SpaceVPX (VITA 78) と相互接続の世界

何十年もの間、オープン システム アーキテクチャとオープン スタンダードは、オープンで鍵となる明確に定義されたインターフェイスの開発を通じて、航空宇宙および防衛アプリケーションのエンド ユーザーへの革新を加速するのに役立ってきました。 今日、宇宙システムの設計者と開発者は、ユーザーのニーズに基づいて相互接続ソリューションを作成するスロット プロファイルおよびモジュール プロファイル レベルのビルディング ブロックを通じて OpenVPX (VITA 78) アーキテクチャを活用する SpaceVPX (VITA 65.0) 標準を真に受け入れています。

VPX および SpaceVPX 相互接続の設計者と一緒に、SpaceVPX の基本を探ります。 標準の起源、SpaceVPX と OpenVPX の利点、標準に対する最近の変更点、およびコストを削減し、より堅牢なサプライ チェーンを実現し、将来の拡張への道を維持する標準相互接続の重要性について学びます。

SpaceVPX は、スロット プロファイルとモジュール (プロトコル) プロファイルからプラグイン カード (PIC) を作成するための標準です。 次に、これらのビルディング ブロックは、相互接続されたサブシステムとシステムを作成します。 The Next Generation Space Interconnect Standard (NGSIS) の後援の下で開発された、政府と産業界の協力の結果です。 SpaceVPX の主な目標は、将来の宇宙システムの制約として帯域幅を費用対効果の高い方法で取り除くことです。

SpaceVPX は VITA (VMEバス国際貿易協会) 宇宙アプリケーションの標準を拡張する拡張機能を備えた OpenVPX 標準。

NGSIS チームは、OpenVPX 標準ファミリを新しい SpaceVPX 標準の物理ベースラインとして選択しました。これは、VPX が、過酷な環境での使用に適した耐久性と伝導冷却機能を備えた 3U と 6U の両方のフォーム ファクタをサポートしているためです。 OpenVPX のインフラストラクチャは、地上での SpaceVPX のプロトタイピングとテストも可能にします。

SpaceVPX はいくつかの標準に基づいて構築されており、その一部は米国規格協会 (ANSI)/VITA および欧州宇宙標準化協力 (ECSS) OpenVPX ファミリの一部です。

• VITA 46 VPX およびその ANSI/VITA 65.0 OpenVPX 派生物 – ベースライン標準
• ANSI/VITA 60 および ANSI/VITA 63 – 互換コネクタ
• ANSI/VITA 48.2[3] – メカニカルエクステンション
• ANSI/VITA 62 – 標準化された電源モジュール
• ANSI/VITA 66 および 67 – 電気セグメントを RF または光学ソリューションに置き換える
• ANSI/VITA 46.11[4] – 管理プロトコル、SpaceVPX システムの耐障害性管理の基礎
• ECSS – SpaceWire 規格
• ECSS – リモート メモリ アクセス プロトコル (RMAP)
• ECSS – SpaceFibre 規格
• ギガビットイーサネット

OpenVPX は、一連のシステム アーキテクチャを指定する、VPX 内で定義された一連のシステム実装です。 OpenVPX は、データ、制御、ユーティリティ、および拡張の XNUMX つの主要な相互接続プレーンで接続を整理します。

データプレーン
データ プレーンには、モジュール間の高速マルチギガビット ファブリック接続が組み込まれており、ペイロードとミッション データを伝送します。

コントロールプレーン
ファブリック接続でもあるコントロール プレーンは、通常、容量が少なく、ペイロード内の構成、セットアップ、診断、およびその他の運用制御機能と低速データ転送に使用されます。

ユーティリティ プレーン
ユーティリティ プレーンは、電源シーケンス、低レベル診断、クロック、およびシステム動作に必要なその他の基本信号用の基本的なモジュール機能のセットアップと制御を提供します。

拡張面
拡張プレーンは、同様のインターフェイスを使用するモジュール間の個別の接続として使用したり、バスやリングなどのより限定されたトポロジで継承されたインターフェイスをブリッジしたりするために使用できます。

これらのプレーンの一部として定義されていないピンは、通常、ユーザー定義であり、ドーター カードまたはメザニン カードからのパススルー、またはリア トランジション モジュール (RTM) へのパススルーに使用できます。 モジュールを最大限に再利用するには、同じピンを別の方法で使用するモジュールに干渉しないように、ユーザー定義のピンを構成可能にする必要があります。 相談する ANSI / VITA 65.0 詳細については。

