SpaceVPX (VITA 78) と相互接続の世界

Sep 17, 2023

何十年にもわたって、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、オープンで重要で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におけるエンド ユーザーへのイノベーションを加速するのに役立ってきました。 現在、宇宙システムの設計者と開発者は、SpaceVPX (VITA 78) 標準を真に受け入れています。この標準は、スロット プロファイルとモジュール 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 65.0) アーキテクチャを活用し、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します。

VPX および SpaceVPX 相互接続の設計者と一緒に、SpaceVPX の基本を学びましょう。 標準の起源、SpaceVPX と OpenVPX の利点、標準に対する最近の変更、コストを削減し、より堅牢なサプライ チェーンを実現し、将来の拡張への道筋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、これらの構成要素が相互接続されたサブシステムとシステムを作成します。 これは、次世代宇宙相互接続規格 (NGSIS) の後援の下で開発され、政府と業界の協力の成果です。 SpaceVPX の主な目標は、将来の宇宙システムの制約となる帯域幅をコスト効率よく取り除くことです。

SpaceVPX は、VITA (VMEbus International Trade Association) OpenVPX 標準に基づいており、宇宙アプリケーション向けの標準を拡張する機能強化が施されています。

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により、SpaceVPX のプロトタイピングと地上でのテストも可能になります。

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。

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、拡張という 4 つの主要な相互接続プレーンで接続を編成します。

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の基本モジュール機能のセットアップと制御を提供します。

拡張平面拡張プレーンは、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ーで従来の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、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。 詳細については、ANSI/VITA 65.0 を参照してください。

OpenVPX のスペース使用量を評価すると、いくつかの欠点が明らかになりました。 主な制限は、完全な単一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不足していることでした。 ユーティリティ信号はバス化されており、ほとんどの場合、モジュールへの信号ピンを介して 1 セットの信号のみをサポートしていました。 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、完全な管理制御メカニズムは VITA 46.11 では完全に定義されていませんでした。

プロトコルの観点から見ると、SpaceWire はほとんどの宇宙船にとって主要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 PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) またはイーサネットであり、これらは宇宙アプリケーションでは一般的に使用されません。 (注: ギガビット イーサネットは、SpaceVPX 標準の 2022 年改訂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、許容可能な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は、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みなされます。 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、システム全体に耐障害性を提供​​するためにスター 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ます。

望ましい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 プレーン信号を二重冗長化し、各 SpaceVPX カード機能に切り替える必要があります。

SpaceVPX ワーキング グループの支援を受けて政府と業界が協力して 2010 年に実施した貿易調査では、さまざまな方法で各カードにスイッチングを追加することや、独自のスイッチング カードを作成することなど、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、トポロジの変更に合わせて若干の調整を行うだけで、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 SpaceVPX カードがそれぞれ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、8 つの SpaceVPX ペイロード モジュールをサポートするための最大 8 セットの電源および信号スイッチが含まれています。SpaceUM の 3U バージョンは最大 5 つをサポートできます。 2 つの電源のそれぞれから 1 つの電源バスを受信し、SpaceVPX バックプレーンで必要な 2 つのシステム コントローラー機能のそれぞれから 1 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には、独自の冗長性は必要ありません。 これらは、信頼性計算のための電源、システム コントローラー、その他の SpaceVPX モジュールの拡張とみなされます。

OpenVPX の各スロット、モジュール、バックプレーン プロファイルは完全に定義されており、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使用するために適合させるには、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、スロットのバックプレーン コネクタ上にデータ ポートの物理的なマッピングを提供します。これは、スロットからバックプレーンへのデータの伝達に使用されるプロトコルの種類に依存しません。

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、機械的要件に関する情報が含まれています。 SpaceVPX の一部のモジュール プロファイルは OpenVPX に似ており、地上でのプロトタイピングやテストに OpenVPX モジュールとバックプレーンを使用できるようになります。 ただし、宇宙アプリケーション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 1 つの重要な部分です。 標準の他の要素と同様に、これらは OpenVPX 用に開発された相互接続に基づいていますが、極限の宇宙環境向けに設計されています。

問題のある温度、振動、ガス放出、その他の要因により、信号と電力の完全性だけでなく、相互接続システムも壊滅的に損なわれる可能性があります。 何十年もの間、宇宙アプリケーションの設計者は、宇宙の極限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。 カスタム相互接続ソリューションの高コストと長いリードタイムは、かつては、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である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、将来の拡張への道が維持されています。

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導入します。

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 標準に準拠しており、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 カードの場合は、VITA 61 ごとの XMC 2.0 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 コネクタ標準を参照します。

VITA 46 VPX コネクタは、オリジナルの VPX 相互接続です。 これは、2006 年に VITA 46 標準でリリースされた TE Con​​nectivity (TE) の MULTIGIG RT 2 コネクタに基づいています。

