SpaceVPX (VITA 78) y el mundo de la interconexión

Sep 17, 2023

Durante décadas, las arquitecturas de sistemas abiertos y los estándares abiertos han ayudado a acelerar la innovación para los usuarios finales en aplicaciones aeroespaciales y de defensa a través del desarrollo de interfaces abiertas, clave y bien definidas. Hoy en día, los diseñadores y desarrolladores de sistemas espaciales realmente están adoptando el estándar SpaceVPX (VITA 78), que aprovecha la arquitectura OpenVPX (VITA 65.0) a través de sus bloques de construcción de nivel de perfil de módulo y perfil de ranura, que crean soluciones de interconexión basadas en la necesidad del usuario.

Explore los conceptos básicos de SpaceVPX con los diseñadores de la interconexión VPX y SpaceVPX. Conozca el origen del estándar, las ventajas de SpaceVPX frente a OpenVPX, los cambios recientes en el estándar y la importancia de las interconexiones estándar que reducen los costos, dan como resultado una cadena de suministro más sólida y mantienen un camino para la expansión futura.

SpaceVPX es un estándar para crear tarjetas enchufables (PIC) a partir de su perfil de ranura y perfiles de módulo (protocolo). A su vez, estos componentes básicos crean subsistemas y sistemas interconectados. Desarrollado bajo los auspicios de The Next Generation Space Interconnect Standard (NGSIS), es el resultado de una colaboración entre el gobierno y la industria. El objetivo principal de SpaceVPX es eliminar de manera rentable el ancho de banda como una restricción para los futuros sistemas espaciales.

SpaceVPX se basa en el estándar OpenVPX de VITA (VMEbus International Trade Association) con mejoras que amplían el estándar para aplicaciones espaciales.

El equipo de NGSIS seleccionó la familia de estándares OpenVPX como la base física para el nuevo estándar SpaceVPX porque VPX admite factores de forma de 3U y 6U con características reforzadas y refrigeradas por conducción adecuadas para su uso en entornos extremos. La infraestructura de OpenVPX también permite crear prototipos y probar SpaceVPX en el terreno.

SpaceVPX se basa en varios estándares, algunos de los cuales forman parte de la familia OpenVPX del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI)/VITA y la Cooperación Europea para la Estandarización Espacial (ECSS):

OpenVPX es un conjunto definido de implementaciones de sistemas dentro de VPX que especifica un conjunto de arquitecturas de sistemas. OpenVPX organiza las conexiones en cuatro planos principales de interconexión: datos, control, utilidad y expansión.

Plano de datosEl plano de datos incorpora conexiones de tejido multigigabit de alta velocidad entre módulos para transportar datos de carga útil y de misión.

Plano de controlEl plano de control, también una conexión de estructura, normalmente tiene menos capacidad y se usa para configuración, configuración, diagnóstico y otras funciones de control operativo dentro de la carga útil y para transferencias de datos a menor velocidad.

Avión utilitarioEl plano de utilidad proporciona la configuración y el control de las funciones básicas del módulo para la secuenciación de potencia, diagnósticos de bajo nivel, relojes y otras señales básicas necesarias para el funcionamiento del sistema.

Plano de expansiónEl plano de expansión se puede usar como una conexión separada entre módulos que usan interfaces similares o para unir interfaces heredadas en una topología más limitada, como un bus o un anillo.

Los pines que no están definidos como parte de ninguno de estos planos suelen ser definidos por el usuario y están disponibles para transferencia desde tarjetas secundarias o intermedias, o hacia módulos de transición posteriores (RTM). Para una reutilización máxima del módulo, los pines definidos por el usuario deben ser configurables para no interferir con los módulos que usan los mismos pines de manera diferente. Consulte ANSI/VITA 65.0 para obtener más detalles.

Una evaluación de OpenVPX para el uso del espacio reveló varias deficiencias. La principal limitación fue la falta de funciones disponibles para admitir una configuración completa, tolerante a un solo fallo y altamente confiable. Las señales de servicios públicos estaban distribuidas y, en la mayoría de los casos, admitían solo un conjunto de señales a través de pines de señal a un módulo. Como resultado, un sistema OpenVPX puro tiene oportunidades para fallas múltiples. Además, no se definió por completo un mecanismo completo de control de gestión con VITA 46.11.

