SpaceVPX(VITA 78)와 상호 연결의 세계

플라톤에 의해 재발행

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수십 년 동안 개방형 시스템 아키텍처와 개방형 표준은 개방적이고 핵심적이며 잘 정의된 인터페이스의 개발을 통해 항공우주 및 국방 애플리케이션의 최종 사용자에게 혁신을 가속화하는 데 도움이 되었습니다. 오늘날 우주 시스템 설계자와 개발자는 슬롯 프로파일 및 모듈 프로파일 레벨 빌딩 블록을 통해 OpenVPX(VITA 78) 아키텍처를 활용하는 SpaceVPX(VITA 65.0) 표준을 진정으로 수용하고 있습니다. 이 표준은 사용자의 필요에 따라 상호 연결 솔루션을 생성합니다.

VPX 및 SpaceVPX 상호 연결 설계자와 함께 SpaceVPX의 기본 사항을 살펴보십시오. 표준의 기원, SpaceVPX 대 OpenVPX의 장점, 표준에 대한 최근 변경 사항 및 비용을 낮추고 보다 강력한 공급망을 만들고 향후 확장 경로를 유지하는 표준 상호 연결의 중요성에 대해 알아보십시오.

SpaceVPX는 슬롯 프로필과 모듈(프로토콜) 프로필에서 플러그인 카드(PIC)를 만들기 위한 표준입니다. 차례로 이러한 빌딩 블록은 상호 연결된 하위 시스템과 시스템을 만듭니다. NGSIS(Next Generation Space Interconnect Standard)의 후원 하에 개발된 이 제품은 정부-산업계 협력의 결과입니다. SpaceVPX의 주요 목표는 미래 우주 시스템에 대한 제약으로 대역폭을 비용 효율적으로 제거하는 것입니다.

SpaceVPX는 VITA(VMEbus 국제 무역 협회) 우주 응용 프로그램에 대한 표준을 확장하는 향상된 기능이 포함된 OpenVPX 표준.

NGSIS 팀은 OpenVPX 표준 제품군을 새로운 SpaceVPX 표준의 물리적 기준으로 선택했습니다. VPX는 극한 환경에서 사용하기에 적합한 견고하고 전도 냉각 기능을 갖춘 3U 및 6U 폼 팩터를 모두 지원하기 때문입니다. OpenVPX의 인프라는 지상에서 SpaceVPX를 프로토타이핑하고 테스트할 수도 있습니다.

SpaceVPX는 ANSI(American National Standards Institute)/VITA 및 ECSS(European Cooperation for Space Standardization) OpenVPX 제품군의 일부인 몇 가지 표준을 기반으로 구축되었습니다.

VITA 46 VPX 및 ANSI/VITA 65.0 OpenVPX 파생물 – 기준선 표준
ANSI/VITA 60 및 ANSI/VITA 63 – 호환 커넥터
ANSI/VITA 48.2[3] – 기계적 확장
ANSI/VITA 62 – 표준화된 전원 모듈
ANSI/VITA 66 및 67 – 전기 세그먼트를 RF 또는 광학 솔루션으로 교체
ANSI/VITA 46.11[4] – 관리 프로토콜, SpaceVPX 시스템의 내결함성 관리의 기초
ECSS – SpaceWire 표준
ECSS – 원격 메모리 액세스 프로토콜(RMAP)
ECSS – SpaceFibre 표준
기가비트 이더넷

OpenVPX는 시스템 아키텍처 집합을 지정하는 VPX 내에서 정의된 시스템 구현 집합입니다. OpenVPX는 데이터, 제어, 유틸리티 및 확장의 네 가지 주요 상호 연결 평면에서 연결을 구성합니다.

데이터 플레인
데이터 플레인은 페이로드와 임무 데이터를 전달하기 위해 모듈 사이에 고속 멀티기가비트 패브릭 연결을 통합합니다.

컨트롤 플레인
또한 패브릭 연결인 컨트롤 플레인은 일반적으로 용량이 적고 페이로드 내의 구성, 설정, 진단 및 기타 작동 제어 기능과 저속 데이터 전송에 사용됩니다.

