SpaceVPX (VITA 78) e o Mundo da Interconexão

O SpaceVPX é um padrão para criar placas plug-in (PICs) com base em perfis de slot e perfis de módulo (protocolo). Por sua vez, os blocos de construção criam subsistemas e sistemas interconectados. Desenvolvido sob os auspícios do The Next Generation Space Interconnect Standard (NGSIS, Padrão de Interconexão do Espaço da Próxima Geração), é o resultado de uma colaboração entre o governo e a indústria. A principal meta do SpaceVPX é remover, de maneira econômica, restrições relativas a largura de banda em sistemas espaciais futuros.

O SpaceVPX é baseado no modelo OpenVPX VITA (VMEbus International Trade Association) com aprimoramentos que estendem o padrão para aplicações espaciais.

A equipe do NGSIS selecionou a família de padrões OpenVPX como a base física do novo padrão SpaceVPX, já que a família VPX é compatível com fatores de forma 3U e 6U e conta com recursos que a tornam robusta para uso em ambientes extremos e permitem o resfriamento por condução. A infraestrutura do padrão OpenVPX possibilita fazer protótipos e testar o SpaceVPX no solo.

O SpaceVPX é baseado em vários padrões, alguns dos quais fazem parte do American National Standards Institute (ANSI)/VITA e da família OpenVPX da European Cooperation for Space Standardization (ECSS):

• VITA 46 VPX e o derivado ANSI/VITA 65.0 OpenVPX – modelo de base
• ANSI/VITA 60 e ANSI/VITA 63 – conectores compatíveis
• ANSI/VITA 62 – módulo de energia padronizado
• ANSI/VITA 66 e 67 – substituição de segmentos elétricos por soluções de RF ou ópticas
• ANSI/VITA 46.11[4] – protocolo de gerenciamento, a base para o gerenciamento tolerante a falhas do sistema SpaceVPX
• ECSS – modelo SpaceWire
• ECSS – Protocolo de Acesso Remoto à Memória (RMAP)
• ECSS – modelo SpaceFibre
• Gigabit Ethernet

O OpenVPX é um conjunto definido de implementações de sistema que integra o VPX e especifica um conjunto de arquiteturas de sistema. O OpenVPX organiza as conexões em quatro planos principais de interconexão: dados, controle, utilitário e expansão.

O plano de dados incorpora as conexões de malha multigigabit de alta velocidade entre módulos para transportar a carga útil e os dados da missão.

O plano de controle, também uma conexão de malha, normalmente tem menos capacidade e é usado para configuração, instalação, diagnóstico e outras funções de controle operacional dentro da carga útil e para transferências dos dados de baixa velocidade.

O plano utilitário permite configuração e controle das funções básicas do módulo para sequenciamento de energia, diagnósticos de baixo nível, relógios e outros sinais básicos necessários para a operação do sistema. 

O plano de expansão pode ser usado como uma conexão separada entre os módulos que usam interfaces semelhantes ou para fazer a ponte entre interfaces tradicionais em uma topologia mais limitada, como um barramento ou anel.

Pinos não definidos como parte de um dos planos são normalmente definidos pelo usuário e estão disponíveis para passagem de placas filhas ou mezaninos, ou para módulos de transição traseiros (RTM). Para máxima reutilização do módulo, os pinos definidos pelo usuário devem ser configuráveis para não interferir nos módulos que utilizam os mesmos pinos de maneira diferente. Consulte ANSI/VITA 65.0 para mais informações.

Uma avaliação do OpenVPX para uso no espaço revelou várias deficiências. A principal limitação foi a falta de recursos disponíveis para suporte a uma configuração completa, tolerante a falhas únicas e altamente confiável. Os sinais do utilitário eram barrados e, na maioria dos casos, suportaram apenas um conjunto de sinais por meio dos pinos de sinal para um módulo. Como resultado, um sistema OpenVPX puro tem oportunidades para várias falhas. Além disso, um mecanismo de gerenciamento e controle completo não foi totalmente definido com o VITA 46.11.

Da perspectiva do protocolo, o SpaceWire é a interface dominante de plano de controle e de dados de velocidade média para a maioria das aeronaves espaciais. Os planos de controle OpenVPX mais comuns são o padrão PCIe ou Ethernet, geralmente não usados em aplicações espaciais.  (Nota: Gigabit Ethernet foi adicionado à revisão de 2022 do modelo SpaceVPX.)

A meta do SpaceVPX é alcançar um nível aceitável de tolerância a falhas, mantendo um nível razoável de compatibilidade com os componentes existentes do OpenVPX, incluindo atribuições dos pinos do conector para placas e backplanes (Figura 1).