Desde la perspectiva del protocolo, SpaceWire es la interfaz de plano de control y datos de velocidad media dominante para la mayoría de las naves espaciales, aunque los planos de control típicos de OpenVPX son la interconexión de componentes periféricos exprés (PCIe) o Ethernet, que generalmente no se utilizan en aplicaciones espaciales. (Nota: Gigabit Ethernet se agregó a la revisión de 2022 del estándar SpaceVPX).

El objetivo de SpaceVPX es lograr un nivel aceptable de tolerancia a fallas, al mismo tiempo que se mantiene un nivel razonable de compatibilidad con los componentes OpenVPX existentes, incluidas las asignaciones de pines del conector para la placa y el backplane (Figura 1).

A los efectos de la tolerancia a fallas, un módulo (definido como un conjunto de cables impresos que se ajusta a las especificaciones mecánicas y eléctricas definidas) se considera el elemento de redundancia mínima o la región mínima de contención de fallas. El plano de servicios y el plano de control dentro de SpaceVPX se distribuyen de manera redundante y se organizan en topologías de estrella, topologías de doble estrella, topologías de malla parcial o topologías de malla completa para brindar tolerancia a fallas en todo el sistema.

Para cumplir con el nivel deseado de tolerancia a fallas, las señales del plano de servicios públicos deben tener doble redundancia y cambiarse a cada función de la tarjeta SpaceVPX.

Un estudio comercial, realizado en 2010 a través de una colaboración del gobierno y la industria con el apoyo del Grupo de trabajo SpaceVPX, comparó varias implementaciones, incluida la adición de la conmutación a cada tarjeta de varias maneras y la creación de una tarjeta de conmutación única. Se seleccionó el último enfoque para que las tarjetas SpaceVPX puedan recibir las mismas señales de plano de servicios que recibe una tarjeta OpenVPX con ajustes menores para cualquier cambio en la topología. Esto se conoció como el módulo de administración de servicios públicos espaciales (SpaceUM), una base importante del estándar SpaceVPX.

Un módulo SpaceUM de 6U contiene hasta ocho conjuntos de interruptores de alimentación y señal para admitir ocho módulos de carga útil SpaceVPX; la versión 3U de SpaceUM puede admitir hasta cinco. Recibe un bus de alimentación de cada una de las dos fuentes de alimentación y un conjunto de señales del plano de servicios públicos de cada una de las dos funciones del controlador del sistema requeridas en la placa posterior SpaceVPX. Las diversas partes del módulo SpaceUM no requieren su propia redundancia. Se consideran extensiones de la fuente de alimentación, el controlador del sistema y otros módulos SpaceVPX para el cálculo de confiabilidad.

Cada ranura, módulo y perfil de backplane en OpenVPX está completamente definido e interconectado. La adaptación de estos perfiles para su uso en el espacio requiere la especificación de una versión SpaceVPX de cada perfil.

Perfil de ranuraUn perfil de ranura proporciona un mapeo físico de los puertos de datos en el conector del panel posterior de una ranura, que es independiente del tipo de protocolo utilizado para transmitir datos desde la ranura al panel posterior.

Perfiles de módulo y backplane Los perfiles de módulo son extensiones de los perfiles de ranura que los acompañan y permiten la asignación de protocolos a cada puerto de módulo. Un perfil de módulo incluye información sobre los requisitos térmicos, de energía y mecánicos para cada módulo. Algunos perfiles de módulos para SpaceVPX son similares a OpenVPX, lo que permite el uso de módulos y backplanes de OpenVPX para la creación de prototipos o pruebas en tierra. Sin embargo, la mayoría de los perfiles de módulos para aplicaciones espaciales son significativamente diferentes de los perfiles para aplicaciones terrestres, por lo que se requieren especificaciones completas consistentes con SpaceVPX. La sección del estándar SpaceVPX que define estos perfiles constituye la mayoría del estándar.

Las interconexiones son una parte más crítica de SpaceVPX. Al igual que con otros elementos del estándar, se basan en interconexiones desarrolladas para OpenVPX, pero diseñadas para el entorno espacial extremo.

