Tendência
Projetado para suportar
Os subsistemas de UAV de hoje exigem altas larguras de banda combinadas com baixo SWaP. A tecnologia VPX fornece o desempenho e a robustez para satisfazer estas demandas. Por: Matthew R. McAlonis, Gerente Sênior, Engenharia de Desenvolvimento de Produtos, Aeroespacial, Defesa e Marinha
Espera-se que cada vez mais veículos aéreos não tripulados (UAVs) tenham maior persistência, permanecendo na estação por durações medidas não em horas, mas em dias. A capacidade de loiter para missões de vigilância e ataque coloca uma ênfase significativa no projeto na economia de espaço e peso em todos os sistemas. Uma onça aqui e outra lá somam muitas libras no total. Ao mesmo tempo, a sofisticação das capacidades de vigilância de um UAV continua a se expandir. Capazes de coletar grandes quantidades de dados, múltiplas câmeras e sensores cobrem um amplo espectro de frequências, da luz visível ao infravermelho e térmico com resolução e campo de visão impressionantes. O sistema de imagem ARGUS, por exemplo, pode detectar um objeto de seis polegadas dentro de um raio de dez milhas quadradas a partir de 20.000 pés no ar. O sistema ARGUS usa 368 câmeras e pode capturar, processar e baixar um milhão de Terabytes por dia. A combinação de imagens de várias câmeras e outras necessidades de processamento de sinal requerem computadores de bordo rápidos e software sofisticado. Devido à enorme quantidade de dados gerados pelos sensores, um desafio adicional do sistema é separar o trigo do joio via processamento a bordo para que apenas dados críticos sejam transmitidos para satélites ou estações terrestres. Mesmo que o sistema ARGUS possa processar um milhão de terabytes por dia, a maior infraestrutura de Inteligência, vigilância e reconhecimento não consegue lidar com tais cargas, mesmo com uma forte compressão de dados.
Balanceamento integrado
Escalabilidade
Um só tamanho não atende a todos
Os sistemas de computação integrados devem balancear uma variedade de necessidades concorrentes. Estas incluem:
- Cargas de processamento mais altas: O sistema deve ser capaz de ler sensores de alta definição, processar as informações e transmitir os resultados para o solo.
- Economia de peso e espaço: Menor peso se traduz em tempos de voo mais longos e cargas úteis maiores. Restrições espaciais são sempre um problema.
- Robustez: O sistema deve ser confiável, capaz de suportar ambientes severos durante longos tempos de voo.
Qualquer uma delas é facilmente realizada, mas obter tudo envolve compromissos. Os sistemas comerciais funcionam mais rápido, mas não têm a robustez necessária. Os sistemas mais robustos podem não ter flexibilidade, escalabilidade ou desempenho para atender às necessidades militares e aeroespaciais atuais. Sistemas pequenos e leves são mais fáceis de projetar se robustez e desempenho não são importantes.
VPX tem a mistura certa
O VPX, que suporta velocidades de 3,125 Gbits/s, 6,25 Gbits/s e é superior em uma arquitetura de malha comutada, é a última geração do venerável VMEbus e oferece novos níveis de desempenho para sistemas de computador de bordo. Os sistemas VPX são projetados para a aplicação flexível de protocolos de alta velocidade exigentes, como protocolos 10G Ethernet, RapidIO, InfiniBand e HyperTransport, em aplicações terrestres, aeroespaciais e marinhas.
O VPX é uma abordagem robusta da computação de bordo que também depende fortemente de produtos comerciais comuns, fomentando uma ampla base internacional de fornecedores, encurtando o tempo de colocação no mercado e alimentando ainda mais a evolução do ecossistema. Dois outros padrões são importantes para o ecossistema VPX. O VITA 65 define o OpenVPX, que estabelece perfis padrão para várias configurações nos níveis de chassi, backplane, fenda e módulo. O objetivo é criar compatibilidade entre produtos de diferentes fornecedores para permitir uma arquitetura aberta e dar suporte a atualizações de manutenção e sistema de dois níveis, permitindo que os usuários troquem módulos substituíveis de linha (LRMs) no campo. O VITA 68 define um canal de conformidade VPX, incluindo critérios comuns de desempenho elétrico de backplane necessários para dar suporte a vários tipos de malha em uma série de taxas de dados definidas.
