SpaceVPX (VITA 78) et le monde de l'interconnexion

Sep 17, 2023

Pendant des décennies, les architectures de systèmes ouverts et les normes ouvertes ont contribué à accélérer l'innovation pour les utilisateurs finaux dans les applications aérospatiales et de défense grâce au développement d'interfaces ouvertes, clés et bien définies. Aujourd'hui, les concepteurs et les développeurs de systèmes spatiaux adoptent véritablement la norme SpaceVPX (VITA 78), qui tire parti de l'architecture OpenVPX (VITA 65.0) grâce à son profil d'emplacement et ses blocs de construction au niveau du profil de module, qui créent des solutions d'interconnexion basées sur les besoins de l'utilisateur.

Explorez les bases de SpaceVPX avec les concepteurs de l'interconnexion VPX et SpaceVPX. Découvrez l'origine de la norme, les avantages de SpaceVPX par rapport à OpenVPX, les modifications récentes de la norme et l'importance des interconnexions standard qui réduisent les coûts, se traduisent par une chaîne d'approvisionnement plus robuste et maintiennent une voie pour une expansion future.

SpaceVPX est une norme pour la création de cartes enfichables (PIC) à partir de son profil d'emplacement et de ses profils de module (protocole). À leur tour, ces blocs de construction créent des sous-systèmes et des systèmes interconnectés. Développé sous les auspices de la norme d'interconnexion spatiale de nouvelle génération (NGSIS), il est le résultat d'une collaboration entre le gouvernement et l'industrie. L'objectif principal de SpaceVPX est de supprimer de manière rentable la bande passante en tant que contrainte pour les futurs systèmes spatiaux.

SpaceVPX est basé sur la norme OpenVPX VITA (VMEbus International Trade Association) avec des améliorations qui étendent la norme pour les applications spatiales.

L'équipe NGSIS a sélectionné la famille de normes OpenVPX comme référence physique pour la nouvelle norme SpaceVPX, car VPX prend en charge les facteurs de forme 3U et 6U avec des fonctionnalités renforcées et refroidies par conduction adaptées à une utilisation dans des environnements extrêmes. L'infrastructure d'OpenVPX permet également de prototyper et de tester SpaceVPX sur le terrain.

SpaceVPX s'appuie sur plusieurs normes, dont certaines font partie de la famille OpenVPX de l'American National Standards Institute (ANSI)/VITA et de la European Cooperation for Space Standardization (ECSS) :

OpenVPX est un ensemble défini d'implémentations système au sein de VPX qui spécifie un ensemble d'architectures système. OpenVPX organise les connexions en quatre plans d'interconnexion principaux : données, contrôle, utilitaire et expansion.

Plan de donnéesLe plan de données intègre des connexions de structure multigigabit à haut débit entre les modules pour transporter les données de charge utile et de mission.

Avion de contrôleLe plan de contrôle, également une connexion de matrice, a généralement moins de capacité et est utilisé pour la configuration, la configuration, les diagnostics et d'autres fonctions de contrôle opérationnel au sein de la charge utile et pour les transferts de données à faible vitesse.

Avion utilitaireLe plan utilitaire fournit la configuration et le contrôle des fonctions de base du module pour le séquençage de l'alimentation, les diagnostics de bas niveau, les horloges et d'autres signaux de base nécessaires au fonctionnement du système.

Plan d'expansionLe plan d'extension peut être utilisé comme une connexion séparée entre des modules utilisant des interfaces similaires ou pour ponter des interfaces patrimoniales dans une topologie plus limitée telle qu'un bus ou un anneau.

Les broches qui ne sont pas définies comme faisant partie de l'un de ces plans sont généralement définies par l'utilisateur et sont disponibles pour le passage depuis les cartes filles ou mezzanine, ou vers les modules de transition arrière (RTM). Pour une réutilisation maximale des modules, les broches définies par l'utilisateur doivent être configurables afin de ne pas interférer avec les modules qui utilisent les mêmes broches d'une manière différente. Consultez ANSI/VITA 65.0 pour plus de détails.

Une évaluation d'OpenVPX pour l'utilisation de l'espace a révélé plusieurs lacunes. La principale limitation était le manque de fonctionnalités disponibles pour prendre en charge une configuration complète, tolérante aux pannes uniques et hautement fiable. Les signaux utilitaires étaient bus et, dans la plupart des cas, ne prenaient en charge qu'un seul ensemble de signaux via des broches de signal vers un module. En conséquence, un système OpenVPX pur présente des opportunités de défaillances multiples. De plus, un mécanisme de contrôle de gestion complet n'a pas été entièrement défini avec VITA 46.11.

