ethernet sowie PCI Gen 4 und 5 zu unterstützen. Diese können integriert werden ein SpaceVPX-Steckplatz, der VITA 46.0-Anschlüsse ersetzt.

Die neueste Überarbeitung des VITA 67.3-Standards umfasst HF-Schnittstellen mit höherer Dichte, NanoRF und SMPS, wodurch Größe und Gewicht reduziert werden – beides ist für Raumfahrtsysteme von entscheidender Bedeutung – und höhere Frequenzen bis 70 GHz möglich sind. Mit einer neuen Überarbeitung von VITA 67.3 wurde begonnen, 75-Ohm-Koaxialschnittstellen innerhalb eines Anschlussmoduls hinzuzufügen, um Videoprotokolle mit höherer Geschwindigkeit zu unterstützen.

Der VITA 66.5-Standard wird 2022 veröffentlicht und dokumentiert optische Schnittstellen mit höherer Dichte, bringt bis zu drei MT-Schnittstellen in ein Halbmodul und ermöglicht die Integration eines festen Edge-Mount-Transceivers. Darüber hinaus bietet VITA 66.5 Lösungen mit NanoRF-Kontakten und optischen MTs, die in ein gemeinsames Anschlussmodul integriert sind und so eine beispiellose Dichte innerhalb eines OpenVPX-Steckplatzes bieten.

Die neuen Stromversorgungsstandards VITA 62 berücksichtigen die dreiphasige Stromversorgung (VITA 62.1) und höhere Eingangsspannungen von 270 VDC (VITA 62.2). Neue MULTIBEAM XLE-Steckverbinder von TE mit Isolierlamellen ermöglichen dieses Upgrade für höhere Spannungsebenen bei Beibehaltung der gleichen VITA 62.0-Schnittstelle.

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Patrick Collier ist Open Systems Architect und leitender Systemingenieur bei der Aspen Consulting Group. Sein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Nutzung offener Architekturen für Weltraum- und Nicht-Weltraumanwendungen. Zuvor war Patrick Open Systems Architect und Systems Engineer bei L3Harris. Zuvor war er leitender Hardware-Ingenieur bei PMA-209 NAVAIR, wo er sich auf die Entwicklung der Hardware Open Systems Technology (HOST)-Standards konzentrierte. Sein erster Auftrag war als leitender Elektroforschungsingenieur beim Air Force Research Laboratory Space Vehicles Directorate. Während seiner Zeit bei AFRL gründete er zusammen mit Raphael Some (NASA JPL) den Next Generation Space Interconnect Standard (NGSIS). Patrick gründete außerdem die Projekte VITA 78 (SpaceVPX) und VITA 78.1 (SpaceVPXLite) und leitet diese derzeit. Er ist außerdem Mitbegründer der Sensor Open System Architecture (SOSA) und Vorsitzender der Hardware-Arbeitsgruppe. Darüber hinaus war er leitend für die Space Universal Modular Architecture (SUMO), wo er daran arbeitete, bestehende weltraumbezogene Standards und Architekturen in SUMO zu integrieren.

Michael Walmsley, globaler Produktmanager für TE Connectivity, verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung mit Verbindungen, hauptsächlich in den Bereichen Technik und Produktmanagement. Zu seinen Fachgebieten gehören Verbindungslösungen für Embedding Computing, robuste Hochgeschwindigkeits-Board-Level- und HF-Steckverbinder. Michael ist Vorstandsmitglied der VITA Standards Organization (www.vita.org), die Technologie und Standards für die Bus- und Board-Industrie vorantreibt. Er ist außerdem aktiv an VITA und Sensor Open System Architecture (SOSA) beteiligt. Michael hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau von der University of Rochester und einen MBA von der Penn State.