標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品創(chuàng)新在系統(tǒng)集成商和技術(shù)開(kāi)發(fā)人員之間建立了共生關(guān)系。隨著新的組件級(jí)技術(shù)的引入，它們可實(shí)現(xiàn)更快、更低成本和改進(jìn)的 SpaceVPX （VITA 78.0） 平臺(tái)實(shí)施。利用這些新技術(shù)的SpaceVPX系統(tǒng)將提高采用率和部署率，為組件供應(yīng)商創(chuàng)造更高的開(kāi)發(fā)投資回報(bào)，同時(shí)加快集成SpaceVPX系統(tǒng)的部署和使用。

為了追求卓越的技術(shù)，微電子開(kāi)發(fā)人員必須不斷創(chuàng)新引人注目的解決方案，以實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)應(yīng)用的發(fā)展。識(shí)別和定義最佳的專用解決方案需要來(lái)自多個(gè)來(lái)源和技能組合的輸入。

雖然創(chuàng)造真正的新技術(shù)令人振奮，如果被廣泛采用，將獲得成比例的巨大收益，但它也伴隨著許多高風(fēng)險(xiǎn)因素。其中一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是由于新穎解決方案的獨(dú)特性而導(dǎo)致的市場(chǎng)接受度和采用率。當(dāng)技術(shù)開(kāi)發(fā)人員沒(méi)有一個(gè)主要應(yīng)用程序可以關(guān)注時(shí)，例如iPhone，則需要另一種方法，例如定位標(biāo)準(zhǔn)?？紤]一下MIL-STD-1553的普遍性，自1970年代以來(lái)，它幾乎被部署在每架軍用飛機(jī)和衛(wèi)星上。幾十年來(lái)投資MIL-STD-1553解決方案將帶來(lái)許多倍的回報(bào)，僅僅是通過(guò)該技術(shù)的使用和采用率。

基于MIL-STD-1553，SpaceWire（ECSS-E-ST-50-12C），RS-485（EIA / TIA-485）和CAN總線（ISO 11898-x）等標(biāo)準(zhǔn)的可靠且功能強(qiáng)大的接口組件已服務(wù)于世代軍事和空間系統(tǒng)。盡管這些接口組件提供了支持多種系統(tǒng)和應(yīng)用的強(qiáng)大解決方案生態(tài)系統(tǒng)，但它們本身并不能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)級(jí)接口要求。相反，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)定義確定需要哪些組件。廣泛采用的系統(tǒng)定義 - 最好是通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)制定和批準(zhǔn)的定義 - 可以清楚地突出創(chuàng)新組件級(jí)解決方案的機(jī)會(huì)，從而有效實(shí)施開(kāi)放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

SpaceVPX （VITA 78.0） 是一款出色的開(kāi)放式系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具有集成靈活性、高性能信號(hào)和傳感器處理潛力以及出色的故障恢復(fù)能力。單元級(jí)外形包括 3U 和 6U，具有標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展長(zhǎng)度選項(xiàng)以及多達(dá) 32 個(gè)邏輯模塊插槽。標(biāo)準(zhǔn)組在定義平臺(tái)時(shí)考慮了很多因素，沒(méi)有單點(diǎn)故障，以便通過(guò)系統(tǒng)注入冗余。然而，實(shí)現(xiàn)SpaceVPX的所有承諾在很大程度上取決于能夠滿足苛刻平臺(tái)要求的組件生態(tài)系統(tǒng)，包括電源，實(shí)用程序模塊（SpaceUM），機(jī)箱控制器，串行RapidIO和SpaceWire交換卡以及最終有效載荷卡的獨(dú)特要求。

高級(jí)空間VPX概述

SpaceVPX系統(tǒng)的典型特征是冗余的插槽卡或模塊組。如圖 1 所示，模塊分組分為主模塊（A 側(cè)）或次級(jí)（B 側(cè)）。在模塊分組中，有三個(gè)模塊類：電源模塊、邏輯模塊和實(shí)用程序模塊/SpaceUM。雖然電源和實(shí)用程序模塊在SpaceVPX系統(tǒng)中扮演著非常不同的角色，但邏輯模塊跨越了一系列用途，可以細(xì)化為子組。

有效負(fù)載模塊代表執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用程序功能的插槽卡，并且會(huì)根據(jù)程序要求而有很大差異。控制器模塊執(zhí)行機(jī)箱管理功能，并在公用設(shè)施平面和控制平面上在整個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行通信。最后，數(shù)據(jù)交換模塊提供所有有效載荷模塊之間高帶寬數(shù)據(jù)平面通信的交叉開(kāi)關(guān)。