Para fins de tolerância a falhas, um módulo (definido como um conjunto de fios impressos que está em conformidade com especificações mecânicas e elétricas definidas) é considerado o elemento de redundância mínima, ou a região mínima de contenção de falhas. O plano utilitário e o plano de controle que integram o SpaceVPX são distribuídos de modo redundante e são organizados em topologias de estrela, estrela dupla, malha parcial ou malha completa para fornecer tolerância a falhas para todo o sistema.

Para atender ao nível desejado de tolerância a falhas, os sinais do plano utilitário devem ser redundantes duplos e comutados para cada função da placa do SpaceVPX. 

Um estudo comercial, realizado em 2010 em uma colaboração entre o governo e a indústria com o apoio do SpaceVPX Working Group, comparou várias implementações, incluindo a adição de comutação a cada placa de várias maneiras e a criação de uma placa de comutação única. A última abordagem foi selecionada para que cada placa do SpaceVPX possa receber os mesmos sinais de plano utilitário que uma placa do OpenVPX recebe, com pequenos ajustes para quaisquer alterações na topologia. Essa solução foi batizada de módulo Space Utility Management (SpaceUM), uma das principais bases do modelo SpaceVPX.

Um módulo SpaceUM de 6U contém até oito conjuntos de interruptores de energia e sinal para suportar oito módulos de carga útil do SpaceVPX, enquanto a versão 3U do SpaceUM pode suportar até cinco. Ele recebe um barramento de energia de cada uma das duas fontes de energia e um conjunto de sinais do plano utilitário de cada uma das duas funções do controlador do sistema exigidas no backplane do SpaceVPX. As várias partes do módulo SpaceUM não exigem a própria redundância. Elas são consideradas extensões da fonte de energia, do controlador do sistema e de outros módulos do SpaceVPX para o cálculo da confiabilidade.

Cada perfil de slot, módulo e backplane no OpenVPX é totalmente definido e interligado. A adaptação dos perfis para uso no espaço requer a especificação de uma versão do SpaceVPX de cada perfil.

Um perfil de slot fornece um mapeamento físico das portas de dados no conector do backplane de uma slot, que não depende do tipo de protocolo usado para transmitir os dados do slot para o backplane.

Os perfis de módulo são extensões dos perfis de slot que os acompanham, permitindo o mapeamento de protocolos para cada porta do módulo. Um perfil de módulo inclui informações sobre requisitos térmicos, de energia e mecânicos de cada módulo. Alguns perfis de módulo para o SpaceVPX são semelhantes aos do OpenVPX, o que permite o uso dos módulos e backplanes do OpenVPX para prototipagem ou testes no solo. No entanto, a maioria dos perfis de módulo para aplicações espaciais são significativamente diferentes dos perfis para aplicações terrestres. Portanto, são exigidas especificações completas consistentes com o SpaceVPX. A seção do padrão SpaceVPX que define os perfis consiste na maior parte do padrão.

As interconexões são mais uma parte essencial do SpaceVPX. Assim como em outros elementos do padrão, elas são baseadas em interconexões desenvolvidas para o OpenVPX, mas projetadas para ambientes espaciais extremos.

Temperaturas problemáticas, vibração, desgaseificação e outros fatores podem comprometer catastroficamente os sistemas de interconexão, bem como a integridade do sinal e da energia. Por décadas, os projetistas de aplicações espaciais confiaram em designs de interconexão personalizados para garantir a confiabilidade da eletrônica integrada exposta aos extremos do espaço. O alto custo e os longos prazos de entrega de uma solução de interconexão personalizada já foram considerados um investimento válido contra falhas que são extremamente caras ou impossíveis de corrigir no espaço.

Hoje, o uso de interconexões padronizadas reduz os custos, melhora a disponibilidade e viabiliza expansões futuras.

Ao aproveitar a arquitetura OpenVPX, o SpaceVPX traz as soluções de interconexão definidas nos padrões VITA e testadas extensivamente para apoiar o uso no espaço.

Os perfis de slot do SpaceVPX definem o uso de conectores VPX (VITA 46 ou conectores VPX alternativos) e permitem a implementação de módulos de RF (VITA 67) e ópticos (VITA 66) no módulo de plug-in para a interface de backplane. As fontes de energia seguem o modelo VITA 62, que também define a interface do conector da fonte de energia. Para placas mezanino XMC em módulos plug-in, conectores XMC 2.0 de acordo com o padrão VITA 61 são recomendados. Em vez de definir novos conectores com características especiais, os perfis de slot do SpaceVPX se adequam às especificações VITA de conector apropriadas que oferecem suporte à arquitetura OpenVPX.

