Tendance
Conçu pour durer
Les sous-systèmes UAV d’aujourd’hui exigent des bandes passantes élevées combinées à un faible SWaP. La technologie VPX offre les performances et la robustesse nécessaires pour répondre à ces exigences. Auteur : Matthew R. McAlonis, directeur principal, Ingénierie du développement de produits, aérospatiale, défense et marine
De plus en plus, on s’attend à ce que les drones (UAV) aient une plus longue autonomie, restant à poste non pas pendant des heures, mais pendant plusieurs jours. La capacité d’effectuer des vols stationnaires pour des missions de surveillance et de frappe met l’accent sur l’économie d’espace et de poids dans l’ensemble des systèmes. Un gramme par-ci, un gramme par-là, cela fait beaucoup de kilos au total. Dans le même temps, la sophistication des capacités de surveillance des drones ne cesse de croître. Capables de recueillir de massives quantités de données, les caméras et capteurs embarqués couvrent un large spectre de fréquences allant de la lumière visible à l’infrarouge et au thermique, avec une résolution et un champ de vision impressionnants. Le système d’imagerie ARGUS, par exemple, peut repérer un objet de 15 cm dans un rayon de dix milles carrés à partir de 6 000 m dans les airs. Ce système utilise 368 caméras et peut capturer, traiter et télécharger un million de téraoctets de données par jour. La combinaison d’images provenant de plusieurs caméras et d’autres besoins de traitement du signal nécessite des ordinateurs embarqués rapides et des logiciels sophistiqués. Le système générant une énorme quantité de données, le tri des informations utiles par le biais d’un traitement embarqué afin que seules les données essentielles soient transmises aux satellites ou aux stations terrestres représentant un autre défi. Même si le système ARGUS peut traiter un million de téraoctets par jour, l’infrastructure de renseignement, de surveillance et de reconnaissance ne peut pas gérer de telles charges, même avec une forte compression des données.
Exercice d’équilibriste intégré
Évolutivité
Il n’existe pas de format unique
Les systèmes informatiques embarqués doivent concilier une variété de besoins concurrents. Par exemple :
- Des charges de traitement plus élevées : le système doit être capable de lire des capteurs haute définition, de traiter les informations et de transmettre les résultats au sol.
- Une économie de poids et d’espace : un poids plus faible se traduit par des temps de vol plus longs et des charges utiles plus importantes. Les contraintes d’espace sont toujours un problème.
- LA robustesse : le système doit être fiable, capable de résister à des environnements difficiles pendant de longues durées de vol.
Chacun de ces objectifs est facilement réalisable, mais leur réalisation implique des compromis. Les systèmes commerciaux fonctionnent plus rapidement, mais n’ont pas la robustesse requise. Les systèmes les plus robustes peuvent ne pas avoir la flexibilité, l’évolutivité ou les performances nécessaires pour répondre aux besoins militaires et aérospatiaux actuels en matière de données. Les petits systèmes légers sont plus faciles à concevoir si la robustesse et les performances ne sont pas importantes.
VPX a la bonne combinaison
VPX, qui prend en charge des débits de 3,125 Gbits/s, 6,25 Gbits/s et plus dans une architecture de fabric commutée, est la dernière génération du fameux VMEbus et offre de nouveaux niveaux de performance pour les systèmes informatiques embarqués. Les systèmes VPX sont conçus pour une application flexible de protocoles haut débit exigeants, tels que les protocoles Ethernet 10G, RapidIO, InfiniBand et HyperTransport, dans les applications terrestres, aérospatiales et marines.
VPX est une approche robuste de l’informatique embarquée qui repose aussi largement sur des produits commerciaux prêts à l’emploi, ce qui favorise une large base de fournisseurs internationaux, raccourcit les délais de mise sur le marché et contribue à l’évolution de l’écosystème. Deux autres normes sont importantes pour l’écosystème VPX. La norme VITA 65 définit OpenVPX, qui établit des profils standard pour diverses configurations au niveau du châssis, du fond de panier, des emplacements et des modules. L’objectif est de créer une compatibilité entre les produits de différents fournisseurs pour permettre une architecture ouverte et prendre en charge la maintenance à deux niveaux et les mises à niveau du système en permettant aux utilisateurs de remplacer les modules remplaçables en ligne (LRM) sur le terrain. La norme VITA 68 définit un canal de conformité VPX comprenant des critères communs de performance électrique du fond de panier requis pour prendre en charge plusieurs types de fabrics sur une gamme de débits de données définis.
