SpaceVPX (VITA 78) y el mundo de las conexiones

SpaceVPX es un estándar para crear tarjetas enchufables (PIC) a partir de su perfil de ranura y perfiles de módulo (protocolo). A su vez, estas piezas base crean subsistemas y sistemas conectados. Está desarrollado bajo el auspicio del Estándar de conexión espacial de última generación (NGSIS) y es el resultado de una colaboración entre el gobierno y la industria. El objetivo principal de SpaceVPX es eliminar de manera rentable el ancho de banda para que no restrinja los futuros sistemas espaciales.

SpaceVPX se basa en el estándar OpenVPX de VITA (VMEbus International Trade Association) con mejoras que amplían el estándar para aplicaciones espaciales.

El equipo de NGSIS seleccionó la familia de estándares OpenVPX como referencia para el nuevo estándar SpaceVPX, porque VPX es compatible con factores de forma 3U y 6U y cuenta con características de robustez y refrigeración por conducción ideales para entornos extremos. Con la infraestructura de OpenVPX también se crean prototipos y se realizan pruebas de SpaceVPX en tierra.

SpaceVPX se basa en varios estándares, algunos de los cuales forman parte de la familia OpenVPX del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI)/VITA y de la Cooperación Europea para la Normalización Espacial (ECSS):

• VITA 46 VPX y su derivado ANSI/VITA 65.0 OpenVPX: estándar de referencia
• ANSI/VITA 60 y ANSI/VITA 63: conectores compatibles
• ANSI/VITA 62: módulo de potencia estandarizado
• ANSI/VITA 66 y 67: sustitución de segmentos eléctricos por soluciones ópticas o de RF
• ANSI/VITA 46.11[4]: protocolo de administración, la base para el manejo con tolerancia a fallas del sistema SpaceVPX
• ECSS: estándar SpaceWire
• ECSS: protocolo de acceso remoto a memoria (RMAP)
• ECSS: estándar SpaceFibre
• Gigabit Ethernet

OpenVPX es un conjunto definido de implementaciones de sistema dentro de VPX que especifica un conjunto de arquitecturas de sistema. OpenVPX organiza las conexiones en cuatro planos principales de conexión: datos, control, servicios y expansión.

El plano de datos incorpora conexiones de estructura multigigabit de alta velocidad entre módulos para transportar datos de carga útil y de misión.

El plano de control, que también es una conexión de estructura, por lo general tiene menos capacidad y se utiliza para la configuración, el ajuste, el diagnóstico y otras funciones de control operativo dentro de la carga útil y para transferencias de datos de menor velocidad.

El plano de servicios proporciona la configuración y el control de las funciones básicas del módulo para la secuenciación de potencia, los diagnósticos de bajo nivel, los relojes y otras señales básicas necesarias para el funcionamiento del sistema. 

El plano de expansión se puede utilizar como conexión independiente entre módulos que utilizan interfaces similares o como puente en interfaces establecidas en una topología más limitada, como un bus o un anillo.

Los pines que no se definen como parte de ninguno de estos planos por lo general los define el usuario y están disponibles para el paso a través de tarjetas secundarias o mezanine, o a módulos de transición traseros (RTM). Para máxima reutilización de los módulos, los pines que el usuario define deben ser configurables para no interferir con los módulos que utilicen los mismos pines de forma diferente. Consulta ANSI/VITA 65.0 para obtener más información.

Una evaluación de OpenVPX para uso espacial reveló varias deficiencias. La principal limitación era la falta de funciones disponibles para lograr una configuración completa, con tolerancia a una sola falla y muy confiable. Las señales de servicios se conducían mediante un bus y, en la mayoría de los casos, solo se conducía un conjunto de señales por medio de pines de señal a un módulo. Como resultado, un sistema OpenVPX puede fallar de múltiples maneras. Además, no se definió un mecanismo de administración y control por completo para VITA 46.11.

Desde el punto de vista del protocolo, SpaceWire es la interfaz dominante de plano de control y datos de velocidad media en la mayoría de las naves espaciales; sin embargo, los planos de control OpenVPX típicos son de conexión exprés de componentes periféricos (PCIe) o Ethernet, que en mayor parte no se utilizan en aplicaciones espaciales.  (Nota: Gigabit Ethernet se agregó a la revisión del estándar SpaceVPX en 2022).

El objetivo de SpaceVPX es lograr un nivel aceptable de tolerancia a falla y mantener un nivel razonable de compatibilidad con los componentes OpenVPX existentes, como las asignaciones de pines de conector para PCB y backplane (figura 1).