O conector VITA 46  VPX é a interconexão VPX original. Ele é baseado no conector MULTIGIG RT 2 da TE Connectivity que foi lançado no modelo VITA 46 em 2006.

A família de conectores MULTIGIG RT oferece aos projetistas um sistema de interconexão fácil de implementar, modular, padronizado e econômico que ajuda a garantir a confiabilidade das aplicações de computação embarcada para sistemas espaciais. 

Os conectores MULTIGIG RT passaram por testes extensivos pela TE para estabelecer a adequação ao espaço, incluindo:

• Tecnologia de pino flexível (ajuste por pressão): os testes foram realizados em tamanhos mínimos e máximos de furos de placa e em diferentes revestimentos de placa de circuito impresso para verificar a confiabilidade de designs com pinos flexíveis. Hoje, inúmeras aplicações espaciais utilizam tecnologia de pino flexível (em comparação com as conexões soldadas tradicionais) e o seu uso está aumentando.
• Vibração: o grupo de estudo VITA 72 foi formado para abordar aplicações onde há vibração extrema. O grupo desenvolveu um teste de vibração que submeteu uma unidade de teste VPX de 6U a níveis de vibração aleatórios de 0,2 g2/Hz durante 12 horas, um requisito severo em comparação com o modelo de VPX original. O conector MULTIGIG RT 2-R da TE, que apresenta um sistema de contato de conector backplane com redundância quádrupla aprimorado e um hardware de guia robusto, foi testado com sucesso como parte do esforço e tem sido usado em aplicações altamente robustas desde 2013.
• Temperatura extrema: Os conectores MULTIGIG foram submetidos a uma faixa de temperatura de -55 °C a +105 °C quando inicialmente qualificados para VPX em 2006, o que atendia ao modelo VITA 47 para módulos plug-in. Em resposta direta aos requisitos dos desenvolvedores de sistemas espaciais, os conectores MULTIGIG RT foram testados e sobreviveram a -55 °C a +125 °C, incluindo exposição a 1.000 horas de calor a 125 °C e 100 ciclos de choque térmico de -55 °C a +125 °C.
• Desgaseificação: ao contrário dos conectores de módulo plug-in de polímero pesado usados nos designs de conectores de backplane convencionais, os conectores MULTIGIG RT incorporam lacunas de ar e, portanto, menos polímero é exigido. A redução do polímero reduz o peso e diminui a desgaseificação. Com os materiais do conector MULTIGIG RT, a perda de massa total (TML) é inferior a 1% e os materiais condensáveis voláteis coletados (CVCM) são inferiores a 0,01%, o que atende aos requisitos de desgaseificação da NASA e da European Space Agency (ESA).
• Capacidade atual: quando o VITA 78 foi desenvolvido, havia uma necessidade de conectores VPX para suportar novas pinagens (não definidas no VITA 46) conforme os requisitos de distribuição de energia redundante e distribuição de gerenciamento redundante. A TE concluiu testes extensivos para a capacidade de transmissão de corrente em vários wafers de energia MULTIGIG adjacentes dentro dos conectores de módulo plug-in e também lançou novas configurações de wafer em suporte à arquitetura do módulo de Gerenciamento de Utilitário Espacial do VITA 78.

A maioria dos designers de sistemas espaciais usa os conectores MULTIGIG RT para atender às necessidades de seus projetos sem qualquer alteração física no design ou nos materiais e acabamentos. Se alterações mínimas forem exigidas (por exemplo, maior teor de chumbo [40%] nas caudas de contato para maior mitigação da formação de filamentos de estanho), testes de triagem adicionais serão exigidos com base nos requisitos do usuário ou do programa. Porém, os processos de fabricação dos conectores permanecem relativamente os mesmos, o que ajuda a melhorar o custo e a disponibilidade.

Módulos de conexão coaxiais (RF) e ópticos podem ser integrados em um slot do OpenVPX para transportar sinais através do backplane de/para o módulo plug-in. Esses módulos conectores são montados nas placas (incluindo em recortes padronizados de backplanes) para abrigar vários contatos coaxiais ou de fibra óptica. Eles podem substituir conectores VITA 46 selecionados em um slot. Esses módulos e contatos coaxiais (RF) e ópticos têm sido usados em sistemas de satélites e são adequados para outras aplicações no espaço.