スペース使用量に関する OpenVPX の評価により、いくつかの欠点が明らかになりました。 主な制限は、完全なシングル フォールト トレラントで信頼性の高い構成をサポートするために利用できる機能がないことでした。 ユーティリティ信号はバスに接続され、ほとんどの場合、モジュールへの信号ピンを介して 46.11 セットの信号しかサポートされませんでした。 その結果、純粋な OpenVPX システムには複数の障害が発生する可能性があります。 さらに、VITA XNUMX では、完全な管理制御メカニズムが完全には定義されていませんでした。

プロトコルの観点から、 SpaceWire は、ほとんどの宇宙船にとって支配的な中速データおよびコントロール プレーン インターフェイスですが、一般的な OpenVPX コントロール プレーンは、宇宙アプリケーションでは一般的に使用されないペリフェラル コンポーネント インターコネクト エクスプレス (PCIe) またはイーサネットです。 (注: ギガビット イーサネットは、SpaceVPX 標準の 2022 年版に追加されました。)

SpaceVPX の目標は、ボードとバックプレーンのコネクタ ピン割り当てを含む既存の OpenVPX コンポーネントとの妥当なレベルの互換性を維持しながら、許容レベルのフォールト トレランスを達成することです (図 1.)。

フォールト トレランスの目的で、モジュール (定義された機械的および電気的仕様に準拠するプリント ワイヤ アセンブリとして定義される) は、最小の冗長要素または最小の障害封じ込め領域と見なされます。 SpaceVPX 内のユーティリティ プレーンとコントロール プレーンはすべて冗長的に分散され、スター トポロジ、デュアル スター トポロジ、部分メッシュ トポロジ、またはフル メッシュ トポロジで配置され、システム全体に耐障害性を提供​​します。

必要なレベルのフォールト トレランスを満たすには、ユーティリティ プレーンの信号をデュアル冗長化し、各 SpaceVPX カード機能に切り替える必要があります。

2010 年に SpaceVPX ワーキング グループの支援を受けて政府と業界の協力を通じて実施された取引調査では、さまざまな方法で各カードにスイッチングを追加し、独自のスイッチング カードを作成するなど、さまざまな実装を比較しました。 後者のアプローチが選択されたのは、SpaceVPX カードがそれぞれ、OpenVPX カードが受信するのと同じユーティリティ プレーン信号を受信できるようにするためです。 これは、SpaceVPX 標準の主要な基盤である Space Utility Management モジュール (SpaceUM) として知られるようになりました。

6U SpaceUM モジュールには、最大 3 セットの電源および信号スイッチが含まれており、XNUMX つの SpaceVPX ペイロード モジュールをサポートします。SpaceUM の XNUMXU バージョンは、最大 XNUMX つをサポートできます。 XNUMX つの電源のそれぞれから XNUMX つの電源バスを受信し、SpaceVPX バックプレーンで必要な XNUMX つのシステム コントローラー機能のそれぞれから XNUMX セットのユーティリティ プレーン信号を受信します。 SpaceUM モジュールのさまざまな部分は、独自の冗長性を必要としません。 それらは、信頼性の計算のために、電源、システムコントローラー、およびその他の SpaceVPX モジュールの拡張と見なされます。

OpenVPX の各スロット、モジュール、およびバックプレーン プロファイルは完全に定義され、相互にリンクされています。 これらのプロファイルを宇宙での使用に適合させるには、各プロファイルの SpaceVPX バージョンを指定する必要があります。

スロットプロファイル スロット プロファイルは、データ ポートをスロットのバックプレーン コネクタに物理的にマッピングします。これは、スロットからバックプレーンにデータを伝送するために使用されるプロトコルのタイプに依存しません。

モジュールとバックプレーンのプロファイル
モジュール プロファイルは、各モジュール ポートへのプロトコルのマッピングを可能にする、付随するスロット プロファイルの拡張です。 モジュール プロファイルには、各モジュールの熱、電力、および機械的要件に関する情報が含まれます。 SpaceVPX の一部のモジュール プロファイルは OpenVPX に似ており、OpenVPX モジュールとバックプレーンを使用して地上でのプロトタイピングまたはテストを行うことができます。 ただし、宇宙アプリケーション用のほとんどのモジュール プロファイルは、地上アプリケーション用のプロファイルとは大きく異なるため、SpaceVPX と一致する完全な仕様が必要です。 これらのプロファイルを定義する SpaceVPX 標準のセクションは、標準の大部分を形成します。

