Шина SPACEAGE: новая концепция построения авионики

Особенности электроники в традиционных сигнальных шинах

Рис. 1. Классическая архитектура C&DH

Сигнальные шины на космических аппаратах, выполненные с использованием традиционного подхода, имеют следующие особенности в области электроники:

• Форм-фактор традиционный и/или Eurocard (обычно 6U или 3U): односторонние или двухсторонние печатные платы.
• Печатная плата, параллельная основной и расположенная на задней панели (технология взята из коммерческой отрасли).
• Некоторые специальные сигналы добавлены в стандартный набор, что затрудняет их взаимозаменяемость.
• Все карты обмениваются данными с CPU/Hub через полудуплексный интерфейс, по одному пакету данных единовременно.
• Локализация неисправности труднодостижима из-за общих шины схемы питания и шины сигналов.
• Нет ЭМИ-изоляции между платами.

Особенности соединений в традиционных сигнальных шинах

Разъемы и соединители в традиционных сигнальных шинах имеют следующие особенности:

• Сотни контактов:
  • • требуется большое усилие для соединения/разъединения разъемов;
    • наборные разъемы не паяются (низкая надежность при вибрации).
• Отсутствие согласованности сопротивлений:
  • • сложность взаимодействия на высоких скоростях приема-передачи.
• Сложное выравнивание и крепление.

Рис. 2. Разъемы и соединители, используемые при построении традиционных шин

Механические особенности традиционных сигнальных шин

Сигнальные шины, выполненные с использованием традиционного подхода, имеют следующие механические особенности:

• Своеобразный дизайн корпуса с лицевой панелью с интегрированной картой:
  • • только одна сторона доступна для пользовательских разъемов.
• Замки для блокировки карты и пути отвода тепла:
  • • сложный осмотр установленных карт: может быть вовсе невыполним;
    • возможность повреждения верхнего слоя контактов при установке: срез мелких металлических частиц, которые потом попадают в окружающее пространство.
• Фиксированное расстояние между картами:
  • • проблемы с высокими компонентами или двусторонними платами.

Рис. 3. Клиновой замок и расположение печатной платы в традиционном решении

Квалификация традиционных сигнальных шин

Сигнальные шины, выполненные с использованием традиционного подхода, имеют следующие квалификационные особенности:

• Несовместимость карт от разных производителей:
  • • требуется тщательный контроль инженерной части;
    • использование данного недостатка поставщиками для привязки к своим продуктам;
    • иногда необходима глубокая модернизация и редизайн, чтобы соответствовать всем используемым картам.
• Модули, встроенные в корпус, проходят только функциональные испытания:
  • • карты поставляются непроверенными от поставщиков: требуется дополнительное тестирование (ЭМИ/ЭМС, тепловое, вибрационное).

Цели создания нового решения

Рис. 4. Архитектура шины SpaceAGE

Создание новой концепции построения сигнальной шины обусловлено следующими факторами:

• Разработать архитектуру, подходящую для 90% космических миссий.
• Сократить расходы на разработку систем:
  • • снизить единовременные затраты на проектирование (NRE);
    • стандартизировать электрические и механические интерфейсы.
• Упростить электрические интерфейсы, приняв:
  • • последовательный коммуникационный интерфейс:
      • • устранить механические допуски между разъемами,
        • повысить надежность системы за счет уменьшения количества передаваемых сигналов;
    • работу систем от одного уровня напряжения:
      • • более высокое напряжение для уменьшения величин тока и устранения проблем с запасом напряжения;
    • создание набора часто используемых сигналов;
    • архитектуру организации связи — «звезда»:
      • • общий или центральный модуль — HUB (концентратор),
        • периферийный или пользовательский модуль — NODE (узел).
• Упростить механическую часть, приняв:
  • • модульную концепцию с возможностью изменения длины слотов:
    • каждая печатная плата содержит свою часть механического шасси,
    • улучшение теплового дизайна — устраняет клиновые замки,
    • квалифицирует модули согласно требованиям ЭМИ/ЭМС и теплоотдачи,
    • значительно снижает допуски для механической части.

Основные системные требования

Рис. 5. Соединение узла (Node) и концентратора (Hub)

Основные системные требования, выдвигаемые концепцией использования новой шины:

• Высокоскоростные каналы связи:
  • • совместимость с высокоскоростным (гигабитным) последовательным протоколом.
• Распределение мощности.
• Надежность:
  • • изоляция между модулями;
    • поддержка схем резервирования.
• Простота реализации:
  • • минимальные требования совместимости;
    • простые предопределенные интерфейсы.
• Простота расширения:
  • • до семи модулей NODE (узлов) на одной шине (всего восемь или девять модулей, включая модули HUB);
    • как минимум одна сторона зарезервирована для пользовательских разъемов.

Предлагаемая архитектура шины SpaceAGE

• Все узлы (Node) взаимодействуют с концентратором (Hub) одновременно через полнодуплексный интерфейс.
• Все соединения выполняются через выделенный, изолированный от неисправностей дифференциальный интерфейс. Нет общих соединений!