Connectivité pour le VPX
VITA 46 est la spécification d’architecture fondatrice du VPX. Elle spécifie le connecteur de fond de panier MULTIGIG RT 2 de TE Connectivity (TE), en mettant l’accent sur les signaux numériques. Comme le montre la figure 1 ci-dessous, la conception du connecteur utilise des plaquettes de modules enfichables à la place des contacts à broches, une approche bien établie dans les applications commerciales. Les plaquettes, disponibles pour les besoins différentiels, asymétriques et d’alimentation, peuvent être facilement modifiées pour répondre aux besoins spécifiques des clients en matière d’impédance caractéristique, de délai de propagation et d’autres paramètres électriques. La moitié de fond de panier sans broche du connecteur assure la protection du fond de panier, protégeant ainsi le système, le véhicule et la mission. L’intégrité du signal a été élevée parallèlement à l’intégrité mécanique. Le connecteur VPX commercial renforcé prend en charge des débits allant jusqu’à 10 Gbit/s, ce qui laisse une marge importante pour prendre en charge les débits standard VPX de 3,125 et 6,25 Gbit/s. La conception est hautement modulaire et prend en charge les configurations 3U et 6U.
Plusieurs connecteurs concurrents, définis par d’autres normes VITA, offrent une compatibilité d’empreinte avec les connecteurs MULTIGIG RT 2 de TE, mais pas d’interposabilité. La conception à base de plaquettes du connecteur MULTIGIG RT 2 de TE et son boîtier thermoplastique robuste créent un connecteur avec beaucoup d’air et très peu de métal, en d’autres termes, un connecteur très léger. Ceux-ci sont environ 50 % plus légers que les autres connecteurs destinés à être des alternatives au VPX. Les connecteurs sont également très modulaires pour donner aux utilisateurs une plus grande flexibilité dans la construction de configurations 3U et 6U. Cette modularité permet également de remplacer les modules par des modules RF, optiques et d’alimentation. Ceux-ci prennent également en charge les pas de 1,25 pouce et les pas de 0,8 pouce qui permettent d’économiser de l’espace.
Un renforcement au-delà de VITA 47
La norme environnementale VITA 47 mesure depuis longtemps la robustesse des applications informatiques embarquées. Elle définit des niveaux et des tests pour les contraintes mécaniques et environnementales, telles que les vibrations, les températures extrêmes et d’autres critères importants pour la fiabilité dans des environnements difficiles et exigeants. Alors que VPX/VITA 47 est la norme actuelle pour les systèmes embarqués à haute fiabilité et à grande vitesse, les concepteurs souhaitent également utiliser le VPX dans des environnements plus difficiles. Les drones exposent les composants à des vibrations et à de larges plages de température, tandis que le traitement sophistiqué requis pour gérer de telles charges signifie des ordinateurs embarqués qui fonctionnent rapidement et à chaud. Le refroidissement par conduction et/ou par liquide, tel que défini dans la norme VITA 48, peut être nécessaire car l’air à 20 000 pieds (6 096 m) d’altitude peut être trop fin pour un refroidissement par l’air. Pour répondre aux exigences émergentes en matière de robustesse et de fiabilité, les concepteurs ont besoin de nouvelles méthodes de test pour mesurer les performances. Les tests effectués par le groupe d’étude VITA 72 fournissent une telle évaluation. Le connecteur MULTIGIG RT 2 de TE a été renforcé pour répondre aux exigences encore plus exigeantes de VITA 72. Compatible avec la conception originale pour fournir un design ultra-renforcé, le connecteur MULTIGIG RT 2-R de TE utilise des contacts qui ont été redessinés de sorte que chaque bras rend deux points de contact (appelés quadruple redondance) doublant à peu près la zone de contact avec la plaquette. Le nouveau système de contact peut réduire les forces d’accouplement jusqu’à 10 % tout en contribuant à maintenir un contact fiable dans des conditions de vibrations extrêmes. Puisque les deux bras ne sont pas symétriques l’un par rapport à l’autre, chaque bras a des modes de fréquence différents en réponse aux vibrations, ce qui réduit la possibilité que les deux bras soient affectés simultanément.
Création d’un écosystème VPX riche
L’écosystème VPX est riche et évolue pour offrir aux concepteurs un éventail de choix pour les signaux asymétriques et différentiels, la mezzanine, l’alimentation, l’optique et la connectivité RF. Au fur et à mesure de l’évolution du VPX, de nouvelles normes ont été créées pour répondre au plus large éventail de besoins d’interconnexion. La figure 2 ci-dessous résume les principales interconnexions désormais disponibles pour les systèmes VPX de TE et montre une configuration théorique des possibilités de signal, RF et optique sur un seul bord de carte.
Les connecteurs mezzanine VITA 61 XMC 2.0 ne sont pas représentés sur la figure. Les cartes mezzanines offrent une flexibilité supplémentaire aux systèmes en permettant d’étendre les fonctionnalités et la modularité à un circuit imprimé. Elles permettent de reconfigurer, de mettre à niveau ou de personnaliser des cartes existantes par l’ajout d’une carte mezzanine. Les applications typiques comprennent les protocoles d’entrée/sortie (E/S) à haut débit spécifiques à une application, les graphismes, la mémoire et le traitement des signaux numériques.
