基于VPX的模塊化綜合電氣互連技術(shù)*

萇群峰，林 若，姜 偉，楊 斌

(北京航天微機電技術(shù)研究所， 北京 100094)

基于VPX的模塊化綜合電氣互連技術(shù)*

萇群峰，林 若，姜 偉，楊 斌

(北京航天微機電技術(shù)研究所， 北京 100094)

構(gòu)建快速響應(yīng)體系是未來航天技術(shù)的發(fā)展趨勢，模塊化綜合電氣互連技術(shù)是關(guān)鍵。文中研究了基于VPX的模塊化綜合電氣互連技術(shù)，實現(xiàn)了各功能模塊間無纜化高速快速互連功能。背板采用單星互連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各功能模塊統(tǒng)一封裝，由交換板通過身份識別技術(shù)進行集中控制，實現(xiàn)各功能模塊的無差別互換。電源管理采用數(shù)字化配電技術(shù)，實現(xiàn)各功能模塊的到位檢測、順序上電、過流保護等健康管理功能。

VPX；模塊化；綜合電氣互連

引 言

隨著電子信息技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，航天、軍工的電子系統(tǒng)平臺越來越復(fù)雜，需要傳輸和處理的信息量也越來越大?，F(xiàn)今許多電子系統(tǒng)平臺需要實時傳輸大量圖像、語音等高頻高速信號，對數(shù)據(jù)帶寬、傳輸速率等指標(biāo)的要求越來越高，以往的互連技術(shù)越來越無法滿足這種要求。新的VPX標(biāo)準(zhǔn)[1-2]采用高速差分信號傳輸技術(shù)，是目前最好的總線標(biāo)準(zhǔn)之一。采用VPX標(biāo)準(zhǔn)能很好地滿足高速數(shù)字信號傳輸和大功率配電的技術(shù)需求，而且還可以滿足航天器對沖擊、振動、電磁輻射及干擾等的可靠性要求。

航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從分立式、聯(lián)合式到綜合式的發(fā)展過程。綜合航空電子的特點是，采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，由標(biāo)準(zhǔn)通用化模塊[3]組成。衛(wèi)星平臺的綜合電子系統(tǒng)[4]采用統(tǒng)一總線和模塊化設(shè)計組裝的特點也日益普遍。從以上航空和衛(wèi)星平臺的綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展來看，快速響應(yīng)航天電子系統(tǒng)對基于VPX的模塊化綜合互連技術(shù)的需求越來迫切。

1 模塊化綜合電氣互連系統(tǒng)總體設(shè)計

航天器用模塊化綜合電氣互連系統(tǒng)總體設(shè)計思路如圖1所示。平臺電源通過數(shù)字化配電模塊SSPC(固態(tài)功率控制器)給背板供電，主控板與負(fù)載板插入到背板后，SSPC配電模塊檢測到主控板與負(fù)載板的到位信號后開始供電。主控板與負(fù)載板通過背板進行高速信號傳輸。

圖1 智能電氣互連總體設(shè)計思路

通過背板和子板上功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)化接口實現(xiàn)各功能模塊間的電氣互連。背板包括標(biāo)準(zhǔn)化接口、高速高密度大功率電路板以及能夠?qū)崿F(xiàn)到位檢測、身份識別和順序上電等功能的SSPC配電模塊。功能模塊包括標(biāo)準(zhǔn)封裝、插拔與鎖緊裝置。各功能模塊間通過背板實現(xiàn)電氣互連的總體方案如圖2所示。

圖2 智能電氣互連總體方案

以下主要對實現(xiàn)總體方案的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，包括模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計及連接器設(shè)計、背板設(shè)計和數(shù)字化配電設(shè)計三個方面。

2 模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計及連接器設(shè)計

2.1 模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

各功能單機之間通常采用電纜組件實現(xiàn)信號的傳輸，隨著信號類型和數(shù)量的增加，勢必會增加連接器和電纜的數(shù)量和種類，占用航天器有限的空間和載重，且線路間易混淆使可靠性降低，采用基于VPX的模塊化綜合電氣互連系統(tǒng)可以有效避免上述問題。

VPX標(biāo)準(zhǔn)在VME總線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進行了重大改進。它的制定主要考慮了以下幾個因素[5]：1)采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計，可替換性好；2)使用高速、高密度、高接觸性能的VPX差分連接器，能夠保證信號傳輸?shù)耐暾裕?)增強電源設(shè)計，在5 V、12 V的供電電壓下，每個槽位的最大供電功率分別能達到115 W、384 W。