［圖1 |圖顯示了SpaceVPX系統(tǒng)高級(jí)模塊概述。

請(qǐng)記住，通過(guò)冗余實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)是 SpaceVPX 規(guī)范的主要內(nèi)容，交叉綁定控制、實(shí)用程序和數(shù)據(jù)平面通信鏈路至關(guān)重要。

SpaceVPX模塊中的接口和職責(zé)

進(jìn)一步深入研究每個(gè)SpaceVPX模塊中的接口和職責(zé)可能會(huì)有所幫助。站在模塊設(shè)計(jì)人員的立場(chǎng)上，經(jīng)常會(huì)指出現(xiàn)成的組件解決方案不足以有效滿足系統(tǒng)要求的問(wèn)題。這些能力差距為定義和開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的組件解決方案提供了巨大的機(jī)會(huì)，這些解決方案將能夠更有效地實(shí)施SpaceVPX要求。讓我們看一下電源和SpaceUM模塊。

SpaceVPX系統(tǒng)電源單元（PSU）從衛(wèi)星電源總線或其他特定架構(gòu)定義的電壓域接收外部電源。每個(gè)電源負(fù)責(zé)產(chǎn)生多達(dá)七個(gè)電壓軌：+12 V/VS1、+12 V/AUX、+3.3 V/VS2、+3.3 V/AUX、+5 V/VS3、-12 V/AUX 和 VBAT。

雖然電源中的主要模塊不多，但細(xì)節(jié)決定成敗，特別是考慮到能夠高效率提供》100 W的抗輻射（抗輻射）、空間合格、高功率密度、隔離式轉(zhuǎn)換器的可用性有限時(shí)。如果500 W電源的平均效率為85%，則模塊將需要散熱75 W。這絕非易事。特別是在真空空間中運(yùn)行的 3U 外形模塊中。

先進(jìn)的封裝能力和氮化鎵 （GaN） 等更好技術(shù)的可用性不斷提高意味著零件的改進(jìn);此外，當(dāng)需要更高的電源軌功率時(shí)，GaN轉(zhuǎn)換器也可以并聯(lián)放置。

電源中另一個(gè)尚未開(kāi)發(fā)的潛在創(chuàng)新領(lǐng)域是通過(guò)集成電源管理總線（PMBus）實(shí)現(xiàn)的“智能”功能集成。PMBus提供了許多有用的、面向轉(zhuǎn)換器的功能，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整穩(wěn)壓器參數(shù)，如輸出電壓、電流限制、開(kāi)關(guān)頻率和斜坡速率等。此外，PMBus還提供一套豐富的故障檢測(cè)和響應(yīng)控制以及眾多狀態(tài)和遙測(cè)功能。

通過(guò) I 進(jìn)行通信2C 物理層 – 憑借公用平面上使用的智能平臺(tái)管理總線 （IPMB） ，它已經(jīng)是 SpaceVPX 中的通用物理層 – PMBus 為電源設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)小型、低功耗的主控制器，以配置、控制和收集來(lái)自支持 PMBus 的轉(zhuǎn)換器的內(nèi)務(wù)管理信息，同時(shí)將所有相關(guān)信息報(bào)告回公用平面上的 SpaceVPX 機(jī)箱控制器。雖然主機(jī)控制器解決方案可用，但目前沒(méi)有提供具有PMBus功能的符合空間標(biāo)準(zhǔn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器，這代表了創(chuàng)新的絕佳機(jī)會(huì)。

拆卸 SpaceVPX SpaceUM

SpaceUM可能是SpaceVPX系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)性的模塊，因?yàn)樗袚?dān)著巨大的責(zé)任，必須在小型化，專用，輻射硬化組件的有限可用性的情況下進(jìn)行處理。SpaceUM面臨的一些主要任務(wù)包括

將所有主/冗余電源軌復(fù)用到每個(gè)邏輯模塊（每個(gè) SpaceUM 最多八個(gè)模塊）

在選定的一側(cè) A/B 機(jī)箱控制器之間路由 IPMB 通信，并以“星形拓?fù)洹睂⑵渖瘸龅矫總€(gè)邏輯模塊

為每個(gè)邏輯模塊重復(fù)和扇出系統(tǒng)復(fù)位、基準(zhǔn)和輔助時(shí)鐘

圖2是SpaceUM模塊的簡(jiǎn)化高級(jí)圖，描述了兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)控制器和一個(gè)代表冗余電源的塊，分別向SpaceUM卡饋送公用平面信號(hào)和所有六個(gè)重復(fù)電源軌。SpaceUM將其所有輸入復(fù)制到每個(gè)SpaceVPX邏輯/有效載荷插槽 - 每個(gè)SpaceUM卡最多八個(gè)插槽。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該圖僅顯示流向單個(gè)邏輯/有效負(fù)載插槽卡的信號(hào)和電源。SpaceUM卡使用一組邊帶選擇信號(hào)來(lái)選擇它將通過(guò)哪個(gè)系統(tǒng)控制器和電源傳遞到背板。

