SpaceVPX (VITA 78) und die Welt der Verbindung

SpaceVPX ist ein Standard für die Erstellung von Steckkarten (PICs) aus seinem Steckplatzprofil und seinen Modulprofilen (Protokoll). Diese Bausteine bilden wiederum miteinander verbundene Subsysteme und Systeme. Die Norm wurde gemäß dem Next Generation Space Interconnect Standard (NGSIS) entwickelt und ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Regierung und Industrie. Das Hauptziel von SpaceVPX ist die kosteneffiziente Beseitigung der Bandbreitenbeschränkung für zukünftige Raumfahrtsysteme.

SpaceVPX basiert auf der OpenVPX-Norm der VITA (VMEbus International Trade Association) und verfügt über Erweiterungen, welche die Normen für Raumfahrtanwendungen ergänzen.

Das NGSIS-Team wählte die OpenVPX-Normenfamilie als physische Ausgangsbasis für die neue SpaceVPX-Norm, da VPX sowohl 3U- als auch 6U-Formfaktoren mit robusten und konduktionsgekühlten Funktionen unterstützt, die für den Einsatz in extremen Umgebungen geeignet sind. Die OpenVPX-Infrastruktur ermöglicht auch das Prototyping und Prüfen von SpaceVPX am Boden.

SpaceVPX basiert auf mehreren Standards, von denen einige Teil der OpenVPX-Familie des American National Standards Institute (ANSI)/VITA und der Europäischen Kooperation für Raumfahrtnormung (European Cooperation for Space Standardization, ECSS) sind:

• VITA 46 VPX und sein Derivat ANSI/VITA 65.0 OpenVPX – Basisstandard
• ANSI/VITA 60 und ANSI/VITA 63 – kompatible Steckverbinder
• ANSI/VITA 62 – standardisiertes Leistungsmodul
• ANSI/VITA 66 und 67 – Austausch von elektrischen Segmenten durch HF- oder optische Lösungen
• ANSI/VITA 46.11[4] – Managementprotokoll, die Grundlage für die fehlertolerante Verwaltung des SpaceVPX-Systems
• ECSS – SpaceWire-Norm
• ECSS – Remote Memory Access Protocol (RMAP)
• ECSS – SpaceFibre-Norm
• Gigabit-Ethernet

OpenVPX ist ein definierter Satz von Systemimplementierungen innerhalb von VPX, der eine Reihe von Systemarchitekturen spezifiziert. OpenVPX organisiert Verbindungen in vier Hauptebenen: Daten, Steuerung, Versorgung und Erweiterung.

Die Datenschicht besteht aus Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit mehreren Gigabit zwischen den Modulen zur Übertragung von Nutzlast- und Missionsdaten.

Die Steuerungsebene, ebenfalls eine Fabric-Verbindung, hat in der Regel eine geringere Kapazität und wird für die Konfiguration, Einstellung, Diagnose und andere Betriebssteuerungsfunktionen innerhalb der Nutzlast sowie für Datenübertragungen mit geringerer Geschwindigkeit verwendet.

Die Versorgungsebene ermöglicht die Einstellung und Steuerung grundlegender Modulfunktionen für die Leistungssequenzierung, Diagnose auf niedriger Ebene, Taktung und andere für den Systembetrieb erforderliche Basissignale. 

Die Erweiterungsebene kann als separate Verbindung zwischen Modulen mit ähnlichen Schnittstellen oder zur Überbrückung älterer Schnittstellen in einer kleineren Topologie, z. B. einem Bus oder Ring, verwendet werden.

Pins, die nicht als Teil einer dieser Ebenen definiert sind, sind in der Regel benutzerdefiniert und stehen für die Durchführung von Tochter- oder Mezzanine-Karten oder zu Rear Transition Modules (RTM) zur Verfügung. Um die Wiederverwendbarkeit von Modulen zu maximieren, sollten benutzerdefinierte Pins konfigurierbar sein, um Module, die dieselben Pins auf unterschiedliche Weise verwenden, nicht zu beeinträchtigen. Siehe ANSI/VITA 65.0 für weitere Informationen.

Eine Evaluierung von OpenVPX für die Weltraumnutzung ergab mehrere Mängel. Die Haupteinschränkung bestand darin, dass keine Funktionen zur Unterstützung einer vollständigen, fehlertoleranten und hochzuverlässigen Konfiguration verfügbar waren. Versorgungssignale wurden gebündelt und unterstützten in den meisten Fällen nur einen Satz von Signalen über Signalpins zu einem Modul. Ein reines OpenVPX-System ist daher anfällig für mehrere Ausfallmöglichkeiten. Darüber hinaus wurde mit VITA 46.11 kein vollständiger Management-Steuerungsmechanismus definiert.