A efectos de la tolerancia a fallas, un módulo (definido como un conjunto de cables impresos que cumple con las especificaciones mecánicas y eléctricas definidas) se considera el elemento de redundancia mínima o la región mínima de contención de fallas. El plano de servicios y el de control dentro de SpaceVPX se distribuyen de forma redundante y se organizan en topologías de estrella, de doble estrella, de malla parcial o completa para proporcionar tolerancia a fallas a todo el sistema.

Para cumplir con el nivel deseado de tolerancia a fallas, las señales del plano de servicios deben ser de doble redundancia y conmutarse a cada función de la tarjeta SpaceVPX. 

En un estudio comercial, realizado en 2010 entre el gobierno y la industria con el apoyo de un grupo de trabajo de SpaceVPX, se compararon varias implementaciones, como añadir conmutación a cada tarjeta de varias maneras y la creación de una tarjeta de conmutación única. Este último enfoque se seleccionó para que cada una de las tarjetas SpaceVPX pueda recibir las mismas señales del plano de servicios que recibe una tarjeta OpenVPX con ajustes menores para cualquier cambio en la topología. Esto se conoció como el módulo de administración de servicios espaciales (SpaceUM), un pilar importante del estándar SpaceVPX.

Un módulo SpaceUM de 6U contiene hasta ocho conjuntos de interruptores de alimentación y de señal para ocho módulos de carga útil SpaceVPX; la versión de 3U de SpaceUM es para hasta cinco. Recibe un bus de alimentación de cada una de las dos fuentes de alimentación y un conjunto de señales de servicios de cada una de las dos funciones de controlador del sistema requeridas en la backplane de SpaceVPX. Las distintas partes del módulo SpaceUM no requieren su propia redundancia. Se consideran extensiones de la fuente de alimentación, del controlador del sistema y de otros módulos SpaceVPX para el cálculo de la confiabilidad.

Cada diseño de ranura, de módulo y de backplane en OpenVPX está definido y conectado por completo. La adaptación de estos diseños para su uso en el espacio requiere la especificación de una versión SpaceVPX de cada diseño.

Un diseño de ranura proporciona una asignación física de los puertos de datos en el conector backplane de una ranura, que es independiente del tipo de protocolo que se utiliza para transmitir datos desde la ranura a la backplane.

Los diseños de módulo son extensiones de los diseños de ranura que los acompañan y que hacen posible asignar protocolos a cada puerto de módulo. Un diseño de módulo incluye información sobre los requisitos térmicos, de potencia y mecánicos para cada módulo. Algunos diseños de módulo para SpaceVPX son similares a los de OpenVPX, lo que hace posible utilizar módulos y backplanes OpenVPX para la creación de prototipos o pruebas en tierra. No obstante, la mayoría de los diseños de módulos para aplicaciones espaciales son muy diferentes a los diseños para aplicaciones terrestres, por lo que se requieren especificaciones completas coherentes con SpaceVPX. La sección del estándar SpaceVPX que define estos diseños constituye la mayor parte del estándar.

Las conexiones son otra parte crítica de SpaceVPX. Al igual que otros elementos del estándar, se basan en conexiones que fueron desarrolladas para OpenVPX, pero diseñadas para las condiciones extremas del espacio.

Las temperaturas problemáticas, la vibración, la desgasificación y otros factores pueden comprometer de manera catastrófica los sistemas de conexión, así como la integridad de la señal y de la potencia. Durante décadas, los diseñadores de aplicaciones espaciales han confiado en diseños de conexión personalizados para garantizar la confiabilidad de la electrónica integrada expuesta a las condiciones extremas del espacio. El alto costo y los largos plazos de entrega de una solución de conexión personalizada alguna vez se consideraron una inversión óptima contra fallas que son muy costosas o imposibles de arreglar en el espacio.

En la actualidad, el uso de conexiones estándar reduce los costos, mejora la disponibilidad y mantiene una trayectoria hacia la expansión futura.

Al hacer uso de la arquitectura OpenVPX, SpaceVPX incorpora las soluciones de conexión que se definen en los estándares VITA y que han sido sometidas a pruebas exhaustivas para utilizarse en el espacio.

Los diseños de ranura SpaceVPX definen el uso de conectores VPX (VITA 46 o conectores VPX alternativos) y hacen posible la implementación de módulos RF (VITA 67) y ópticos (VITA 66) en el módulo de conexión a la interfaz de la backplane. Las fuentes de alimentación siguen la norma VITA 62, que también define la interfaz del conector de la fuente de alimentación. Para las tarjetas mezanine XMC en módulos de conexión, se recomiendan conectores XMC 2.0 según VITA 61. En lugar de definir nuevos conectores con características especiales, los diseños de ranura SpaceVPX hacen referencia a los estándares de conectores VITA adecuados para la arquitectura OpenVPX.