相互接続は、SpaceVPX のもう XNUMX つの重要な部分です。 標準の他の要素と同様に、それらは OpenVPX 用に開発された相互接続に基づいていますが、極端な宇宙環境用に設計されています。

問題のある温度、振動、ガス放出、およびその他の要因は、相互接続システムだけでなく、信号と電力の完全性を壊滅的に損なう可能性があります。 何十年もの間、宇宙アプリケーションの設計者は、極限の宇宙にさらされる組み込み電子機器の信頼性を確保するために、カスタマイズされた相互接続設計に依存してきました。 カスタム インターコネクト ソリューションの高コストと長いリード タイムは、非常にコストがかかる、または宇宙での修正が不可能な障害に対する価値のある投資と考えられていました。

現在、標準の相互接続を使用することで、コストが削減され、可用性が向上し、将来の拡張への道筋が維持されます。

OpenVPX アーキテクチャを活用することで、SpaceVPX は、VITA 標準で定義され、宇宙での使用をサポートするために広範なテストを経た相互接続ソリューションをもたらします。

SpaceVPX スロット プロファイルは、VPX コネクタ (VITA 46 または代替 VPX コネクタ) の使用を定義し、プラグイン モジュールからバックプレーン インターフェイスへの RF (VITA 67) および光 (VITA 66) モジュールの実装を可能にします。 電源は、VITA 62 規格に準拠しており、電源コネクタ インターフェイスも定義されています。 プラグイン モジュールの XMC メザニン カードには、VITA 2.0 に準拠した XMC 61 コネクタが推奨されます。 SpaceVPX スロット プロファイルは、特別な特性を持つ新しいコネクタを定義するのではなく、OpenVPX アーキテクチャをサポートする適切な VITA コネクタ規格を参照します。

　 ビタ46 VPX コネクタは、元の VPX 相互接続です。 TE Con​​nectivity (TE) の マルチギグ RT2 コネクタ 46 年に VITA 2006 規格でリリースされました。

MULTIGIG RT コネクタ ファミリは、設計者に、宇宙システム向けの組み込みコンピューティング アプリケーションの信頼性を確保するのに役立つ、実装が容易なモジュール式の標準化された費用対効果の高い相互接続システムを提供します。

MULTIGIG RT コネクタは、次のようなスペースへの適合性を確立するために、TE による広範なテストを受けています。

• コンプライアント (圧入) ピン技術
  テストは最小から最大の基板穴サイズとさまざまなプリント回路基板 (PCB) メッキで実行され、適合ピン設計の信頼性が検証されました。 現在、多くの宇宙用途でコンプライアント ピン技術が使用されており (従来のはんだ接続と比較して)、実装が増加しています。
• 振動
  VITA 72 スタディ グループは、極端な振動アプリケーションに対処するために結成されました。 このグループは、6U VPX テスト ユニットを 0.2 g2/Hz のランダム振動レベルに 12 時間さらす振動テストを考案しました。これは、元の VPX 標準と比較して厳しい要件です。 TE の MULTIGIG RT 2-R コネクタ — 強化された 2013 重冗長バックプレーン コネクタ コンタクト システムと頑丈なガイド ハードウェアを特長とする — この取り組みの一環としてテストに成功し、XNUMX 年以来、非常に頑丈なアプリケーションで使用されています。
• 極端な温度
  マルチギグコネクタ プラグイン モジュールの VITA 55 規格に適合した 105 年に VPX の認定を受けた当初は、-2006 ℃ ～ +47 ℃ の温度範囲にさらされていました。 宇宙システム開発者からの要求に直接応えて、MULTIGIG RT コネクタは、55 °C で 125 時間の熱への曝露および -1,000 °C からの 125 回の熱衝撃サイクルを含む、-100 °C から +55 °C までテストされ、存続しました。 C ～ +125 °C。
• ガス放出
  従来のバックプレーン コネクタ設計で使用される重いポリマー プラグイン モジュール コネクタとは異なり、MULTIGIG RT コネクタにはエア ギャップが組み込まれているため、必要なポリマーが少なくなります。 ポリマーの削減により、重量が減少し、ガス放出が減少します。 MULTIGIG RT コネクタ材料を使用すると、総質量損失 (TML) は 1% 未満、収集された揮発性凝縮性物質 (CVCM) は 0.01% 未満であり、NASA および欧州宇宙機関 (ESA) のガス放出要件を満たしています。
• 現在の容量
  VITA 78 が開発されたとき、冗長配電および冗長管理配電の要件をサポートするために、新しいピン配置 (VITA 46 では定義されていない) をサポートする VPX コネクタが必要でした。 TE は、プラグイン モジュール コネクタ内の複数の隣接する MULTIGIG パワー ウェーハの電流容量に関する広範なテストを完了し、VITA 78 Space Utility Management モジュール アーキテクチャをサポートする新しいウェーハ構成もリリースしました。