유틸리티 비행기
유틸리티 플레인은 전원 시퀀싱, 저수준 진단, 클록 및 시스템 작동에 필요한 기타 기본 신호를 위한 기본 모듈 기능의 설정 및 제어를 제공합니다.

확장 평면
확장 평면은 유사한 인터페이스를 사용하는 모듈 간의 별도 연결로 사용되거나 버스 또는 링과 같은 보다 제한된 토폴로지에서 유산 인터페이스를 연결하는 데 사용할 수 있습니다.

이러한 평면의 일부로 정의되지 않은 핀은 일반적으로 사용자 정의되며 도터 또는 메자닌 카드에서 또는 RTM(후면 전환 모듈)으로 통과하는 데 사용할 수 있습니다. 모듈 재사용을 극대화하려면 동일한 핀을 다른 방식으로 사용하는 모듈을 방해하지 않도록 사용자 정의 핀을 구성해야 합니다. 찾다 ANSI/비타 65자세한 내용은 .0을 참조하세요.

공간 사용에 대한 OpenVPX의 평가는 몇 가지 결점을 드러냈습니다. 주요 제한 사항은 단일 내결함성, 매우 안정적인 구성을 지원하는 데 사용할 수 있는 기능이 없다는 것입니다. 유틸리티 신호는 버스로 연결되었으며 대부분의 경우 신호 핀을 통해 모듈에 대한 신호 세트 하나만 지원했습니다. 결과적으로 순수한 OpenVPX 시스템은 여러 번 실패할 가능성이 있습니다. 또한 VITA 46.11에서는 전체 관리 제어 메커니즘이 완전히 정의되지 않았습니다.

프로토콜 관점에서, SpaceWire 대부분의 우주선에서 지배적인 중간 속도 데이터 및 제어 평면 인터페이스이지만 일반적인 OpenVPX 제어 평면은 일반적으로 우주 응용 프로그램에서 사용되지 않는 PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) 또는 이더넷입니다. (참고: 기가비트 이더넷은 SpaceVPX 표준의 2022 개정판에 추가되었습니다.)

SpaceVPX의 목표는 수용 가능한 수준의 내결함성을 달성하는 동시에 보드 및 백플레인에 대한 커넥터 핀 할당을 포함하여 기존 OpenVPX 구성 요소와의 적절한 수준의 호환성을 유지하는 것입니다(그림 1).

그림 1 | SpaceVPX의 목표는 이중화 및 스위칭을 통해 허용 가능한 수준의 내결함성을 달성하는 것입니다. 일러스트: VITA.

내결함성을 위해 모듈(정의된 기계적 및 전기적 사양을 준수하는 인쇄된 와이어 어셈블리로 정의됨)은 최소 중복 요소 또는 최소 오류 억제 영역으로 간주됩니다. SpaceVPX 내의 유틸리티 플레인과 컨트롤 플레인은 모두 이중화되어 있으며 전체 시스템에 내결함성을 제공하기 위해 스타 토폴로지, 듀얼 스타 토폴로지, 부분 메시 토폴로지 또는 전체 메시 토폴로지로 배열됩니다.

원하는 수준의 내결함성을 충족하려면 유틸리티 평면 신호가 이중 중복이어야 하고 각 SpaceVPX 카드 기능으로 전환되어야 합니다.

2010년 SpaceVPX 워킹 그룹의 지원과 함께 정부와 업계의 협력을 통해 수행된 무역 연구에서는 각 카드에 다양한 방식으로 스위칭을 추가하고 고유한 스위칭 카드를 만드는 등 다양한 구현을 비교했습니다. 후자의 접근 방식을 선택하여 SpaceVPX 카드가 토폴로지 변경에 대한 약간의 조정으로 OpenVPX 카드가 수신하는 것과 동일한 유틸리티 평면 신호를 각각 수신할 수 있습니다. 이것은 SpaceVPX 표준의 주요 기반인 SpaceUM(Space Utility Management Module)으로 알려지게 되었습니다.