Conectividade para o VPX
VITA 46 é a especificação de arquitetura de fundação para VPX. Ele especifica o conector de backplane MULTIGIG RT 2 da TE Connectivity (TE), com foco em sinais digitais. Como mostrado na Figura 1 abaixo, o design do conector usa wafer de módulo plug-in no lugar de contatos de pinos, uma abordagem bem estabelecida em aplicações comerciais. Os wafers disponíveis para necessidades diferenciais, de terminação simples e de energia podem ser facilmente modificados para atender às necessidades específicas do cliente por impedância característica, atraso de propagação e outros parâmetros elétricos. A metade do backplane sem pinos do conector garante a proteção do backplane, protegendo assim o sistema, o veículo e a missão. A integridade do sinal foi elevada em paralelo com a integridade mecânica. O conector VPX comercial robusto suporta velocidades de até 10 Gbit/s, fornecendo muita margem para suportar as velocidades padrão da VPX de 3,125 e 6,25 Gbit/s. O design é altamente modular para suportar configurações 3U e 6U.
Vários conectores competitivos, definidos por outros padrões VITA, oferecem compatibilidade de pegada com os conectores MULTIGIG RT 2 da TE, mas não a intercompatibilidade. O design baseado em wafer do conector MULTIGIG RT 2 da TE e a robusta carcaça termoplástica criam um conector com muito ar e muito pouco metal, ou seja, é um conector muito leve. Estes são cerca de 50% mais leves do que outros conectores destinados a serem alternativas ao VPX. Os conectores também são muito modulares para dar aos usuários maior flexibilidade na construção de configurações 3U e 6U. A modularidade também permite que os módulos sejam substituídos por módulos para necessidades de RF, de óptica e de energia. Estes também suportam passos de 1,25 polegadas e de 0,8 polegadas.
Robusto Além do VITA 47
O padrão ambiental VITA 47 tem sido há muito tempo a medida de robustez para aplicações de computação de bordo. Define níveis e testes para estresse mecânico e ambiental, como vibração, extremos de temperatura e outros critérios importantes para a confiabilidade em ambientes severos e desafiadores. Embora o VPX/VITA 47 seja o padrão atual para sistemas embarcados de alta confiabilidade e alta velocidade, os designers também querem migrar O VPX para ambientes mais desafiadores. Os UAVs expõem componentes a vibrações e amplas faixas de temperatura, enquanto o processamento sofisticado necessário para lidar com tais cargas implica em computadores de bordo que funcionam rápido e quentes. O resfriamento de condução e/ou resfriamento líquido, conforme definido no VITA 48, pode ser necessário, uma vez que o ar a 20.000 pés de altura pode ser muito rarefeito para o resfriamento do ar. Para atender às demandas emergentes de robustez e confiabilidade, os designers precisam de novos métodos de teste para medir o desempenho. Os testes realizados pelo Grupo de Estudos VITA 72 fornecem essa avaliação. O conector MULTIGIG RT 2 da TE foi tornado ainda mais robusto para atender aos requisitos mais exigentes do VITA 72. Compatível com o design original para fornecer um caminho de migração fácil de robusto para ultrarobusto, o conector MULTIGIG RT 2-R da TE usa contatos que foram reprojetados para que cada feixe faça dois pontos de contato - denominados quad redundante - quase duplicando a área de patch de contato com o wafer. O novo sistema de contato pode reduzir as forças de conexão em até 10%, ao mesmo tempo em que ajuda a manter contato confiável sob níveis extremos de vibração. Como os dois feixes não são simétricos um com o outro, cada um deles tem modos de frequência diferentes em resposta à vibração, diminuindo a possibilidade de ambos os feixes serem afetados de modo adverso simultaneamente.
Criando um ecossistema VPX rico
O ecossistema VPX é rico, evoluindo para fornecer aos designers uma gama de opções para sinais diferenciais e de terminação simples, de conectividade de mezanino, de energia, óptica e de RF. À medida que o VPX evoluiu, novos padrões foram criados para atender à mais ampla gama de necessidades de interconexão. A Figura 2 abaixo resume as principais interconexões agora disponíveis para sistemas VPX da TE e mostra uma configuração nocional de possibilidades de sinal, RF e óptica em uma única borda de cartão.
Não são mostrados na figura os conectores de mezanino VITA 61 XMC 2.0. As placas de mezanino dão flexibilidade adicional de plug-in para sistemas, oferecendo funcionalidade expandida e modularidade para uma placa de circuito impresso. Eles permitem que as placas existentes sejam reconfiguradas, atualizadas ou personalizadas pelo acréscimo do cartão de mezanino. Aplicações típicas incluem protocolos de entrada/saída (E/S) de alta velocidade específicos da aplicação, gráficos, memória e processamento de sinal digital.
