空间VPX扩展嵌入式计算标准满足空间的特殊需求

　　太空飞行器，无论是载人还是无人驾驶，传统上都依赖于定制的嵌入式计算系统。由于标准系统在设计时没有考虑到空间应用，因此它们没有解决太空飞行的关键问题，例如除气，“锡须”，冗余和坚固性。然而，设计师和工程师认识到使用完善的、标准化的、开放式架构的平台来创建一个多样化的生态系统的好处，从而提供更多的选择、更低的成本和更低的风险。以空间为中心的标准化平台的可用性带来了竞争环境的优势，降低了开发成本和更高的可靠性。

　　使用开放标准意味着不必为新设计反复攀登学习曲线。硬件、固件和软件的重用缩短了设计周期并降低了生命周期成本。它还可以让设计人员专注于诸如减小尺寸、重量和功耗（SWaP）等紧迫问题，这始终是空间应用中的首要任务。

　　可靠性设计

　　空间VPX，也称为VITA 78，使用VITA 65开放VPX背板标准作为空间系统的基础。作为下一代空间互连标准（NGSIS）的一部分，空间VPX由VITA 78工作组开发，通过空间所需的功能增强了VPX标准。因此，空间VPX解决了VPX未涵盖的对航天飞行至关重要的许多问题。

　　通过冗余配电和对关键配置信号的故障检测实现单点故障容限

　　可根据需要打开和关闭电源的备用模块

　　支持新功能的系统管理

　　强大的系统诊断功能

　　SpaceVPX增加了一个双冗余的实用程序管理模块和平面来管理新功能。与在OpenVPX中创建的配置文件类似，空间VPX还定义了有效载荷，控制，内存和切换的配置文件。

　　美国空军研究实验室（AFRL）于2011年启动了NGSIS，正在寻找一个标准委员会来托管他们的NGSIS，并来到VITA。他们确定VPX将是一个可接受的架构，并于2012年3月成立了一个研究小组，成为VITA 78。

　　在VITA标准组织（VSO）的公共领域之外开发了稻草人，直到获得国际武器贩运条例（ITAR）的许可。VITA 78随后在2013年初秋过渡到一个运作良好的VITA 78工作组。

　　VITA 78现在处于发展的后期阶段，最近经过了工作组的投票。从那里开始，它将进行VSO投票，然后提交ANSI批准。这一进程的时间框架没有得到高度管制，因为选票实际上是征求意见的工具。发布的时间范围可能会有所不同，具体取决于评论的数量和解决评论所需的时间。AFRL在多家原始设备制造商的协助下领导了这一举措。

　　空间VPX连接：超坚固

　　为太空设计嵌入式计算系统需要一种解决方案，该解决方案不仅要能够承受升空的极端振动，还要能够处理极端温度、背景辐射和外星旅行的其他恶劣条件。

　　为空间 VPX 选择的 TE 连接背板连接器，即多格 RT 2-R 连接器，是 VITA 46 VPX 连接器（多格 RT 2 连接器）的向后兼容变体。MULTIGIG RT 2 连接器是 VITA 46 VPX 的标准，代表了在坚固耐用的嵌入式计算领域向前迈出的一大步，在全球范围内部署了从装甲车电子学和直升机雷达航空电子设备到空间应用的各种应用。模块化连接器系统具有受保护的背板连接器，并使用无引脚晶圆设计代替引脚触点，这种方法在商业应用中已得到广泛认可。晶圆可用于差分、单端和功率需求，可轻松修改，以支持客户对特性阻抗、传播延迟和其他电气参数的特定需求。尽管晶圆可以根据特定的电气需求进行“调谐”，但标准晶圆，例如用于差分信号的100欧姆晶圆，在大多数情况下就足够了。

　　VITA 46 多组 RT 2 连接器符合 VITA 47 环境的要求。为了获得最佳设计安全因素，SpaceVPX超越了VITA 47，将增强的环境性能和设计冗余与一致的空间设计范式相结合。相对于环境问题，已经探索了新的测试水平，以表征超出最严重预期暴露水平的互连。其中一项公共倡议是VITA 72研究小组。VITA 72小组设计了振动“酷刑测试”，将6U VPX测试装置暴露在0.2 g2 / Hz的随机振动水平下12小时。为了满足 VITA 72 的要求，TE 工程师修改了 VITA 46 连接器的触点系统，以提供四冗余触点，而不是现有系统的两个点。增加冗余点可提高高振动环境中的可靠性。新型 MULTIGIG RT 2-R 连接器使插座触点和晶圆之间的接触点加倍，从而使 SpaceVPX 设计人员既能访问庞大且经过时间考验的 VPX 生态系统，又能提供太空飞行应用所需的冗余。

　　除了超坚固的设计外，MULTIGIG RT 2-R 连接器还具有其他一些功能，使其对空间应用具有吸引力。

　　多格 RT 2-R 版本是一款非常轻的 VPX 背板连接器。在传统的背板连接器设计中，插入式模块连接器通常是重的一半，但MULTIGIG连接器的简约设计利用了显着的气隙而不是重聚合物。

　　它符合 NASA 总质量损失 （TML） 为 1.0% 的除气要求，收集的挥发性可冷凝材料 （CVCM） 小于 0.01%。除气是固体中捕获的气体的释放，这是一个问题，因为气体会降低卫星，热散热器或太阳能电池中电荷耦合器件（CCD）传感器的性能。除气是创造和维护清洁、高真空环境的挑战。此外，航天器的封闭环境可能使除气成为一个更大的问题。

　　由于连接器避免使用纯锡，因此它不会促进所谓的锡晶须的生长，锡须可能是触点之间，印刷电路板焊盘之间以及触点和焊盘之间短路的来源。锡晶须还会导致金属蒸气电弧，当固体金属晶须汽化成高导电金属离子的等离子体时，就会发生这种情况，该等离子体可以形成能够携带数百安培的电弧。锡须已被证明是轨道上卫星故障的重大潜在故障模式。

　　VPX是嵌入式高性能计算的流行标准，其数据速率超过10 Gbps.得益于几年的发展，VPX生态系统高度多样化，为设计人员提供了单端和差分信号，夹层，电源，光学和RF连接的一系列选择。随着 VPX 的发展，新的标准已经创建，以提供全面的互连需求。

　　可用于生态系统的其他连接器尚未针对SpaceVPX应用进行全面评估，但初步检查尚未发现任何不可逾越的问题。随着设计人员寻找其他连接解决方案，那些已经是VPX生态系统一部分的人是主要的候选者。

　　VPX 占用空间

　　SpaceVPX建立在将开放式架构和商业现货（COTS）产品相结合以实现高性能嵌入式计算（HPEC）的既定理念之上。它不仅可以享受强大的竞争环境的优势，还可以利用已经推出的产品的丰富可用性。同时，SpaceVPX扩展了VPX标准，以适应太空飞行的独特需求，以创建一个在恶劣环境中将冗余和可靠性放在首位的系统。SpaceVPX可以被视为两用技术的一个主要例子，使用部署在无数VITA 46 VPX程序中的相同连接器，并将其用于太空飞行硬件。

　　审核编辑：郭婷