6U SpaceUM 모듈에는 3개의 SpaceVPX 페이로드 모듈을 지원하기 위해 최대 XNUMX개의 전원 및 신호 스위치 세트가 포함되어 있습니다. SpaceUM의 XNUMXU 버전은 최대 XNUMX개를 지원할 수 있습니다. XNUMX개의 전원 공급 장치 각각에서 하나의 전원 버스를 수신하고 SpaceVPX 백플레인에 필요한 XNUMX개의 시스템 컨트롤러 기능 각각에서 유틸리티 플레인 신호 세트를 수신합니다. SpaceUM 모듈의 다양한 부분에는 자체 중복성이 필요하지 않습니다. 신뢰성 계산을 위해 전원 공급 장치, 시스템 컨트롤러 및 기타 SpaceVPX 모듈의 확장으로 간주됩니다.

OpenVPX의 각 슬롯, 모듈 및 백플레인 프로파일은 완전히 정의되고 상호 연결됩니다. 공간에서 사용하기 위해 이러한 프로필을 조정하려면 각 프로필의 SpaceVPX 버전을 지정해야 합니다.

슬롯 프로필 슬롯 프로파일은 슬롯의 백플레인 커넥터에 대한 데이터 포트의 물리적 매핑을 제공하며, 이는 슬롯에서 백플레인으로 데이터를 전달하는 데 사용되는 프로토콜 유형에 영향을 받지 않습니다.

모듈 및 백플레인 프로파일
모듈 프로필은 각 모듈 포트에 대한 프로토콜 매핑을 가능하게 하는 함께 제공되는 슬롯 프로필의 확장입니다. 모듈 프로필에는 각 모듈의 열, 전력 및 기계적 요구 사항에 대한 정보가 포함됩니다. SpaceVPX의 일부 모듈 프로필은 OpenVPX 모듈과 백플레인을 사용하여 프로토타이핑 또는 지상 테스트를 가능하게 하는 OpenVPX와 유사합니다. 그러나 우주 애플리케이션을 위한 대부분의 모듈 프로필은 지상 애플리케이션을 위한 프로필과 크게 다르기 때문에 SpaceVPX와 일치하는 전체 사양이 필요합니다. 이러한 프로파일을 정의하는 SpaceVPX 표준 섹션은 대부분의 표준을 형성합니다.

상호 연결은 SpaceVPX의 또 다른 중요한 부분입니다. 표준의 다른 요소와 마찬가지로 OpenVPX용으로 개발된 인터커넥트를 기반으로 하지만 극한의 우주 환경을 위해 설계되었습니다.

문제가 있는 온도, 진동, 가스 방출 및 기타 요인은 신호 및 전원 무결성은 물론 상호 연결 시스템을 치명적으로 손상시킬 수 있습니다. 수십 년 동안 우주 애플리케이션 설계자들은 극한의 공간에 노출된 임베디드 전자 장치의 신뢰성을 보장하기 위해 맞춤형 상호 연결 설계에 의존해 왔습니다. 맞춤형 인터커넥트 솔루션의 높은 비용과 긴 리드 타임은 한때 비용이 많이 들거나 공간에서 해결할 수 없는 장애에 대비하여 가치 있는 투자로 간주되었습니다.

오늘날 표준 상호 연결을 사용하면 비용이 절감되고 가용성이 향상되며 향후 확장을 위한 경로가 유지됩니다.

OpenVPX 아키텍처를 활용하여 SpaceVPX는 VITA 표준에 정의되고 우주에서의 사용을 지원하기 위해 광범위한 테스트를 거친 상호 연결 솔루션을 제공합니다.

SpaceVPX 슬롯 프로파일은 VPX 커넥터(VITA 46 또는 대체 VPX 커넥터)의 사용을 정의하고 백플레인 인터페이스에 대한 플러그인 모듈에서 RF(VITA 67) 및 광학(VITA 66) 모듈의 구현을 가능하게 합니다. 전원 공급 장치는 전원 공급 장치 커넥터 인터페이스도 정의하는 VITA 62 표준을 따릅니다. 플러그인 모듈의 XMC 메자닌 카드의 경우 VITA 2.0당 XMC 61 커넥터가 권장됩니다. 특별한 특성을 가진 새 커넥터를 정의하는 대신 SpaceVPX 슬롯 프로필은 OpenVPX 아키텍처를 지원하는 적절한 VITA 커넥터 표준을 참조합니다.