La norme VITA 67 spécifie le connecteur de la série SMPM, choisi pour sa grande densité de conditionnement rendue possible par sa petite taille. L’objectif de la conception des modules RF VITA 67 était de faire tenir huit contacts RF dans l’espace occupé par un seul module de signal VITA 46 VPX. Le SMPM est une version miniaturisée du connecteur de la série SMP, qui est 30 % plus petit avec des performances similaires et qui dispose d’une interface aveugle compacte « pousser-tirer ». Alors que les connecteurs SMPM ont une fréquence de fonctionnement maximale de 65 GHz, l’exigence de la norme VITA 67 est une gamme de fréquences en CC à 26,5 GHz.
Des E/S plus rapides et plus denses
Le traitement rapide par l’informatique embarquée nécessite également des vitesses d’entrée/sortie plus rapides afin d’éviter les goulots d’étranglement en matière de communication. Avec l’augmentation des vitesses d’E/S, les problèmes d’intégrité du signal et de budget de puissance créent de nouveaux défis. En termes simples, les signaux haute vitesse sont plus difficiles à gérer que les signaux basse vitesse. Plus la vitesse d’interconnexion est élevée, plus la gestion de l’affaiblissement de réflexion, de l’affaiblissement d’insertion, de la diaphonie et de facteurs similaires susceptibles de dégrader les signaux est difficile. Un câblage idéal ne présenterait pas de connexions intermédiaires entre les boîtiers, mais les interruptions de production et la modularité requises contraignent les ingénieurs à utiliser des connecteurs.
Un connecteur mal conçu entraînera une discontinuité d’impédance importante. L’impact de cette discontinuité dépend de la fréquence – la perte de retour et la diaphonie augmentent avec la fréquence – ce qui signifie que les connecteurs d’E/S à haut débit doivent être conçus avec plus de soin. L’atténuation dans le câble et la perte d’insertion dans le connecteur dépendent également de la fréquence, ce qui rend les budgets alimentation plus difficiles à réaliser à des hauts débits.
Figure 3 : trois gammes de connecteurs 10 Gbit/s offrent aux concepteurs plus de choix pour atteindre leurs objectifs SWaP.
Les questions de taille, de poids et de puissance (SWaP) restent les plus importantes pour assurer une surveillance permanente, un meilleur rapport poids-carburant et la possibilité de fabriquer des drones plus petits. Si des connecteurs plus petits et plus légers permettent d’atteindre les objectifs SWaP, la miniaturisation ne peut pas se faire au détriment de l’intégrité du signal ou de la robustesse. Les connecteurs nanominiatures et microminiatures traditionnels existent déjà, mais ils n’ont pas été conçus pour les signaux à haut débit. Plus récemment, des connecteurs prenant en charge des données 10 Gbit/s sont arrivés dans des emballages allant de la nanominiature aux coques MIL-DTL-38999 traditionnelles. La figure 3 montre une comparaison de la taille de trois connecteurs de ce type.
La fibre tient la distance
Alors même que la connectivité en cuivre à haut débit évolue, la transmission par fibre optique est de plus en plus utilisée. La création d’architectures indépendantes de l’emplacement implique l’utilisation de différents sous-systèmes non limités par les distances de câblage. Les fibres optiques offrent des avantages bien connus : transmission sur de longues distance, immunité au bruit, compacité et légèreté. La fibre optique a également fait des progrès en termes de facilité d’utilisation, de robustesse et de choix. La norme VITA 66, par exemple, offre un choix de ferrules céramiques pour les meilleures performances en matière de perte d’insertion et de perte de retour ; des terminaisons à bras élargi sans contact pour une robustesse accrue ; et des ferrules MT pour un nombre élevé de fibres de 12 ou 24 fibres par ferrule et plusieurs ferrules par module. Les mêmes options sont disponibles pour une variété de connecteurs circulaires et rectangulaires de style militaire. Alors que VPX continue d’évoluer, il offre aux concepteurs de nouveaux niveaux de flexibilité et de capacités pour répondre aux besoins sophistiqués de traitement du signal des drones. L’adaptation et l’évolution de la technologie d’interconnexion commerciale se sont avérées être le meilleur moyen de répondre aux besoins toujours croissants de l’informatique embarquée. La technologie commerciale permet souvent d’atteindre de nouveaux niveaux de vitesse et de densité ; et il suffit de la rendre suffisamment robuste pour répondre aux exigences plus strictes des applications à haute fiabilité. Bien que la robustesse de la technologie commerciale ne soit pas une mince affaire, elle offre souvent un risque moindre et une voie plus rapide vers le marché que de partir de zéro. Plutôt que de réinventer une nouvelle technologie, il suffit de démontrer que la technologie existante – déjà largement utilisée – fonctionne dans un environnement plus rigoureux.