A norma VITA 67 especifica o conector da série SMPM, escolhido para a maior densidade de embalagem possibilitado pelo tamanho pequeno. O objetivo na concepção dos módulos RF VITA 67 era encaixar oito contatos RF no espaço ocupado por um único módulo de sinal VITA 46 VPX. O SMPM é uma versão miniaturizada do conector da série SMP que é 30% menor com desempenho semelhante e tem uma interface de encaixe cego compacta push-pull. Enquanto os conectores SMPM têm uma frequência operacional máxima de 65 GHz, o requisito padrão VITA 67 é uma faixa de frequência de DC a 26,5 GHz.
E/S mais rápida e densa
O processamento rápido por computação de bordo também requer velocidades mais rápidas de entrada/saída para ajudar a evitar gargalos de comunicação. À medida que as velocidades de E/S aumentam, questões de integridade de sinal e orçamento de energia criam novos desafios. Simplificando, os sinais de alta velocidade são mais difíceis de gerenciar do que os sinais de baixa velocidade. Quando mais alta for a velocidade de interconexão, mais difícil será gerenciar a perda de retorno, perda de inserção, diafonia e fatores semelhantes que podem degradar os sinais. Embora um sistema de cabeamento ideal não tenha conexões intermediárias entre as caixas, a necessidade real de quebras de produção e modularidade exige conectores no caminho.
Um conector mal projetado aparecerá como uma descontinuidade de impedância significativa. O impacto da descontinuidade é dependente de frequência – perda de retorno e aumento de interferência com frequência – o que significa que os conectores de E/S de alta velocidade devem ser projetados com mais cuidado. A atenuação no cabo e a perda de inserção no conector também são dependentes de frequência, tornando os orçamentos de energia mais desafiadores em altas velocidades.
Figura 3: Três famílias de conectores de 10 Gbit/s dão aos designers mais opções para atingir as metas do SWaP.
Os problemas de tamanho, peso e potência (SWaP) permanecem equivalentes a oferecer vigilância persistente, uma melhor relação combustível-peso e o potencial para UAVs menores. Embora conectores menores e mais leves ajudem a cumprir as metas do SWaP, a miniaturização não pode ser realizada em detrimento da integridade do sinal ou resistência robusta. Os conectores tradicionais de nanominiatura e microminiatura já existem, mas não foram projetados para sinais de alta velocidade. Mais recentemente, conectores com suporte a dados de 10 Gb/s chegaram em embalagens que vão desde nanominiatura até conchas tradicionais MIL-DTL-38999. A Figura 3 mostra uma comparação de tamanho de três desses conectores.
Fibra vai a distância
Mesmo que a conectividade baseada em cobre de alta taxa de dados esteja evoluindo, a transmissão de fibra óptica está encontrando um uso maior. Criar arquiteturas independentes de localização significa que diferentes subsistemas não devem ser limitados por distâncias de cabeamento. As fibras ópticas têm vantagens bem conhecidas de longas distâncias de transmissão, imunidade sonora, tamanho pequeno e peso leve. A fibra óptica também fez avanços no uso mais fácil, robustez e escolha. A norma VITA 66, por exemplo, oferece uma escolha de: virolas cerâmicas para a melhor perda de inserção e desempenho de perda de retorno; terminais de feixe expandido sem contato para aumento da robustez; e virolas MT para alta contagem de fibras de 12 ou 24 fibras por virola e múltiplas virolas por módulo. As mesmas opções estão disponíveis para uma variedade de conectores circulares e retangulares de estilo militar. À medida que o VPX continua a evoluir, ele dá aos designers novos níveis de flexibilidade e recursos para atender às sofisticadas necessidades de processamento de sinais dos UAVs. A adaptação e a evolução da tecnologia de interconexão comercial provou ser a maneira preferida de atender às necessidades cada vez maiores da computação de bordo. A tecnologia comercial muitas vezes leva a alcançar novos níveis de velocidade e densidade, precisando apenas ser suficientemente robusta para atender aos requisitos mais rigorosos de aplicações de alta confiabilidade. Embora essa robustez da tecnologia comercial possa não ser uma questão trivial, muitas vezes fornece um menor risco e um caminho de comercialização mais rápido do que começar do zero. Em vez de reinventar novas tecnologias, você só precisa demonstrar que a tecnologia já amplamente utilizada funciona em um ambiente mais rigoroso.