MULTIGIG RT コネクタ ファミリは、実装が容易なモジュール式の標準化されたコスト効率の高い相互接続システムを設計者に提供し、宇宙システム用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します。

MULTIGIG RT コネクタは、スペースへの適合性を確立するために、TE による次のような広範なテストを実施しています。

ほとんどの宇宙システム設計者は、設計や材料、仕上げに物理的な変更を加えることなく、要件を満たすために MULTIGIG RT コネクタを使用しています。 最小限の変更が必要な場合 (たとえば、錫ウィスカの軽減を高めるためにコンタクト テールの鉛含有量 [40%] を高くすることが指定されている)、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複雑です。これは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、複数の同軸コンタクトまたは光ファイバーを収容するためにボード (バックプレーンの標準開口カットアウトを含む) に取り付けられます。 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 モジュールと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も適しています。

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 プロファイル内に定義されたアパーチャを備えた SpaceVPX アーキテクチャに使用されます。 VITA 67.3 は、初期の超小型プッシュオン マイクロ (SMPM) コンタクトと、コンタクト密度を 2 ～ 3 倍に高めることができる高密度同軸インターフェイス 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ます。 SMPM。 VITA 67.3 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 75 オームの同軸インターフェイスが追加され始めています。

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 フェルールを使用します。 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、最高の密度を実現するために 12 または 24 ファイバーに指定できます。

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 およびその他の機能を追加できます。 VITA 61 XMC 2.0 は、TE の Mezalok コネクタに基づく規格であり、SpaceVPX 規格で推奨される XMC コネクタです。 Mezalok コネクタはピンごとに複数の接触点を備えており、宇宙用途に必要な冗長性をサポートします。 このコネクタはガス放出要件を満たしており、-55 °C から +125 °C までの 2000 回の熱サイクルを含む極端な環境でのテストが行​​われており、はんだ接合部の故障はありません。

OpenVPX アーキテクチャを活用することで、SpaceVPX は、高速、高密度、小型、軽量のソリューションに取り組む OpenVPX 相互接続ロードマップも活用できます。 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、新規および改訂された VITA 標準に関する重要な活動が行われています。

より高速なデータ レートの MULTIGIG RT 3 コネクタが利用可能であり、VITA 46.30 (準拠ピン) および 46.31 (はんだテール) で標準化されており、25 ～ 32 ギガビット/秒のチャネルをサポートし、100G イーサネットおよび PCI Gen 4 および 5 をサポートします。 VITA 46.0 コネクタを SpaceVPX スロットに置き換えます。

VITA 67.3 標準の最新リビジョンには、高密度 RF インターフェイス NanoRF と SMPS が含まれており、サイズと重量 (どちらも宇宙システムにとって重要です) が削減され、70 GHz までの高周波数に対応します。 VITA 67.3 の新しいリビジョンでは、より高速なビデオ プロトコルをサポートするために、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が追加され始めています。

VITA 66.5 標準は 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、最大 3 つの MT インターフェイスをハーフモジュールに組み込み、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 66.5 は、共通のコネクタ モジュールに統合された NanoRF コンタクトと光 MT を備え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、三相電源 (VITA 62.1) およびより高い 270VDC 入力電圧 (VITA 62.2) に対応しています。 絶縁フィンを備えた TE の新しい MULTIBEAM XLE コネクタは、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このアップグレードを提供します。

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Patrick Collier は、Aspen Consulting Group のオープン システム アーキテクトおよび主任システム エンジニアです。 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、Patrick は L3Harris でオープン システム アーキテクトおよびシステム エンジニアを務めていました。 以前は、PMA-209 NAVAIR のリード ハードウェア エンジニアを務め、ハードウェア オープン システム テクノロジ (HOST) の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、空軍研究所の宇宙船総局の上級電気研究エンジニアでした。 AFRL 在職中、Raphael Some (NASA JPL) とともに Next Generation Space Interconnect Standard (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、現在その議長を務めています。 彼は、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、Space Universal Modular Architecture (SUMO) のリーダーでもあり、既存の宇宙関連の標準とアーキテクチャを SUMO に組み込むことに取り組みました。

TE Con​​nectivity のグローバル プロダクト マネージャーである Michael Walmsley は、主にエンジニアリングおよび製品管理の役割において相互接続に関して 40 年以上の経験を持っています。 彼の専門分野には、組み込みコンピューティング、堅牢な高速ボードレベル、および RF コネクタのための相互接続ソリューションが含まれます。 Michael は、バスおよび乗車業界の技術と標準を推進する VITA Standards Organisation (www.vita.org) の理事です。 彼は、VITA とセンサー オープン システム アーキテクチャ (SOSA) の両方にも積極的に関わっています。 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。