ほとんどの宇宙システム設計者は、MULTIGIG RT コネクタを使用して、設計や材料、仕上げに物理的な変更を加えることなく要件を満たすことができます。 最小限の変更が必要な場合 (たとえば、スズ ウィスカの軽減を強化するためにコンタクト テールの鉛含有量を [40%] 高く指定するなど)、ユーザーまたはプログラムの要件に基づいて追加のスクリーニング テストが必要ですが、コネクタの製造プロセスは比較的簡単です。コストと可用性の向上に役立ちます。

RF および光コネクタ モジュールを OpenVPX スロット内に統合して、バックプレーンを介してプラグイン モジュールとの間で信号を伝送できます。 これらのコネクタ モジュールはボードに取り付けられ (バックプレーンの標準開口部カットアウトを含む)、複数の同軸コンタクトまたは光ファイバーを収容します。 スロット内の一部の VITA 46 コネクタを置き換えることができます。 これらの RF および光コネクタ モジュールおよびコンタクトは、衛星システムで使用されており、宇宙での他の用途に適しています。

VITA 67 は、RF モジュールの基本規格です。 VITA 67.3 は、RF および光コネクタ モジュール用の特定のスロット プロファイル内で定義された開口部を持つ SpaceVPX アーキテクチャに使用されます。 VITA 67.3 は、初期のサブミニチュア プッシュオン マイクロ (SMPM) コンタクトと、高密度同軸インターフェース NanoRF およびスイッチ モード電源 (SMPS) を備えた同軸コンタクト ソリューションを提供し、コンタクト密度を 67.3 ～ 75 倍に高めることができますSMPM。 VITA XNUMX の新しいリビジョンでは、より高速なビデオをサポートするために XNUMX オームの同軸インターフェイスの追加が開始されました。

VITA 66 は光モジュールの基本規格であり、プラグイン モジュールとバックプレーン間の主要な光インターフェイスとして MT フェルールが使用されています。 SpaceVPX スロット プロファイルの開口部は、VITA 66.5 の要件を満たす光およびハイブリッド RF/光コネクタ モジュールに対応します。 MT インターフェイスは、最高密度の 12 または 24 ファイバー用に指定できます。

XMC メザニン カードを SpaceVPX プラグイン モジュールに実装して、I/O やその他の機能を追加できます。 VITA 61 XMC 2.0、ベースの標準 TE の Mezalok コネクタは、SpaceVPX 標準で推奨される XMC コネクタです。 Mezalok コネクタは、ピンごとに複数の接点を備えており、宇宙用途に必要な冗長性をサポートします。 コネクタはアウトガス要件を満たし、極端な環境でテストされています。これには、-2000 ºC から +55 ºC までの 125 回の熱サイクルが含まれ、はんだ接合部の不具合はありません。

OpenVPX アーキテクチャを活用することで、SpaceVPX は OpenVPX 相互接続ロードマップも活用できます。このロードマップは、より高速、高密度、小型、軽量のソリューションに対応します。 次世代の組み込みコンピューティングをサポートするテクノロジを定義するために、新しい VITA 標準および改訂された VITA 標準に関する重要な活動があります。

より高いデータレート マルチギグRT3 コネクタは、VITA 46.30 (コンプライアント ピン) および 46.31 (はんだテール) で利用可能で標準化されており、25G イーサネットと PCI Gen 32 および 100 をサポートする、毎秒 4 ～ 5 ギガビットのチャネルをサポートします。これらは、VITA 46.0 を置き換える SpaceVPX スロットに組み込むことができます。コネクタ。