El conector VPX VITA 46  es la conexión VPX original. Se basa en el conector MULTIGIG RT 2 de TE Connectivity que se lanzó con el estándar VITA 46 en 2006.

La familia de conectores MULTIGIG RT ofrece a los diseñadores un sistema de conexión fácil de implementar, modular, estandarizado y rentable que ayuda a garantizar la confiabilidad de las aplicaciones de computación integradas en sistemas espaciales. 

TE Connectivity ha sometido los conectores MULTIGIG RT a pruebas exhaustivas para establecer su idoneidad para el espacio, como, por ejemplo:

• Tecnología de pines compatible (press-fit): Se realizaron pruebas con tamaños de orificios de PCB mínimos y máximos, y diferentes revestimientos de PCB para verificar la confiabilidad de los diseños de pines compatibles. En la actualidad, numerosas aplicaciones espaciales utilizan tecnología de pines compatibles (en comparación con las conexiones soldadas tradicionales), y su implementación está en crecimiento.
• Vibración: el grupo de estudio de VITA 72 se formó para abordar aplicaciones con vibraciones extremas. El grupo ideó una prueba de vibración que sometió a una unidad de prueba VPX de 6U a niveles de vibración aleatorios de 0.2 g2/Hz durante 12 horas, un requisito severo en comparación con el estándar VPX original. El conector MULTIGIG RT 2-R de TE Connectivity, que cuenta con mejores líneas de contacto de conector backplane cuádruples y redundantes, y accesorios de guía resistentes, se probó con éxito como parte de este esfuerzo y se ha utilizado en aplicaciones muy rigurosas desde 2013.
• Temperatura extrema: Los conectores MULTIGIG se sometieron a un rango de temperatura de –55 °C a +105 °C cuando se aprobaron al principio para VPX en 2006, lo que cumplía con la norma VITA 47 para módulos de conexión. En respuesta directa a las necesidades de los diseñadores de sistemas espaciales, los conectores MULTIGIG RT se han probados desde entonces y han tolerado temperaturas de –55 °C a +125 °C, como 1,000 horas de calor a 125 °C y 100 ciclos de choque térmico de –55 °C a +125 °C.
• Desgasificación: A diferencia de los conectores de módulo de conexión de polímero pesado que se utilizan en los diseños convencionales de conectores backplane, los conectores MULTIGIG RT incorporan entrehierro, por lo que se requiere menos polímero. La disminución de polímero reduce el peso y la desgasificación. Con los materiales del conector MULTIGIG RT, la pérdida total de masa (TML) es inferior al 1 % y los materiales condensables volátiles recogidos (CVCM) son inferiores al 0.01 %, lo que cumple con los requisitos de desgasificación de la NASA y de la Agencia Espacial Europea (ESA).
• Capacidad actual: Cuando se desarrolló VITA 78, era necesario que los conectores VPX fueran compatibles con nuevas configuraciones de pines (no definidas en VITA 46) para cumplir con los requisitos de fuente de alimentación y de distribución de la administración redundantes. TE Connectivity llevó a cabo pruebas exhaustivas de la capacidad de transporte de corriente en múltiples obleas de potencia MULTIGIG adyacentes dentro de los conectores en módulos de conexión y también lanzó nuevas configuraciones de obleas para la arquitectura del módulo de administración de servicios espaciales de VITA 78.

La mayoría de los diseñadores de sistemas espaciales utilizan conectores MULTIGIG RT para satisfacer sus requisitos sin tener que cambiar el diseño, los materiales o acabados. Si se requieren cambios mínimos (p. ej., se especifica un mayor contenido de plomo [40 %] en los pines de contacto para aumentar la mitigación de los filamentos de estaño), se requieren pruebas de detección adicionales con base en los requisitos del usuario o del programa, pero los procesos de fabricación de conectores son relativamente los mismos, lo que ayuda a mejorar el costo y la disponibilidad.

Los módulos de conectores ópticos y de RF se pueden integrar dentro de una ranura OpenVPX para transportar señales a través del backplane hacia o desde el módulo de conexión. Estos módulos de conectores se montan en las PCB (como los recortes de apertura estándar en el backplane) para alojar múltiples contactos coaxiales o fibras ópticas. Pueden sustituir a ciertos conectores VITA 46 dentro de una ranura. Estos módulos y contactos de conectores ópticos y de RF se han utilizado en sistemas de satélites y son ideales para otras aplicaciones en el espacio.