XNUMXD덴탈의 비타 46 VPX 커넥터는 원래 VPX 상호 연결입니다. TE Connectivity(TE)를 기반으로 합니다. MULTIGIG RT 2 커넥터 46년 VITA 2006 표준으로 출시되었습니다.

MULTIGIG RT 커넥터 제품군은 설계자들에게 우주 시스템을 위한 임베디드 컴퓨팅 애플리케이션의 신뢰성을 보장하는 데 도움이 되는 구현하기 쉽고 모듈식이며 표준화되고 비용 효율적인 상호 연결 시스템을 제공합니다.

MULTIGIG RT 커넥터는 다음을 포함하여 공간에 대한 적합성을 확립하기 위해 TE의 광범위한 테스트를 거쳤습니다.

준수(압입) 핀 기술
규정 준수 핀 설계의 신뢰성을 확인하기 위해 최소-최대 보드 구멍 크기와 다양한 인쇄 회로 기판(PCB) 도금에서 테스트가 수행되었습니다. 오늘날 수많은 우주 응용 분야에서 호환 핀 기술(기존의 납땜 연결과 비교하여)을 사용하고 구현이 증가하고 있습니다.
진동
VITA 72 연구 그룹은 극도의 진동 응용 분야를 다루기 위해 구성되었습니다. 이 그룹은 6U VPX 테스트 장치에 0.2시간 동안 2g12/Hz의 임의 진동 수준을 적용하는 진동 테스트를 고안했습니다. 이는 원래 VPX 표준에 비해 엄격한 요구 사항입니다. TE의 MULTIGIG RT 2-R 커넥터 — 향상된 2013중 이중화 백플레인 커넥터 접촉 시스템과 견고한 가이드 하드웨어를 특징으로 하는 이 제품은 이러한 노력의 일환으로 성공적으로 테스트되었으며 XNUMX년부터 매우 견고한 애플리케이션에 사용되었습니다.
극한 온도
MULTIGIG 커넥터 플러그인 모듈에 대한 VITA 55 표준을 충족하는 105년 VPX에 대해 처음 자격을 얻었을 때 -2006 ˚C ~ +47 ˚C의 온도 범위에 노출되었습니다. 우주 시스템 개발자의 요구 사항에 대한 직접적인 응답으로 MULTIGIG RT 커넥터는 55°C에서 125시간의 열 노출 및 -1,000°에서 125번의 열 충격 주기에 대한 노출을 포함하여 -100°C ~ +55°C에서 테스트 및 생존했습니다. C ~ +125°C.
탈기
기존 백플레인 커넥터 설계에 사용되는 무거운 폴리머 플러그인 모듈 커넥터와 달리 MULTIGIG RT 커넥터는 에어 갭을 통합하므로 폴리머가 덜 필요합니다. 폴리머 감소는 무게를 줄이고 가스 방출을 줄입니다. MULTIGIG RT 커넥터 재료를 사용하면 총 질량 손실(TML)이 1% 미만이고 수집된 휘발성 응축성 재료(CVCM)가 0.01% 미만으로 NASA 및 유럽 우주국(ESA) 가스 배출 요구 사항을 충족합니다.
현재 용량
VITA 78이 개발될 때 이중화 전원 분배 및 이중화 관리 분배에 대한 요구 사항을 지원하기 위해 VPX 커넥터가 새로운 핀아웃(VITA 46에 정의되지 않음)을 지원해야 할 필요가 있었습니다. TE는 플러그인 모듈 커넥터 내 인접한 여러 MULTIGIG 전력 웨이퍼에 대한 전류 전달 기능에 대한 광범위한 테스트를 완료했으며 VITA 78 공간 유틸리티 관리 모듈 아키텍처를 지원하는 새로운 웨이퍼 구성도 출시했습니다.

대부분의 우주 시스템 설계자는 MULTIGIG RT 커넥터를 사용하여 설계나 재료 및 마감을 물리적으로 변경하지 않고 요구 사항을 충족합니다. 최소한의 변경이 필요한 경우(예: 주석 수염 완화를 증가시키기 위해 접촉 꼬리의 더 높은 납 함량[40%]이 지정됨) 사용자 또는 프로그램 요구 사항에 따라 추가 선별 테스트가 필요하지만 커넥터 제조 프로세스는 상대적으로 비용과 가용성을 개선하는 데 도움이 됩니다.