Предлагаемый функционал системы SpaceAGE Bus

• 

  Рис. 6. Соединение двух концентраторов (Hub-Hub)

  
  Данные:
  • • последовательная связь концентратора и узла:
      • • скорость передачи данных на канал 1 кбит/с — 3,125 Гбит/с (настраивается и программируется пользователем),
        • дифференциальные пары для полнодуплексных операций,
        • несколько потоков: HUB может одновременно общаться более чем с одним узлом,
        • обмен данными HUB-HUB,
        • гибкие протоколы передачи данных, такие как SpaceWire, SpaceFibre, PCI Express и т. д. — все они могут сосуществовать в одной системе,
        • муфта переменного тока для лучшей защиты от синфазной помехи.
• Питание:
  • • 28-В шина с переключением питания от концентратора:
      • • среднеквадратичная мощность до 20–30    Вт на узел,
        • электрическая изоляция между концентраторами и узлами,
        • горячее подключение/отключение для узлов и концентраторов без нарушения работы других компонентов системы,
        • возможность работать напрямую с напряжением питания 120 В.
• Часы:
  • • индивидуальное распределение от концентратора к каждому узлу:
      • • программируемое пользователем распределение для синхронизации событий,
        • синхронизация частоты источников питания.
• Аналоговая телеметрия:
  • • HUB будет обрабатывать всю телеметрию узлов (с точностью 0,1%), узел должен иметь:
      • • либо дифференциальный мультиплексор для аналоговых сигналов узлов (с точностью до 0,1%),
        • либо термистор, если наличие аналоговой схемы на узле нежелательно.
• Дополнительно:
  • • упростить контроль узлов концентратором:
      • • независимый сброс для каждого модуля,
        • одночастотная синхронизация мощности,
        • горячее подключение/отключение каждого модуля.

Соединение концентратора и узла

• Для передачи данных по основному функционалу требуется всего 16 соединений на узел.
• Если требуется резервирование — узел получит дополнительный набор проводов от концентратора.

Соединение двух концентраторов (HUB-HUB)

• Для обмена данными по основному функционалу требуется всего 16 соединений на концентратор.

Распределение питания шины SpaceAGE

Рис. 7. Схема распределения питания SpaceAGE

Краткое описание системы SpaceAGE

• Простота реализации:
  • • простой интерфейс с точки зрения электроники:
      • • только 16 соединителей на канал, которые способны удовлетворить требования для 90% и более миссий;
    • простой механический интерфейс:
      • • необходимо определение местоположения только разъемов,
        • нет ограничений по ширине модуля.
• Упрощенная совместимость оборудования разных производителей:
  • • отсутствие пользовательских функций для стандартных задних разъемов.
• Повышенная пропускная способность на уровне подсистемы:
  • • последовательные пересылки обеспечивают более высокую скорость передачи данных;
    • двойная скорость обработки/передачи, когда подключены два модуля HUB.
• Функции пользователя:
  • • передняя и верхняя поверхности зарезервированы для пользовательских разъемов;
    • установка нескольких карт на модуль.
• Уменьшение массы и объема по сравнению с традиционным подходом.
• Превосходный теплообмен:
  • • устранение клиновых замков: прямой контакт между платами и корпусом модуля;
    • большая площадь контакта корпуса модуля и шины.
• Защита от ЭМИ/ЭМС:
  • • 100%-ное экранирование от электромагнитных помех;
    • низкий уровень шума благодаря возможности полной синхронизации всех устройств.
• Надежность системы:
  • • одиночная передача;
    • или двойное независимое резервирование;
    • или система перекрестного резервирования.
• Широкий спектр применения:
  • • может использоваться для миссий с участием человека или роботов.

Требования к контактам и разъемам

• Минимальное количество контактов: 16, с возможностью расширения.
• Соединители: сечение провода питания до AWG # 24.
• Импеданс: дифференциальное сопротивление 100 Ом.
• Высокая скорость работы: до 4 Гбит/с.
• Экранирование: полная защита от ЭМИ.
• Соединение:
  • • простое соединение;
    • защита соединенного контакта от внешней среды.
• Материал: нет вакуумной дегазации, работа в невесомости.
• Форма: прямоугольные для удобства использования.

Предлагаемый тип разъема

Рис. 8. Пример разъема

Пример разъема от компании Sabritec (Smiths Interconnect) с квадраксиальными вставками показан на рис. 8.

 Предлагаются 4- (как на рисунке) и 16-контактные разъемы.

Предлагаемое назначение сигналов

Смотри табл. 1.

Таблица 1.
Предлагаемое назначение сигналов для SpaceAGE

Пример предлагаемого подключения

Рис. 9. Пример предлагаемой схемы подключения системы с двумя концентраторами

Предлагаемая архитектура HUB (цифровая секция)

Рис. 10. Пример предлагаемой архитектуры концентратора (цифровая часть)

Предлагаемые порты связи для концентратора

Рис. 11. Предлагаемы порты концентратора (Hub) для связи

Преимущества предлагаемой архитектуры портов концентратора

Таблица 2.
Описание портов концентратора

Предложенная архитектура HUB (аналоговая секция TLM & Power)

Рис. 12. Пример предлагаемой архитектуры концентратора (аналоговая часть)

Предлагаемая архитектура узла

Рис. 13. Предлагаемая архитектура узла

Вид системы в сборе

Рис. 14. Вид предлагаемого решения в сборе

Вид без внешней части корпуса

Рис. 15. Вид предлагаемого решения без внешних стенок корпуса

Передняя сторона объединительной стенки

Рис. 16. Вид на переднюю часть с разъемами

Задняя сторона объединительной стенки

Рис. 17. Вид на заднюю часть с разъемами

Вид сборки решения с двумя платами

Рис. 18. Предлагаемый вариант сборки с двумя платами

Рекомендуемые размеры концентратора (Hub)

Рис. 19. Размеры концентратора

Модели концентратора предлагаемого решения

Рис.20. Модели концентратора предлагаемого решения

Таблица 3.
Сравнение параметров традиционной шины и предлагаемого решения

Заключение

Предложенная в статье архитектура построения сигнальных шин и самого узла несет в себе множество преимуществ по сравнению с традиционной. Успех новой архитектуры позволит сократить затраты на NRE, упростить и стандартизировать электрические и механические интерфейсы, а также получить более высокие скорости обмена данными  в системе.