VITA 67 es el estándar básico para los módulos RF. VITA 67.3 se utiliza para la arquitectura SpaceVPX con aberturas definidas dentro de diseños de ranura específicos para módulos de conectores ópticos y de RF.  VITA 67.3 cuenta con soluciones de contactos coaxiales como los primeros contactos micro a presión en subminiatura (SMPM), así como con interfaces coaxiales de mayor densidad NanoRF y fuentes de alimentación conmutada (SMPS), que pueden aumentar la densidad de contacto de dos a tres veces con respecto a SMPM. En una nueva modificación a VITA 67.3 se comenzaron a agregar interfaces coaxiales de 75 ohm para videos de mayor velocidad.

VITA 66 es el estándar básico para módulos ópticos, con ferrules de MT como interfaz óptica principal entre el módulo de conexión y el backplane. Las aberturas de los diseños de ranura de SpaceVPX son para módulos de conectores ópticos e híbridos, ópticos o RF, que cumplen los requisitos de VITA 66.5. Las interfaces MT se pueden especificar para 12 o 24 fibras para mayor densidad.

Las tarjetas mezanine XMC se pueden implementar en los módulos de conexión de SpaceVPX para agregar E/S y otras funciones. VITA 61 XMC 2.0, el estándar con base en el conector Mezalok de TE Connectivity, es el conector XMC recomendado en el estándar SpaceVPX. El conector Mezalok cuenta con múltiples puntos de contacto por pin para la redundancia que las aplicaciones espaciales requieren. El conector cumple con los requisitos de desgasificación y se ha sometido a pruebas en entornos extremos, como, por ejemplo, 2,000 ciclos térmicos de –55 °C a +125 °C sin fallas en conexiones soldadas.

Al utilizar la arquitectura OpenVPX, SpaceVPX también puede hacer uso del plan estratégico de conexión OpenVPX, que aborda soluciones con mayor velocidad y densidad, y menor tamaño y peso. Los estándares nuevos y modificados VITA definen tecnologías que respaldan la computación integrada de última generación.

Los conectores con una mayor velocidad de transmisión de datos MULTIGIG RT 3 están disponibles y estandarizados en VITA 46.30 (pin compatible) y 46.31 (conexión de soldadura) para canales de 25 a 32 gigabits por segundo, y son compatibles con Ethernet 100G y PCI Gen 4 y 5. Pueden integrarse en una ranura SpaceVPX en lugar de los conectores VITA 46.0.

La última modificación de la norma VITA 67.3 incluye interfaces de RF de mayor densidad NanoRF y SMPS, que reducen el tamaño y el peso (factores críticos en los sistemas espaciales) y son para frecuencias más altas de hasta 70 GHz. En una nueva modificación a VITA 67.3 se comenzaron a agregar interfaces coaxiales de 75 ohm dentro de un módulo conector para protocolos de video de mayor velocidad.

En 2022 se publicó la norma VITA 66.5, en la que se documentan interfaces ópticas de mayor densidad, se introducen hasta tres interfaces MT en medio módulo y se hace posible la integración de un transceptor fijo de montaje en borde. Además, VITA 66.5 ofrece soluciones con contactos NanoRF y MT ópticos integrados en un módulo de conector común, lo que proporciona una densidad sin precedentes dentro de una ranura OpenVPX.

Los nuevos estándares de suministro de energía VITA 62 abordaron la potencia trifásica (VITA 62.1) y las tensiones de entrada superiores a 270 V de CC (VITA 62.2). Los nuevos conectores MULTIBEAM XLE de TE Connectivity con aletas aislantes cuentan ya con esta característica para niveles de tensión más altos con la misma interfaz VITA 62.0.

• SpaceVPX es un estándar para que los componentes de los sistemas espaciales garanticen la interoperabilidad y agreguen rentable ancho de banda para los futuros sistemas espaciales.
• Uno de los objetivos principales de SpaceVPX es lograr un nivel aceptable de tolerancia a fallas a la vez que se mantiene un nivel razonable de compatibilidad con los componentes OpenVPX existentes.
  
• Las conexiones SpaceVPX se basan en las que fueron desarrolladas para OpenVPX y se adoptaron para el entorno extremo del espacio.
• Los conectores de TE Connectivity se han sometido a pruebas exhaustivas para determinar su idoneidad para el espacio y se han utilizado en sistemas de satélites y otras aplicaciones espaciales.
• Los estándares VITA nuevos y modificados continúan definiendo tecnologías compatibles con la computación integrada de última generación, a la vez que reducen los costos, mejoran la disponibilidad de los componentes y mantienen una trayectoria hacia la expansión futura.