RF 및 광 커넥터 모듈은 OpenVPX 슬롯 내에 통합되어 백플레인을 통해 플러그인 모듈로/에서 신호를 전달할 수 있습니다. 이 커넥터 모듈은 여러 동축 접점 또는 광섬유를 수용하기 위해 보드(백플레인의 표준 조리개 컷아웃 포함)에 장착됩니다. 슬롯 내에서 일부 VITA 46 커넥터를 교체할 수 있습니다. 이러한 RF 및 광 커넥터 모듈과 접점은 위성 시스템에 사용되어 왔으며 우주의 다른 응용 분야에 적합합니다.

VITA 67은 RF 모듈의 기본 표준입니다. VITA 67.3은 RF 및 광 커넥터 모듈용 특정 슬롯 프로파일 내에 정의된 조리개가 있는 SpaceVPX 아키텍처에 사용됩니다. VITA 67.3은 초기 SMPM(sub-miniature push-on micro) 접점과 함께 접점 밀도를 67.3~75배 높일 수 있는 고밀도 동축 인터페이스 NanoRF 및 SMPS(스위치 모드 전원 공급 장치)를 사용하여 동축 접점 솔루션을 제공합니다. SMPM. VITA XNUMX의 새로운 개정판은 고속 비디오를 지원하기 위해 XNUMX옴 동축 인터페이스를 추가하기 시작했습니다.

VITA 66은 플러그인 모듈과 백플레인 사이의 기본 광 인터페이스로 MT 페룰을 사용하는 광 모듈의 기본 표준입니다. SpaceVPX 슬롯 프로파일의 구멍은 VITA 66.5의 요구 사항을 충족하는 광학 및 하이브리드 RF/광 커넥터 모듈을 수용합니다. MT 인터페이스는 최고 밀도를 위해 12개 또는 24개 섬유에 대해 지정할 수 있습니다.

XMC 메자닌 카드는 SpaceVPX 플러그인 모듈에서 구현되어 I/O 및 기타 기능을 추가할 수 있습니다. VITA 61 XMC 2.0 기반의 표준 TE의 Mezalok 커넥터는 SpaceVPX 표준에서 권장되는 XMC 커넥터입니다. Mezalok 커넥터는 핀당 여러 접점이 있어 공간 애플리케이션에 필요한 이중화를 지원합니다. 이 커넥터는 가스 방출 요구 사항을 충족하며 -2000ºC ~ +55ºC에서 125번의 열 주기를 포함하여 솔더 조인트 오류 없이 극한 환경에서 테스트되었습니다.

OpenVPX 아키텍처를 활용함으로써 SpaceVPX는 더 빠른 속도, 더 높은 밀도, 더 작은 크기 및 더 가벼운 무게를 가진 솔루션을 다루는 OpenVPX 상호 연결 로드맵을 활용할 수도 있습니다. 차세대 임베디드 컴퓨팅을 지원하는 기술을 정의하기 위해 신규 및 개정된 VITA 표준에 대한 상당한 활동이 있습니다.

더 높은 데이터 속도 멀티그 RT 3 커넥터는 VITA 46.30(준수 핀) 및 46.31(솔더 테일)로 사용 가능하고 표준화되어 초당 25-32기가비트의 채널을 지원하고 100G 이더넷 및 PCI Gen 4 및 5를 지원합니다. 이들은 VITA 46.0을 대체하는 SpaceVPX 슬롯에 통합될 수 있습니다. 커넥터.

VITA 67.3 표준의 최신 개정판에는 고밀도 RF 인터페이스 NanoRF 및 SMPS가 포함되어 우주 시스템에 중요한 크기와 무게를 줄이고 70GHz까지 더 높은 주파수를 수용합니다. VITA 67.3의 새로운 개정판은 고속 비디오 프로토콜을 지원하기 위해 커넥터 모듈 내에 75옴 동축 인터페이스를 추가하기 시작했습니다.