Aus protokolltechnischer Sicht ist SpaceWire die vorherrschende Daten- und Steuerungsschnittstelle für die meisten Raumfahrzeuge mittlerer Geschwindigkeit. Die typischen OpenVPX-Steuerungsebenen allerdings sind PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) oder Ethernet, die im Allgemeinen nicht in Raumfahrtanwendungen verwendet werden.  (Anmerkung: Gigabit Ethernet wurde in die Revision 2022 der SpaceVPX-Norm aufgenommen.)

Das Ziel von SpaceVPX ist es, ein akzeptables Maß an Fehlertoleranz zu erreichen und gleichzeitig ein angemessenes Maß an Kompatibilität mit bestehenden OpenVPX-Komponenten aufrechtzuerhalten, einschließlich der Steckverbinder- und Stiftbelegungen auf der Leiterplatte und der Backplane (Abbildung 1).

Für die Zwecke der Fehlertoleranz wird ein Modul (definiert als eine gedruckte Schaltung, die den festgelegten mechanischen und elektrischen Spezifikationen entspricht) als minimales Redundanzelement oder als minimale Fehlereingrenzungszone betrachtet. Die Versorgungs- und Steuerungsebenen innerhalb von SpaceVPX sind alle redundant verteilt und in Stern-, Doppelstern, Teilnetz- oder Vollnetz-Topologien angeordnet, um Fehlertoleranz für das gesamte System zu gewährleisten.

Um das gewünschte Maß an Fehlertoleranz zu erreichen, müssen die Signale der Versorgungsebene doppelt redundant sein und auf jede SpaceVPX-Kartenfunktion geschaltet werden. 

Eine im Jahr 2010 in Zusammenarbeit von Regierung und Industrie mit Unterstützung der SpaceVPX Working Group durchgeführte kommerzielle Studie verglich verschiedene Implementierungen, einschließlich der Hinzufügung der Umschaltung zu jeder Karte auf unterschiedliche Weise und der Erstellung einer einzigen Umschaltkarte. Der letztgenannte Ansatz wurde gewählt, damit SpaceVPX-Karten die gleichen Signale empfangen können wie OpenVPX-Karten, mit geringfügigen Anpassungen für Topologieänderungen. Dies wurde als Space Utility Management Module (SpaceUM) bekannt und ist eine wichtige Grundlage der SpaceVPX-Norm.

Ein 6U-SpaceUM-Modul enthält bis zu acht Sätze von Strom- und Signalschaltern zur Unterstützung von acht SpaceVPX-Nutzlastmodulen – die 3U-Version des SpaceUM kann bis zu fünf unterstützen. Es empfängt jeweils einen Strombus von zwei Netzteilen und einen Satz von Versorgungsebenensignalen von jeder der beiden Systemcontroller-Funktionen, die auf der SpaceVPX-Backplane erforderlich sind. Die einzelnen Teile des SpaceUM-Moduls benötigen keine eigene Redundanz. Sie werden als Erweiterungen des Netzteils, des Systemcontrollers und anderer SpaceVPX-Module für die Zuverlässigkeitsberechnung betrachtet.

Jeder Steckplatz, jedes Modul und jedes Backplane-Profil in OpenVPX ist vollständig definiert und miteinander verknüpft. Die Anpassung dieser Profile für die Verwendung im Weltraum erfordert die Spezifikation einer SpaceVPX-Version jedes Profils.

Ein Steckplatzprofil stellt eine physische Zuordnung von Datenports zum Backplane Steckverbinder eines Steckplatzes bereit, die unabhängig von der Art des Protokolls ist, das für die Datenübertragung vom Steckplatz zur Backplane verwendet wird.

Modulprofile sind Erweiterungen der zugehörigen Steckplatzprofile, die die Zuordnung von Protokollen zu jedem Modulanschluss ermöglichen. Ein Modulprofil enthält Informationen über die thermischen, leistungsbezogenen und mechanischen Anforderungen für jedes Modul. Einige Modulprofile für SpaceVPX ähneln OpenVPX, was die Verwendung von OpenVPX-Modulen und Backplanes für Prototyping oder Prüfungen am Boden ermöglicht. Die meisten Modulprofile für Raumfahrtanwendungen unterscheiden sich jedoch erheblich von den Profilen für Bodenanwendungen, so dass vollständige Spezifikationen erforderlich sind, die mit SpaceVPX kompatibel sind. Der Abschnitt der SpaceVPX-Norm, der diese Profile definiert, ist ein wichtiger Teil der Norm.