VITA 67.3 規格の最新版には、高密度の RF インターフェースである NanoRF と SMPS が含まれており、宇宙システムにとって重要なサイズと重量を削減し、70 GHz までの高周波に対応しています。 VITA 67.3 の新しいリビジョンでは、コネクタ モジュール内に 75 オームの同軸インターフェイスを追加して、より高速なビデオ プロトコルをサポートするようになりました。

VITA 66.5 規格は 2022 年にリリースされる予定で、高密度の光インターフェイスを文書化して、ハーフ モジュールに最大 66.5 つの MT インターフェイスをもたらし、固定エッジ マウント トランシーバーの統合を可能にします。 さらに、VITA XNUMX は、NanoRF コンタクトと光 MT を共通のコネクタ モジュールに統合したソリューションを提供し、OpenVPX スロット内で前例のない密度を提供します。

新しい VITA 62 電源規格は、62.1 相電源 (VITA 270) および 62.2VDC のより高い入力電圧 (VITA XNUMX) に対応しています。 新しい マルチビーム XLE コネクタ 絶縁フィンを備えた TE のこのアップグレードにより、同じ VITA 62.0 インターフェイスを維持しながら、より高い電圧レベルにアップグレードできます。

• SpaceVPX は、将来の宇宙システムの制約となる帯域幅を費用対効果の高い方法で取り除くために開発された、宇宙システム コンポーネント間の相互接続のための一連の標準です。
• SpaceVPX の目標は、既存の OpenVPX コンポーネントとの妥当なレベルの互換性を維持しながら、許容レベルのフォールト トレランスを達成することです。
• SpaceVPX 相互接続は、OpenVPX 用に開発された相互接続に基づいており、極端な宇宙環境に適応しています。
• TE のコネクタは、宇宙への適合性を確立するために広範なテストを経ており、衛星システムやその他の宇宙用途で使用されています。
• 新規および改訂された VITA 標準は、コストを削減し、コンポーネントの可用性を向上させ、将来の拡張への道筋を維持しながら、次世代の組み込みコンピューティングをサポートするテクノロジを定義し続けています。

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Patrick Collier は、オープン システム アーキテクト兼リード システム エンジニアです。 アスペンコンサルティンググループ. 彼は、宇宙と非宇宙の両方のアプリケーション向けのオープン アーキテクチャの開発と使用に焦点を当てています。 それ以前は、L3Harris のオープン システム アーキテクト兼システム エンジニアでした。 以前は、PMA-209 NAVAIR の主任ハードウェア エンジニアであり、Hardware Open Systems Technology (HOST) 標準セットの開発に注力していました。 彼の最初の任務は、空軍研究所の宇宙車両総局の上級電気研究エンジニアでした。 AFRL にいる間、彼は Raphael Some (NASA JPL) と共に次世代宇宙相互接続標準 (NGSIS) を設立しました。 パトリックはまた、VITA 78 (SpaceVPX) および VITA 78.1 (SpaceVPXLite) の取り組みを設立し、現在は議長を務めています。 また、Sensor Open System Architecture (SOSA) の共同創設者であり、そのハードウェア ワーキング グループの議長でもあります。 さらに、彼は Space Universal Modular Architecture (SUMO) のリーダーであり、既存の宇宙関連の標準とアーキテクチャを SUMO に組み込む作業を行いました。

TE Con​​nectivity のグローバル プロダクト マネージャである Michael Walmsley は、相互接続に関して 40 年以上の経験を持ち、主にエンジニアリングおよび製品管理の役割を担っています。 彼の専門分野には、エンベデッド コンピューティング用の相互接続ソリューション、堅牢な高速ボード レベル、および RF コネクタが含まれます。 Michael は、VITA Standards Organization の役員です (www.vita.org) は、バスおよびボード業界のテクノロジと標準を推進しています。 また、VITA と Sensor Open System Architecture (SOSA) の両方に積極的に関与しています。 Michael は、ロチェスター大学で機械工学の学士号を取得し、ペンシルベニア州立大学で MBA を取得しています。

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• 情報源： https://spacenews.com/spacevpx-vita-78-and-the-world-of-interconnect/