Du point de vue du protocole, SpaceWire est l'interface de données et de plan de contrôle à vitesse moyenne dominante pour la plupart des engins spatiaux, mais les plans de contrôle OpenVPX typiques sont des périphériques d'interconnexion de composants périphériques express (PCIe) ou Ethernet qui ne sont généralement pas utilisés dans les applications spatiales. (Remarque : Gigabit Ethernet a été ajouté à la révision 2022 de la norme SpaceVPX.)

L'objectif de SpaceVPX est d'atteindre un niveau acceptable de tolérance aux pannes, tout en maintenant un niveau raisonnable de compatibilité avec les composants OpenVPX existants, y compris les affectations de broches de connecteur pour la carte et le fond de panier (Figure 1.).

Aux fins de la tolérance aux pannes, un module (défini comme un assemblage de fils imprimés conforme à des spécifications mécaniques et électriques définies) est considéré comme l'élément de redondance minimum ou la région de confinement de défaut minimum. Le plan utilitaire et le plan de contrôle dans SpaceVPX sont tous distribués de manière redondante et sont organisés en topologies en étoile, topologies en étoile double, topologies à maillage partiel ou topologies à maillage complet pour fournir une tolérance aux pannes à l'ensemble du système.

Pour atteindre le niveau souhaité de tolérance aux pannes, les signaux du plan de service doivent être à double redondance et commutés sur chaque fonction de la carte SpaceVPX.

Une étude commerciale, menée en 2010 grâce à une collaboration entre le gouvernement et l'industrie avec le soutien du groupe de travail SpaceVPX, a comparé diverses implémentations, notamment l'ajout de la commutation à chaque carte de différentes manières et la création d'une carte de commutation unique. Cette dernière approche a été sélectionnée afin que les cartes SpaceVPX puissent chacune recevoir les mêmes signaux de plan utilitaire qu'une carte OpenVPX reçoit avec des ajustements mineurs pour tout changement de topologie. Cela est devenu connu sous le nom de module Space Utility Management (SpaceUM), une base majeure de la norme SpaceVPX.

Un module SpaceUM 6U contient jusqu'à huit ensembles de commutateurs d'alimentation et de signal pour prendre en charge huit modules de charge utile SpaceVPX - la version 3U du SpaceUM peut en prendre en charge jusqu'à cinq. Il reçoit un bus d'alimentation de chacune des deux alimentations et un ensemble de signaux de plan de service de chacune des deux fonctions de contrôleur système requises dans le fond de panier SpaceVPX. Les différentes parties du module SpaceUM ne nécessitent pas leur propre redondance. Ils sont considérés comme des extensions de l'alimentation, du contrôleur système et des autres modules SpaceVPX pour le calcul de la fiabilité.

Chaque profil d'emplacement, de module et de fond de panier dans OpenVPX est entièrement défini et interconnecté. L'adaptation de ces profils pour une utilisation dans l'espace nécessite la spécification d'une version SpaceVPX de chaque profil.

Profil de fenteUn profil d'emplacement fournit un mappage physique des ports de données sur le connecteur de fond de panier d'un emplacement, qui est indépendant du type de protocole utilisé pour acheminer les données de l'emplacement vers le fond de panier.

Profils de module et de fond de panier Les profils de module sont des extensions de leurs profils d'emplacement d'accompagnement qui permettent le mappage des protocoles à chaque port de module. Un profil de module comprend des informations sur les exigences thermiques, électriques et mécaniques pour chaque module. Certains profils de module pour SpaceVPX sont similaires à OpenVPX qui permet l'utilisation de modules et de fonds de panier OpenVPX pour le prototypage ou les tests sur le terrain. Cependant, la plupart des profils de modules pour les applications spatiales sont très différents des profils pour les applications au sol, de sorte que des spécifications complètes compatibles avec SpaceVPX sont requises. La section de la norme SpaceVPX qui définit ces profils constitue la majorité de la norme.

Les interconnexions sont une autre partie essentielle de SpaceVPX. Comme pour les autres éléments de la norme, ils sont basés sur des interconnexions développées pour OpenVPX, mais conçues pour l'environnement spatial extrême.

Les températures problématiques, les vibrations, le dégazage et d'autres facteurs peuvent compromettre de manière catastrophique les systèmes d'interconnexion ainsi que l'intégrité du signal et de l'alimentation. Pendant des décennies, les concepteurs d'applications spatiales se sont appuyés sur des conceptions d'interconnexion personnalisées pour garantir la fiabilité de l'électronique embarquée exposée aux extrêmes de l'espace. Le coût élevé et les longs délais d'exécution d'une solution d'interconnexion personnalisée étaient autrefois considérés comme un investissement rentable contre les pannes extrêmement coûteuses ou impossibles à réparer dans l'espace.