Verbindungen sind ein weiterer wichtiger Bestandteil von SpaceVPX. Wie andere Elemente des Standards basieren sie auf Verbindungen, die für OpenVPX entwickelt wurden, aber für die extreme Weltraumumgebung ausgelegt sind.

Problematische Temperaturen, Schwingungen, Ausgasungen und andere Faktoren können katastrophale Auswirkungen auf Verbindungssysteme und die Signal- und Leistungsintegrität haben. Seit Jahrzehnten verlassen sich die Entwickler von Raumfahrtanwendungen auf maßgeschneiderte Verbindungsdesigns, um die Zuverlässigkeit der eingebetteten Elektronik zu gewährleisten, die den extremen Weltraumbedingungen ausgesetzt ist. Die hohen Kosten und langen Vorlaufzeiten einer kundenspezifischen Verbindungslösung galten früher als lohnende Investition gegen Ausfälle, die im Weltraum extrem teuer oder unmöglich zu beheben sind.

Die Verwendung von Standardverbindungen senkt heute die Kosten, verbessert die Verfügbarkeit und bietet die Möglichkeit für zukünftige Erweiterungen.

Unter Verwendung der OpenVPX-Architektur ermöglicht SpaceVPX Verbindungssysteme, die in den VITA-Normen definiert und umfassend für den Einsatz im Weltraum getestet wurden.

Die SpaceVPX-Steckplatzprofile definieren die Verwendung von VPX-Steckverbindern (VITA 46 oder alternative VPX-Steckverbinder) und ermöglichen die Implementierung von HF- (VITA 67) und optischen (VITA 66) Modulen an der Schnittstelle zwischen Steckmodul und Backplane. Die Stromversorgungen entsprechen der Norm VITA 62, die auch die Schnittstelle für den Anschluss der Stromversorgungen definiert. Für XMC-Mezzanine-Karten in Steckbaugruppen werden XMC 2.0 Steckverbinder nach VITA 61 empfohlen. Anstatt neue Steckverbinder mit speziellen Eigenschaften zu definieren, verweisen die SpaceVPX-Steckverbinderprofile auf die entsprechenden VITA-Steckverbindernormen, die die OpenVPX-Architektur unterstützen.

Der VITA 46  VPX Steckverbinder ist die ursprüngliche VPX-Verbindung. Er basiert auf dem MULTIGIG RT 2 Steckverbinder von TE Connectivity (TE), der 2006 in der VITA 46-Norm veröffentlicht wurde.

Die MULTIGIG RT Steckverbinderfamilie bietet Entwicklern ein einfach zu implementierendes, modulares, standardisiertes und kostengünstiges Verbindungssystem, das die Zuverlässigkeit ihrer Embedded-Computing-Anwendungen für Raumfahrtsysteme gewährleistet. 

MULTIGIG RT Steckverbinder wurden von TE Connectivity umfangreichen Prüfungen unterzogen, um ihre Eignung für die Raumfahrt zu bestimmen:

• Compliant-Pin-Technik (Press-Fit): Es wurden Prüfungen mit minimalen und maximalen Lochgrößen und verschiedenen Leiterplatten durchgeführt, um die Zuverlässigkeit der konformen Compliant-Pin-Designs zu überprüfen. Heutzutage wird die Compliant-Pin-Technik (im Vergleich zu herkömmlichen Lötverbindungen) in vielen Raumfahrtanwendungen eingesetzt, und ihre Anwendung nimmt zu.
• Schwingung: Die Studiengruppe VITA 72 wurde gegründet, um sich mit Anwendungen für extreme Schwingungen zu befassen. Die Gruppe entwickelte eine Vibrationsprüfung, bei der ein 6U-VPX-Prüfgerät 12 Stunden lang zufälligen Schwingungen von 0,2 g2/Hz ausgesetzt wurde, was im Vergleich zur ursprünglichen VPX-Norm eine strenge Anforderung darstellt. Der MULTIGIG RT 2-R Steckverbinder von TE Connectivity – mit einem verbesserten vierfach redundanten Backplane Steckverbinder-Kontaktsystem und robusten Führungskomponenten – wurde im Rahmen dieser Bemühungen erfolgreich geprüft und wird seit 2013 in äußerst robusten Anwendungen eingesetzt.
• Extreme Temperatur: MULTIGIG Steckverbinder wurden bei der ersten Qualifizierung für VPX im Jahr 2006 einem Temperaturbereich von –55 °C bis +105 °C ausgesetzt, der die VITA 47-Norm für Steckmodule erfüllte. Als direkte Antwort auf die Anforderungen der Entwickler von Raumfahrtsystemen wurden die MULTIGIG RT Steckverbinder seither geprüft und haben Temperaturen von –55 °C bis +125 °C, einschließlich 1.000 Stunden Hitzeeinwirkung bei 125 °C und 100 Temperaturwechselzyklen von –55 °C bis +125 °C, standgehalten.
• Ausgasung: Im Gegensatz zu den Steckverbindern aus schwerem Polymer, die in konventionellen Backplane Steckverbindern verwendet werden, sind die MULTIGIG RT Steckverbinder mit Luftspalten versehen, sodass weniger Polymer benötigt wird. Die Polymerreduktion reduziert das Gewicht und verringert die Ausgasung. Bei MULTIGIG RT Steckverbindermaterialien liegt der Gesamtmassenverlust (TML) unter 1 % und das gesammelte flüchtige kondensierbare Material (CVCM) unter 0,01 %, was den Ausgasungsanforderungen der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) entspricht.
• Derzeitige Kapazität: Als VITA 78 entwickelt wurde, bestand ein Bedarf an VPX Steckverbindern, um neue Pinbelegungen (nicht in VITA 46 definiert) zu unterstützen, um die Anforderungen an eine redundante Stromverteilung und eine redundante Managementverteilung zu erfüllen. TE hat umfangreiche Prüfungen zur Strombelastbarkeit mehrerer benachbarter MULTIGIG Power-Scheiben in Steckverbindern von Plug-in-Modulen durchgeführt und neue Scheiben-Konfigurationen zur Unterstützung der VITA 78 Space Utility Management Modular-Architektur veröffentlicht.

Die meisten Entwickler von Raumfahrtsystemen verwenden MULTIGIG RT Steckverbinder, um ihre Anforderungen zu erfüllen, ohne das Design oder die Materialien und Oberflächen physisch ändern zu müssen. Wenn minimale Änderungen erforderlich sind (z. B. ist ein höherer Bleigehalt [40 %] in den Kontaktenden für eine höhere Zinnwhisker-Reduktion spezifiziert), sind zusätzliche Screening-Prüfungen erforderlich, die auf den Anforderungen des Benutzers oder des Programms basieren.

HF- und optische Anschlussmodule können in einen OpenVPX-Steckplatz integriert werden, um Signale über die Backplane zum/vom Anschlussmodul zu übertragen. Diese Steckverbindermodule werden auf Leiterplatten montiert (einschließlich Standard-Backplane-Blendenaussparungen), um mehrere Koaxialkontakte oder Lichtwellenleiter aufzunehmen. Sie können ausgewählte VITA 46 Steckverbinder innerhalb eines Steckplatzes austauschen. Diese HF- und optischen Steckverbindermodule und -kontakte wurden in Satellitensystemen eingesetzt und eignen sich auch für andere Raumfahrtanwendungen.

VITA 67 ist die Basisnorm für HF-Module. VITA 67.3 wird für die SpaceVPX-Architektur mit Blenden verwendet, die in spezifischen Steckplatzprofilen für HF- und optische Steckverbindermodule definiert sind.  VITA 67.3 bietet koaxiale Kontaktlösungen mit den ursprünglichen Subminiatur-Mikrosteckkontakten (SMPM) sowie den koaxialen NanoRF- und Schaltnetzteil-Schnittstellen (Switched-Mode Power Supply, SMPS) mit höherer Dichte, die die Kontaktdichte gegenüber SMPM um das Zwei- bis Dreifache erhöhen können. Eine neue Revision von VITA 67.3 hat damit begonnen, 75 Ohm Koaxialschnittstellen hinzuzufügen, um Video mit höherer Geschwindigkeit zu unterstützen.

VITA 66 ist die Basisnorm für optische Module, wobei MT-Ferrulen die primäre optische Schnittstelle zwischen dem Plug-in-Modul und der Backplane darstellen. Die Öffnungen in den SpaceVPX-Steckplatzprofilen nehmen optische und hybride HF-Module/optische Steckverbindermodule auf, die den Anforderungen von VITA 66.5 entsprechen. MT-Schnittstellen können für 12 oder 24 Glasfasern spezifiziert werden, um die höchste Dichte zu erreichen.