Temperaturas, vibraciones, desgasificación y otros factores problemáticos pueden comprometer catastróficamente los sistemas de interconexión, así como la integridad de la señal y la energía. Durante décadas, los diseñadores de aplicaciones espaciales han confiado en diseños de interconexión personalizados para garantizar la confiabilidad de la electrónica integrada expuesta a los extremos del espacio. El alto costo y los largos plazos de entrega de una solución de interconexión personalizada alguna vez se consideraron una inversión valiosa frente a fallas que son extremadamente costosas o imposibles de solucionar en el espacio.

Hoy en día, el uso de interconexiones estándar reduce los costos, mejora la disponibilidad y mantiene un camino para la expansión futura.

Al aprovechar la arquitectura OpenVPX, SpaceVPX incorpora las soluciones de interconexión que se definen en los estándares VITA y han pasado por pruebas exhaustivas para respaldar su uso en el espacio.

Los perfiles de ranura SpaceVPX definen el uso de conectores VPX (VITA 46 o conectores VPX alternativos) y permiten la implementación de módulos de RF (VITA 67) y ópticos (VITA 66) en el módulo enchufable a la interfaz del backplane. Las fuentes de alimentación siguen el estándar VITA 62, que también define la interfaz del conector de la fuente de alimentación. Para tarjetas intermedias XMC en módulos enchufables, se recomiendan conectores XMC 2.0 según VITA 61. En lugar de definir nuevos conectores con características especiales, los perfiles de ranura SpaceVPX hacen referencia a los estándares de conector VITA apropiados que admiten la arquitectura OpenVPX.

El conector VITA 46 VPX es la interconexión VPX original. Se basa en el conector MULTIGIG RT 2 de TE Connectivity (TE) que se lanzó en el estándar VITA 46 en 2006.

La familia de conectores MULTIGIG RT brinda a los diseñadores un sistema de interconexión fácil de implementar, modular, estandarizado y rentable que ayuda a garantizar la confiabilidad de sus aplicaciones informáticas integradas para sistemas espaciales.

Los conectores MULTIGIG RT han pasado por pruebas exhaustivas realizadas por TE para establecer la idoneidad para el espacio, que incluyen:

La mayoría de los diseñadores de sistemas espaciales utilizan conectores MULTIGIG RT para cumplir con sus requisitos sin cambios físicos en el diseño o los materiales y acabados. Si se requieren cambios mínimos (p. ej., se especifica un mayor contenido de plomo [40 %] en las colas de contacto para una mayor mitigación de los bigotes de estaño), se requieren pruebas de detección adicionales según los requisitos del usuario o del programa, pero los procesos de fabricación del conector son relativamente lo mismo que ayuda a mejorar el costo y la disponibilidad.

Los módulos de conectores ópticos y de RF se pueden integrar dentro de una ranura OpenVPX para transportar señales a través del backplane hacia/desde el módulo enchufable. Estos módulos conectores se montan en las placas (incluidos los recortes de apertura estándar en la placa posterior) para albergar múltiples contactos coaxiales o fibras ópticas. Pueden reemplazar conectores VITA 46 seleccionados dentro de una ranura. Estos módulos y contactos de conectores ópticos y de RF se han utilizado en sistemas satelitales y son adecuados para otras aplicaciones en el espacio.

VITA 67 es el estándar base para módulos RF. VITA 67.3 se utiliza para la arquitectura SpaceVPX con aperturas definidas dentro de perfiles de ranura específicos para módulos de conectores ópticos y de RF. VITA 67.3 ofrece soluciones de contactos coaxiales con los contactos iniciales subminiature push-on micro (SMPM), así como interfaces coaxiales de mayor densidad NanoRF y fuente de alimentación conmutada (SMPS), que pueden aumentar la densidad de contacto dos o tres veces. SMPM. Una nueva revisión de VITA 67.3 ha comenzado a agregar interfaces coaxiales de 75 ohmios para admitir video de mayor velocidad.

VITA 66 es el estándar base para módulos ópticos, con casquillos MT como interfaz óptica principal entre el módulo enchufable y la placa posterior. Las aberturas en los perfiles de ranura SpaceVPX se adaptan a los módulos de conector RF/ópticos híbridos y ópticos que cumplen con los requisitos de VITA 66.5. Las interfaces MT se pueden especificar para 12 o 24 fibras para obtener la mayor densidad.