VITA 66.5 표준은 2022년에 발표되어 고밀도 광 인터페이스를 문서화하고 최대 66.5개의 MT 인터페이스를 하프 모듈로 가져오고 고정 에지 마운트 트랜시버의 통합을 가능하게 합니다. 또한 VITA XNUMX는 NanoRF 접점과 광학 MT가 공통 커넥터 모듈에 통합된 솔루션을 제공하여 OpenVPX 슬롯 내에서 전례 없는 밀도를 제공합니다.

새로운 VITA 62 전원 공급 장치 표준은 62.1상 전원(VITA 270) 및 더 높은 62.2VDC 입력 전압(VITA XNUMX)을 처리했습니다. 새로운 MULTIBEAM XLE 커넥터 절연 핀이 있는 TE의 제품은 동일한 VITA 62.0 인터페이스를 유지하면서 더 높은 전압 레벨을 위해 이 업그레이드를 제공합니다.

SpaceVPX는 미래 우주 시스템의 제약 조건인 대역폭을 비용 효율적으로 제거하기 위해 개발된 우주 시스템 구성 요소 간의 상호 연결을 위한 표준 세트입니다.
SpaceVPX의 목표는 기존 OpenVPX 구성 요소와의 적절한 수준의 호환성을 유지하면서 허용 가능한 수준의 내결함성을 달성하는 것입니다.
SpaceVPX 상호 연결은 극한의 우주 환경에 맞게 조정된 OpenVPX용으로 개발된 상호 연결을 기반으로 합니다.
TE 커넥터는 우주에 대한 적합성을 확립하기 위해 광범위한 테스트를 거쳤으며 위성 시스템 및 기타 우주 애플리케이션에 사용되었습니다.
신규 및 개정된 VITA 표준은 비용을 절감하고 구성 요소의 가용성을 개선하며 향후 확장 경로를 유지하면서 차세대 임베디드 컴퓨팅을 지원하는 기술을 계속해서 정의하고 있습니다.

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Patrick Collier는 Open Systems Architect이자 수석 시스템 엔지니어입니다. 아스펜 컨설팅 그룹. 그는 우주 및 비우주 애플리케이션 모두를 위한 개방형 아키텍처의 개발 및 사용에 중점을 둡니다. 그 이전에 Patrick은 L3Harris에서 개방형 시스템 설계자이자 시스템 엔지니어였습니다. 이전에 그는 PMA-209 NAVAIR에서 수석 하드웨어 엔지니어로 근무하면서 HOST(Hardware Open Systems Technology) 표준 세트 개발에 주력했습니다. 그의 첫 번째 임무는 공군 연구소 우주 차량 이사회의 선임 전기 연구 엔지니어였습니다. AFRL에서 그는 Raphael Some(NASA JPL)과 함께 NGSIS(Next Generation Space Interconnect Standard)를 설립했습니다. Patrick은 또한 VITA 78(SpaceVPX) 및 VITA 78.1(SpaceVPXLite) 작업을 설립했으며 현재 의장직을 맡고 있습니다. 그는 또한 SOSA(Sensor Open System Architecture)의 공동 창립자이자 하드웨어 워킹 그룹의 의장입니다. 또한 그는 SUMO(Space Universal Modular Architecture)의 리더로 기존의 우주 관련 표준 및 아키텍처를 SUMO에 통합하는 작업을 수행했습니다.

TE Connectivity의 글로벌 제품 관리자인 Michael Walmsley는 주로 엔지니어링 및 제품 관리 역할에서 상호 연결에 대한 40년 이상의 경험을 가지고 있습니다. 그의 전문 분야에는 임베디드 컴퓨팅, 견고한 고속 보드 레벨 및 RF 커넥터를 위한 인터커넥트 솔루션이 포함됩니다. Michael은 VITA Standards Organization(www.vita.org), 버스 및 보드 산업의 기술과 표준을 주도합니다. 또한 VITA와 SOSA(Sensor Open System Architecture) 모두에 적극적으로 참여하고 있습니다. Michael은 University of Rochester에서 기계 공학 학사 학위를, Penn State에서 MBA를 취득했습니다.