［圖2 |高級(jí)框圖顯示了SpaceUM模塊的布局。

從組件供應(yīng)商的角度來(lái)看，有許多有趣的功能可以提供。從機(jī)箱控制器扇出塊開(kāi)始，三個(gè)公用設(shè)施平面信號(hào)集看起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單。仔細(xì)檢查，扇出所需的信號(hào)量可能會(huì)成為I/O密集型。例如，IMPB包括四個(gè)I2每個(gè)插槽的 C 信號(hào)。該扇出器件具有多達(dá) 8 個(gè)邏輯/有效負(fù)載插槽和系統(tǒng)控制器，需要 36 個(gè)支持 I2C 的 I/O，這很快超過(guò)了所有符合空間標(biāo)準(zhǔn)的微控制器的可用資源。此外，扇出設(shè)備需要能夠管理 I2系統(tǒng)控制器和目標(biāo)邏輯/有效負(fù)載插槽卡之間的 C 協(xié)議流控制。雖然商業(yè)/地面微電子解決方案包括2C 扇出器件，抗輻射解決方案不能這樣說(shuō)。

在公用設(shè)施平面信號(hào)被緩沖并扇出后，必須通過(guò)背板接口將每側(cè) A/B 信號(hào)分組多路復(fù)用到插件模塊。IPMI 接口特別棘手，因?yàn)?I2必須保留具有雙向能力的C信號(hào)特性。不幸的是，航天工業(yè)目前沒(méi)有得到真正的支持。2C 路由器或多路復(fù)用器。然而，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)傳輸門總線開(kāi)關(guān)來(lái)解決。理想的解決方案是傳輸門（T門）多路復(fù)用器，目前也沒(méi)有空間限定的格式，但有空間保證的單刀/單擲總線開(kāi)關(guān)可以配置為多路復(fù)用功能。

通過(guò)在總線開(kāi)關(guān)設(shè)備上選擇合適的通道，可以在多路復(fù)用配置中使用單刀單擲總線開(kāi)關(guān)。由于傳輸門的低串聯(lián)阻抗（典型值為5歐姆），它們提供非?？斓膫鞑パ舆t，具有高度的輸入到輸出信號(hào)特性匹配和自然的雙向信號(hào)傳輸。

下一個(gè)公用設(shè)施平面挑戰(zhàn)是將四個(gè)差分時(shí)鐘域路由到插件模塊。A 側(cè)和 B 側(cè)系統(tǒng)控制器提供一個(gè)差分系統(tǒng)時(shí)鐘、輔助時(shí)鐘和兩個(gè)參考時(shí)鐘。SpaceUM模塊必須接收這些時(shí)鐘，并使用時(shí)鐘管理設(shè)備將它們扇出到每個(gè)插件模塊。

SpaceUM模塊的最后一個(gè)主要職責(zé)是將過(guò)多的電源軌切換到插入式模塊，或“電源復(fù)用”。將單個(gè)電源軌切換到給定負(fù)載相當(dāng)簡(jiǎn)單明了。所需要的只是一個(gè)分流功率MOSFET［金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管］和柵極驅(qū)動(dòng)器。然而，SpaceVPX要求更多。

電源多路復(fù)用需要在每個(gè)冗余電源軌上進(jìn)行反向電流阻斷，這通常通過(guò)第二個(gè)串聯(lián)分流理想二極管FET（增加可靠性或功率）來(lái)解決，以阻止電流從所選電源流經(jīng)負(fù)載開(kāi)關(guān)并返回非所選電源。此外，多路復(fù)用操作需要每個(gè)導(dǎo)軌上的選擇開(kāi)關(guān)，以將命令電源連接到所需的有效負(fù)載插槽?？偠灾?，電源多路復(fù)用器需要多達(dá)四個(gè)電源開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器/控制器。