Las tarjetas intermedias XMC se pueden implementar en módulos complementarios SpaceVPX para agregar E/S y otras funciones. VITA 61 XMC 2.0, el estándar basado en el conector Mezalok de TE, es el conector XMC recomendado en el estándar SpaceVPX. El conector Mezalok presenta múltiples puntos de contacto por pin, lo que admite la redundancia requerida para aplicaciones espaciales. El conector cumple con los requisitos de desgasificación y ha sido probado en entornos extremos, incluidos 2000 ciclos térmicos de -55 ºC a +125 ºC sin fallas en las juntas de soldadura.

Al aprovechar la arquitectura OpenVPX, SpaceVPX también puede aprovechar la hoja de ruta de interconexión de OpenVPX que aborda soluciones que tienen velocidades más rápidas, mayor densidad, tamaño más pequeño y peso más ligero. Existe una actividad significativa con los estándares VITA nuevos y revisados ​​para definir tecnologías compatibles con la computación integrada de próxima generación.

Los conectores MULTIGIG RT 3 de mayor velocidad de datos están disponibles y estandarizados en VITA 46.30 (pin compatible) y 46.31 (cola de soldadura) para admitir canales de 25 a 32 Gigabits por segundo, compatibles con 100G Ethernet y PCI Gen 4 y 5. Estos se pueden incorporar en una ranura SpaceVPX que reemplaza los conectores VITA 46.0.

La última revisión del estándar VITA 67.3 incluye interfaces de RF de mayor densidad NanoRF y SMPS, que reducen el tamaño y el peso (ambos son críticos para los sistemas espaciales) y acomodan frecuencias más altas a 70 GHz. Una nueva revisión de VITA 67.3 ha comenzado a agregar interfaces coaxiales de 75 ohmios dentro de un módulo conector para admitir protocolos de video de mayor velocidad.

El estándar VITA 66.5 se lanzará en 2022, documentando interfaces ópticas de mayor densidad, incorporando hasta tres interfaces MT en un medio módulo y permitiendo la integración de un transceptor de montaje en borde fijo. Además, VITA 66.5 ofrece soluciones con contactos NanoRF y MT ópticos integrados en un módulo conector común, lo que brinda una densidad sin precedentes dentro de una ranura OpenVPX.

Los nuevos estándares de fuente de alimentación VITA 62 han abordado la alimentación trifásica (VITA 62.1) y voltajes de entrada de 270 VCC superiores (VITA 62.2). Los nuevos conectores MULTIBEAM XLE de TE con aletas aislantes brindan esta actualización para niveles de voltaje más altos mientras mantienen la misma interfaz VITA 62.0.

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Patrick Collier es arquitecto de sistemas abiertos e ingeniero principal de sistemas en Aspen Consulting Group. Se enfoca en el desarrollo y uso de arquitecturas abiertas para aplicaciones espaciales y no espaciales. Antes de esto, Patrick fue arquitecto de sistemas abiertos e ingeniero de sistemas en L3Harris. Anteriormente, fue ingeniero de hardware líder en PMA-209 NAVAIR, donde se centró en el desarrollo del conjunto de estándares de tecnología de sistemas abiertos de hardware (HOST). Su primera asignación fue como ingeniero senior de investigación eléctrica en la Dirección de Vehículos Espaciales del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. Mientras estuvo en AFRL, fundó el Estándar de Interconexión Espacial de Próxima Generación (NGSIS) con Raphael Some (NASA JPL). Patrick también fundó y actualmente preside los esfuerzos de VITA 78 (SpaceVPX) y VITA 78.1 (SpaceVPXLite). También es cofundador de Sensor Open System Architecture (SOSA) y presidente de su Grupo de trabajo de hardware. Además, fue líder de Space Universal Modular Architecture (SUMO), donde trabajó para incorporar estándares y arquitecturas existentes relacionados con el espacio en SUMO.

Michael Walmsley, gerente global de productos de TE Connectivity, tiene más de 40 años de experiencia con interconexiones, principalmente en funciones de ingeniería y gestión de productos. Sus áreas de especialización incluyen soluciones de interconexión para integración de computación, conectores RF y a nivel de placa resistentes de alta velocidad. Michael es miembro de la junta de VITA Standards Organization (www.vita.org), que impulsa la tecnología y los estándares para la industria de autobuses y tablas. También participa activamente en VITA y Sensor Open System Architecture (SOSA). Michael tiene una licenciatura en ingeniería mecánica de la Universidad de Rochester y una maestría en administración de empresas de Penn State.