O VITA 67 é o modelo base para os módulos coaxiais. O VITA 67.3 é usado para a arquitetura SpaceVPX com aberturas definidas dentro de perfis de slot específicos para módulos de conectores coaxiais (RF) e ópticos.  O VITA 67.3 oferece soluções com contatos coaxiais em subminiatura do tipo SMPM, bem como interfaces coaxiais de alta densidade, como NanoRF. Além disso, oferece conectores coaxiais ainda menores, os SMPS, que aumentam o contato de duas a três vezes em relação ao SMPM. Uma nova revisão do VITA 67.3 começou a adicionar interfaces coaxiais de 75 ohms para suportar vídeos de maior velocidade.

O VITA 66 é o modelo base para módulos ópticos, com ponteiras MT como a principal interface óptica entre o módulo plug-in e o backplane. As aberturas nos perfis de slot do SpaceVPX acomodam módulos de conectores ópticos e híbridos coaxiais/ópticos híbridos que atendem aos requisitos do VITA 66.5. As interfaces MT podem ser especificadas para 12 ou 24 fibras para maior densidade.

As placas de mezanino XMC podem ser implementadas nos módulos plug-in do SpaceVPX para adicionar E/S e outros recursos. O VITA 61 XMC 2.0, o padrão baseado no conector Mezalok da TE, é o conector XMC recomendado no padrão SpaceVPX. O conector Mezalok apresenta múltiplos pontos de contato por pino, suportando a redundância exigida para as aplicações espaciais. O conector atende aos requisitos de desgaseificação e foi testado para ambientes extremos, incluindo 2000 ciclos térmicos de -55 ºC a +125 ºC sem falhas na junta de solda.

Ao aproveitar a arquitetura OpenVPX, o SpaceVPX também pode aproveitar o roteiro de implementações futuras de interconexão do OpenVPX, que visa soluções com velocidades mais rápidas, maior densidade, tamanho menor e peso mais leve. Há uma atividade significativa nesse âmbito, com padrões VITA novos e revisados para definir tecnologias que suportarão a computação embarcada da próxima geração.

Os conectores MULTIGIG RT 3 estão disponíveis com uma taxa de dados mais alta. Os modelos VITA 46.30 (pino flexível) e 46.31 (pino de solda inferior) são compatíveis com canais de 25 a 32 Gigabits por segundo, Ethernet 100G e PCI de 4ª e 5ª geração. Além disso, esses conectores podem ser incorporados a um slot do SpaceVPX para substituir os conectores VITA 46.0.

A revisão mais recente do padrão VITA 67.3 inclui interfaces coaxiais (RF) de alta densidade NanoRF e SMPS, reduzindo o tamanho e o peso (ambos críticos para sistemas espaciais) e acomodando frequências mais altas de até 70 GHz. Uma nova revisão do VITA 67.3 começou a adicionar interfaces coaxiais de 75 ohms a um módulo de conector para suportar protocolos de vídeo de maior velocidade.

O modelo VITA 66.5, lançado em 2022, documenta interfaces ópticas de maior densidade, incorporando até três interfaces MT em um “meio-módulo” e permitindo a integração de um transceptor fixo de montagem em borda de placas (“edge”). Além disso, o VITA 66.5 fornece soluções com contatos NanoRF e interfaces MT ópticas integradas em um módulo de conector comum, proporcionando densidade sem precedentes dentro de um slot do OpenVPX.

Os novos padrões de fonte de energia do VITA 62 abordam a alimentação trifásica (VITA 62.1) e tensões de entrada mais altas de 270 VCC (VITA 62.2). Os novos conectores MULTIBEAM XLE da TE com aletas de isolamento permitem essa atualização para níveis mais altos de tensão, ao mesmo tempo em que mantêm a mesma interface VITA 62.0.

• O SpaceVPX é um padrão para os componentes de sistemas espaciais. Ele garante a interoperabilidade e adiciona largura de banda de maneira econômica para os sistemas espaciais do futuro.
• A meta principal do SpaceVPX é atingir um nível aceitável de tolerância a falhas, mantendo ao mesmo tempo um nível razoável de compatibilidade com os componentes OpenVPX existentes.
  
• As interconexões SpaceVPX são baseadas em interconexões desenvolvidas para o padrão OpenVPX, adaptadas para ambientes espaciais extremos.
• Os conectores da TE passaram por testes extensivos para estabelecer a adequação para o espaço e têm sido usados em sistemas de satélite e outras aplicações espaciais.
• Padrões VITA novos e revisados continuam a definir tecnologias que suportam a próxima geração de computação embarcada, reduzindo custos, melhorando a disponibilidade dos componentes e mantendo um caminho para a futura expansão.