影響SpaceUM模塊電源開(kāi)關(guān)部分的其他考慮因素包括故障檢測(cè)，隔離和恢復(fù)（FDIR）;浪涌電流限制;電流監(jiān)測(cè);以及（如果需要）每個(gè)開(kāi)關(guān)電源軌的內(nèi)務(wù)管理信息。根據(jù)分配給每個(gè)插件模塊的電流等級(jí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致的導(dǎo)電電壓降可能會(huì)產(chǎn)生非常困難的設(shè)計(jì)約束，以滿足每個(gè)負(fù)載的穩(wěn)壓容差。這在3.3 V和5 V域尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)?.3 V和5 V域的電壓容限更嚴(yán)格，電流要求通常高于12 V電源軌上的電流要求。

航天工業(yè)提供相當(dāng)廣泛的3.3 V和5 V電源開(kāi)關(guān)解決方案，以及略窄范圍的12 V開(kāi)關(guān)組件。目前沒(méi)有可用的-12 V開(kāi)關(guān)解決方案，SpaceUM設(shè)計(jì)人員只能開(kāi)發(fā)自己的分立式-12 V電源多路復(fù)用電路。

專注于空間保證型電源開(kāi)關(guān)解決方案，設(shè)計(jì)人員有幾個(gè)差異化因素需要權(quán)衡。在3.3 V和5 V電源軌上，一些解決方案將開(kāi)關(guān)FET集成到控制器本身內(nèi)，有利于更小的實(shí)施尺寸，但電流通常限制為《10 A。如果插件模塊指定用于更高的電流，則需要將這些設(shè)備并聯(lián)起來(lái)。另一個(gè)考慮因素是故障保護(hù)和內(nèi)務(wù)管理（遙測(cè)）要求，這些要求在大多數(shù)組件上都有些有限或不存在。

或者，使用 UT05PFD103（5 V 電源軌）和 UT36PFD103（12 V 電源軌）等器件，智能電源開(kāi)關(guān)控制器 （SPSC） 可為設(shè)計(jì)人員提供與當(dāng)前類別無(wú)關(guān)、廣泛的 FDIR 功能以及集成的電壓和電流監(jiān)控遙測(cè)。使用SPSC上的PMBus接口，SpaceUM機(jī)箱控制器扇出管理組件可以利用單個(gè)I2C端口直接配置，命令，控制和收集來(lái)自SPSC控制的每個(gè)電源軌的廣泛狀態(tài)和遙測(cè)數(shù)據(jù)。

盡管如此，完美的SpaceVPX電源切換解決方案目前還不存在。保留SPSC的多種先進(jìn)功能，嵌入式電源開(kāi)關(guān)支持》20安培的電流輸送，將是SpaceUM電源開(kāi)關(guān)功能小型化的一大舉措。此外，在單個(gè)控制器中添加電源多路復(fù)用器功能可以將每個(gè)開(kāi)關(guān)軌的占用空間開(kāi)銷減少一半。對(duì)于低電壓、高電流電源軌，必須將導(dǎo)電壓降降至最低，這就需要為這些電源軌使用n溝道或GaN電源開(kāi)關(guān)。最后，-12 V電源開(kāi)關(guān)解決方案對(duì)于滿足SpaceVPX電源復(fù)用的全部要求至關(guān)重要。

穿著設(shè)計(jì)師的鞋子走一英里

SpaceVPX 承諾提供一個(gè)強(qiáng)大靈活、可擴(kuò)展和容錯(cuò)的平臺(tái)，在一個(gè)開(kāi)放的、插入式模塊的、面向的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最高程度的計(jì)算和傳感器處理。實(shí)現(xiàn) SpaceVPX 提供的潛在優(yōu)勢(shì)需要一個(gè)由先進(jìn)的空間保證組件組成的廣泛生態(tài)系統(tǒng)。航天工業(yè)供應(yīng)商基地已經(jīng)創(chuàng)新了許多專用解決方案，以實(shí)現(xiàn)成功的SpaceVPX實(shí)施，但需要更多的技術(shù)創(chuàng)新才能看到SpaceVPX充分發(fā)揮其潛力。

通過(guò)站在SpaceVPX設(shè)計(jì)師的立場(chǎng)上，組件供應(yīng)商可以快速了解局限性所在。組件供應(yīng)商對(duì)SpaceVPX支持技術(shù)的投資程度將反過(guò)來(lái)促進(jìn)更多的SpaceVPX部署，從而為組件供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商帶來(lái)雙贏的主張，最終為程序提供一個(gè)靈活，可靠和可擴(kuò)展的平臺(tái)，以更快，更經(jīng)濟(jì)地實(shí)施先進(jìn)的傳感器，人工智能（AI）和計(jì)算密集型應(yīng)用。

審核編輯：郭婷