XMC-Mezzanine-Karten können auf SpaceVPX-Plug-in-Modulen implementiert werden, um I/O- und andere Funktionen hinzuzufügen. VITA 61 XMC 2.0 ist der Standard, auf dem der Mezalok Steckverbinder von TE basiert. Er ist der in der SpaceVPX-Norm empfohlene XMC Steckverbinder. Der Mezalok Steckverbinder verfügt über mehrere Kontaktpunkte pro Pin und unterstützt damit die für Raumfahrtanwendungen erforderliche Redundanz. Der Steckverbinder erfüllt die Anforderungen an die Ausgasung und wurde in extremen Umgebungen getestet – einschließlich 2000 Temperaturzyklen von –55 ºC bis +125 ºC ohne Lötfehler.

Durch die Nutzung der OpenVPX-Architektur kann SpaceVPX auch von der OpenVPX-Verbindungs-Roadmap profitieren, die Lösungen mit höherer Geschwindigkeit, höherer Dichte, geringerer Größe und geringerem Gewicht vorsieht. Es gibt umfangreiche Aktivitäten mit neuen und überarbeiteten VITA-Normen, um Technologien zu definieren, die Embedded Computing der nächsten Generation unterstützen.

MULTIGIG RT 3 Steckverbinder mit höheren Datenraten sind verfügbar und in VITA 46.30 (kompatibler Pin) und 46.31 (Lötfahnen) standardisiert, um Kanäle bis zu 25-32 Gigabit pro Sekunde zu unterstützen und 100G Ethernet und PCI Gen 4 und 5 zu unterstützen. Diese können in einen SpaceVPX-Steckplatz integriert werden, der die VITA 46.0 Steckverbinder ersetzt.

Die jüngste Revision der VITA 67.3-Norm umfasst HF-Schnittstellen mit höherer Dichte, NanoRF und SMPS, die Größe und Gewicht reduzieren – beides entscheidende Faktoren für Raumfahrtsysteme – und höhere Frequenzen bis zu 70 GHz ermöglichen. Eine neue Revision der VITA 67.3 hat damit begonnen, 75 Ohm Koaxialschnittstellen innerhalb eines Steckverbindermoduls hinzuzufügen, um Videoprotokolle mit höherer Geschwindigkeit zu unterstützen.

Die Norm VITA 66.5 wurde 2022 veröffentlicht und dokumentiert optische Schnittstellen höherer Dichte, die bis zu drei MT-Schnittstellen in einem Halbmodul unterbringen und die Integration eines fest montierten Transceivers ermöglichen. Darüber hinaus bietet VITA 66.5 Lösungen mit NanoRF-Kontakten und optischen MTs, die in einem gemeinsamen Steckverbindermodul integriert sind und eine bisher unerreichte Dichte in einem OpenVPX-Steckplatz bieten.

Die neuen VITA 62-Normen für Stromversorgungen behandeln die dreiphasige Stromversorgung (VITA 62.1) und höhere Eingangsspannungen von 270 VDC (VITA 62.2). Die neuen MULTIBEAM XLE Steckverbinder von TE mit Trennlamellen bieten dieses Upgrade für höhere Spannungspegel bei gleichbleibender VITA 62.0 Schnittstelle.

• SpaceVPX ist ein Standard für Raumfahrtsystemkomponenten, der Interoperabilität und kostengünstige Bandbreitenerweiterung für zukünftige Raumfahrtsysteme ermöglicht.
• Ein primäres Ziel von SpaceVPX ist es, ein akzeptables Maß an Fehlertoleranz zu erreichen und gleichzeitig ein angemessenes Maß an Kompatibilität mit bestehenden OpenVPX-Komponenten aufrechtzuerhalten.
  
• SpaceVPX-Verbindungen basieren auf Verbindungen, die für OpenVPX entwickelt und an die extreme Weltraumumgebung angepasst wurden.
• Die Weltraumtauglichkeit der Steckverbinder von TE wurde ausgiebig geprüft. Sie kommen in Satellitensystemen und anderen Weltraumanwendungen zum Einsatz.
• Neue und überarbeitete VITA-Normen definieren weiterhin Technologien, die die nächste Generation von Embedded Computing unterstützen und gleichzeitig die Kosten senken, die Verfügbarkeit von Komponenten verbessern und den Weg für zukünftige Erweiterungen offen halten.