Aujourd'hui, l'utilisation d'interconnexions standard réduit les coûts, améliore la disponibilité et ouvre la voie à une expansion future.

En tirant parti de l'architecture OpenVPX, SpaceVPX apporte les solutions d'interconnexion qui sont définies dans les normes VITA et qui ont subi des tests approfondis pour prendre en charge leur utilisation dans l'espace.

Les profils d'emplacement SpaceVPX définissent l'utilisation des connecteurs VPX (VITA 46 ou connecteurs VPX alternatifs) et permettent la mise en œuvre de modules RF (VITA 67) et optiques (VITA 66) au module enfichable à l'interface de fond de panier. Les alimentations suivent la norme VITA 62, qui définit également l'interface du connecteur d'alimentation. Pour les cartes mezzanine XMC dans les modules enfichables, les connecteurs XMC 2.0 selon VITA 61 sont recommandés. Plutôt que de définir de nouveaux connecteurs avec des caractéristiques spéciales, les profils d'emplacement SpaceVPX font référence aux normes de connecteur VITA appropriées qui prennent en charge l'architecture OpenVPX.

Le connecteur VITA 46 VPX est l'interconnexion VPX d'origine. Il est basé sur le connecteur MULTIGIG RT 2 de TE Connectivity (TE) qui a été publié dans la norme VITA 46 en 2006.

La famille de connecteurs MULTIGIG RT offre aux concepteurs un système d'interconnexion facile à mettre en œuvre, modulaire, standardisé et économique qui contribue à garantir la fiabilité de leurs applications informatiques embarquées pour les systèmes spatiaux.

Les connecteurs MULTIGIG RT ont été soumis à des tests approfondis par TE pour établir leur adéquation à l'espace, notamment :

La plupart des concepteurs de systèmes spatiaux utilisent des connecteurs MULTIGIG RT pour répondre à leurs besoins sans modification physique de la conception, des matériaux et des finitions. Si des modifications minimes sont nécessaires (par exemple, une teneur en plomb plus élevée [40 %] dans les queues de contact est spécifiée pour une atténuation accrue des moustaches d'étain), des tests de dépistage supplémentaires sont nécessaires en fonction des exigences de l'utilisateur ou du programme, mais les processus de fabrication des connecteurs sont relativement le même qui aide à améliorer le coût et la disponibilité.

Des modules de connecteurs RF et optiques peuvent être intégrés dans un emplacement OpenVPX pour transporter des signaux via le fond de panier vers/depuis le module enfichable. Ces modules de connecteurs sont montés sur les cartes (y compris les découpes d'ouverture standard sur le fond de panier) pour loger plusieurs contacts coaxiaux ou fibres optiques. Ils peuvent remplacer certains connecteurs VITA 46 dans une fente. Ces modules et contacts RF et connecteurs optiques ont été utilisés dans des systèmes satellitaires et conviennent à d'autres applications dans l'espace.

VITA 67 est la norme de base pour les modules RF. VITA 67.3 est utilisé pour l'architecture SpaceVPX avec des ouvertures définies dans des profils d'emplacement spécifiques pour les modules de connecteurs RF et optiques. VITA 67.3 offre des solutions de contact coaxiaux avec les premiers contacts micro-poussoirs sous-miniatures (SMPM) ainsi que des interfaces coaxiales à haute densité NanoRF et une alimentation à découpage (SMPS), qui peuvent augmenter la densité de contact deux à trois fois plus SMPM. Une nouvelle révision de VITA 67.3 a commencé à ajouter des interfaces coaxiales de 75 ohms pour prendre en charge la vidéo à plus grande vitesse.

VITA 66 est la norme de base pour les modules optiques, avec des férules MT comme interface optique principale entre le module enfichable et le fond de panier. Les ouvertures des profilés de slot SpaceVPX accueillent des modules de connecteurs RF/optiques optiques et hybrides répondant aux exigences de VITA 66.5. Les interfaces MT peuvent être spécifiées pour 12 ou 24 fibres pour une densité maximale.

Les cartes mezzanine XMC peuvent être implémentées sur les modules plug-in SpaceVPX pour ajouter des E/S et d'autres fonctionnalités. VITA 61 XMC 2.0, la norme basée sur le connecteur Mezalok de TE, est le connecteur XMC recommandé dans la norme SpaceVPX. Le connecteur Mezalok comporte plusieurs points de contact par broche, prenant en charge la redondance requise pour les applications spatiales. Le connecteur répond aux exigences de dégazage et a été testé dans des environnements extrêmes, notamment 2 000 cycles thermiques de -55 ºC à +125 ºC sans défaillance des joints de soudure.

En tirant parti de l'architecture OpenVPX, SpaceVPX peut également tirer parti de la feuille de route d'interconnexion OpenVPX qui traite des solutions ayant des vitesses plus rapides, une densité plus élevée, une taille plus petite et un poids plus léger. Il existe une activité importante avec les normes VITA nouvelles et révisées pour définir les technologies prenant en charge l'informatique embarquée de nouvelle génération.

Des connecteurs MULTIGIG RT 3 à débit de données plus élevé sont disponibles et normalisés dans VITA 46.30 (broche conforme) et 46.31 (extrémité à souder) pour prendre en charge des canaux jusqu'à 25-32 Gigabits par seconde, prenant en charge Ethernet 100G et PCI Gen 4 et 5. Ceux-ci peuvent être incorporés dans un slot SpaceVPX remplaçant les connecteurs VITA 46.0.

La dernière révision de la norme VITA 67.3 comprend des interfaces RF à plus haute densité NanoRF et SMPS, réduisant la taille et le poids - qui sont tous deux essentiels pour les systèmes spatiaux - et acceptant des fréquences plus élevées jusqu'à 70 GHz. Une nouvelle révision de VITA 67.3 a commencé à ajouter des interfaces coaxiales de 75 ohms dans un module de connecteur pour prendre en charge des protocoles vidéo à plus grande vitesse.

La norme VITA 66.5 sera publiée en 2022, documentant les interfaces optiques à plus haute densité, réunissant jusqu'à trois interfaces MT dans un demi-module et permettant l'intégration d'un émetteur-récepteur fixe à montage sur bord. De plus, VITA 66.5 fournit des solutions avec des contacts NanoRF et des MT optiques intégrés dans un module de connecteur commun, offrant une densité sans précédent dans un slot OpenVPX.

Les nouvelles normes d'alimentation électrique VITA 62 traitent de l'alimentation triphasée (VITA 62.1) et des tensions d'entrée supérieures de 270 VCC (VITA 62.2). Les nouveaux connecteurs MULTIBEAM XLE de TE avec ailettes isolantes offrent cette mise à niveau pour des niveaux de tension plus élevés tout en conservant la même interface VITA 62.0.

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Patrick Collier est architecte de systèmes ouverts et ingénieur système principal chez Aspen Consulting Group. Il se concentre sur le développement et l'utilisation d'architectures ouvertes pour les applications spatiales et non spatiales. Avant cela, Patrick était architecte de systèmes ouverts et ingénieur système chez L3Harris. Auparavant, il était ingénieur matériel principal chez PMA-209 NAVAIR, où il s'est concentré sur le développement de l'ensemble de normes Hardware Open Systems Technology (HOST). Sa première affectation a été celle d'ingénieur principal de recherche en électricité au sein de la Direction des véhicules spatiaux du Laboratoire de recherche de l'Armée de l'air. Pendant son séjour à l'AFRL, il a fondé la norme d'interconnexion spatiale de nouvelle génération (NGSIS) avec Raphael Some (NASA JPL). Patrick a également fondé et est actuellement président des efforts VITA 78 (SpaceVPX) et VITA 78.1 (SpaceVPXLite). Il est également cofondateur de Sensor Open System Architecture (SOSA) et président de son groupe de travail sur le matériel. De plus, il a dirigé l'architecture modulaire universelle spatiale (SUMO), où il a travaillé à l'intégration des normes et architectures spatiales existantes dans SUMO.

Michael Walmsley, chef de produit mondial pour TE Connectivity, a plus de 40 ans d'expérience dans le domaine des interconnexions, principalement dans des rôles d'ingénierie et de gestion de produits. Ses domaines d'expertise comprennent les solutions d'interconnexion pour l'intégration de l'informatique, les connecteurs robustes à haut débit au niveau de la carte et les connecteurs RF. Michael est membre du conseil d'administration de la VITA Standards Organization (www.vita.org), qui pilote la technologie et les normes pour l'industrie des bus et des planches. Il est également activement impliqué dans VITA et Sensor Open System Architecture (SOSA). Michael est titulaire d'un baccalauréat en génie mécanique de l'Université de Rochester et d'un MBA de Penn State.