基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計有以下優(yōu)點：首先，以連接器和PCB走線代替電纜，能無纜化地實現(xiàn)板間互連，可以大大提高可靠性及安裝、互換效率，并且所有子板使用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)尺寸，裝配時不必考慮子板所在的插槽位置，即各功能模塊能實現(xiàn)無差別互換，保證快速裝配和更換；其次，機械結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化使得具有標(biāo)準(zhǔn)接口和外形尺寸的通用模塊或?qū)Ｓ媚K(每個標(biāo)準(zhǔn)模塊都有自己獨立的鎖緊裝置、電連接器等，可以實現(xiàn)快速插拔)能通過不同組合構(gòu)成具有各種功能的航天電子分系統(tǒng)，不僅可以減少功能模塊的種類和數(shù)量而且可以提高模塊的通用化水平。

VPX標(biāo)準(zhǔn)中使用的模塊有3U和6U兩種結(jié)構(gòu)，本文使用接口較多的6U模塊。子板和背板的連接通過VPX連接器[6]完成，使用了兩種插頭型號的連接器，即含有8片晶片的P0連接器以及含有16片晶片的P1～P6連接器。P0連接器作為公用連接器，用于傳輸電源信號、時鐘信號、物理槽位號、管理總線信號和測試總線信號。其余連接器可定義為單端信號或差分信號的連接器，用來傳輸高速差分信號。此外，模塊還有3個Key作為導(dǎo)向柱。整個模塊如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)6U模塊

2.2 VPX連接器

VPX連接器作為業(yè)界對VPX總線協(xié)議的唯一解決方案，是VPX的核心部件之一，能完整地傳輸高頻高速信號，并且具有大小合適的插拔力和較強的環(huán)境適應(yīng)性。連接器由若干片晶片組成，晶片采用獨特的硅晶微結(jié)構(gòu)，以微型印制板電路作為信號觸點和布線。這種結(jié)構(gòu)具有連接緊密、插入損耗低、誤碼率低等優(yōu)點。連接器的觸點可用于電源引腳、單端引腳和差分引腳等形式，而且硅晶片都有ESD(電路板靜電放電)接地層和觸點層，防止操作期間受意外放電影響。此連接器運用先進的高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)，不僅可以提供更高的帶寬，而且可以較好地解決加固、高速互連、智能管理等各個方面的問題。

VPX連接器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。印制板硅晶片作為連接器的核心，能夠傳遞4種類型的信號：電源信號、單端信號、差分信號、單端與差分混合信號。接觸件的類型如圖5所示。

圖4 VPX連接器

圖5 接觸件類型

這種連接器為VPX標(biāo)準(zhǔn)使用大量高速串行總線實現(xiàn)模塊間的互連提供了基礎(chǔ)。VPX的數(shù)據(jù)通道由P1連接器承載，包含16個晶片32對差分信號線。其中每4個晶片為一組，可分成A、B、C、D 4組。每組稱為一個鏈路，包括4對發(fā)送差分對線，4對接收差分對線，形成4個4x串行數(shù)據(jù)通道。每對差分信號的數(shù)據(jù)傳輸率超過6.25 Gbps，可傳輸高速的Rapid IO信號、PCI-Express信號、Gigabit Ethernet信號。

3 背板設(shè)計

VPX背板傳遞的信號包括電源信號、高速串行信號、物理槽位識別、JTAG、時鐘、復(fù)位、到位檢測以及系統(tǒng)管理信號。為了保證信號完整性，特別是減小高速差分信號間的串?dāng)_，需要綜合考慮走線、長度、線寬、材料、空間、信號隔離等因素。

模塊間通過Rapid IO、PCI-Express、Gigabit Ethernet等信號方式實現(xiàn)電氣互連，就拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，VPX背板一般采用單星互連或網(wǎng)狀互連兩種結(jié)構(gòu)。單星互連需要單獨設(shè)立一個交換槽，其余的槽位通過走線連接到交換槽，由交換槽上的交換板統(tǒng)一管理各模塊間的互連。網(wǎng)狀互連不占用交換槽，各個槽位之間直接進行網(wǎng)狀互連，每個槽位的模塊上都自帶交換芯片。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單星互連的優(yōu)點是使用交換板進行統(tǒng)一的交換和控制管理可擴展出更多的槽位。本文利用單星互連的優(yōu)點開發(fā)出一款擴展性強、重構(gòu)性強的背板，能夠通過插入子板的不同組合構(gòu)成具有不同功能的綜合電子系統(tǒng)。交換板能統(tǒng)計子板所在的物理槽位號并加以識別，因此子板插入到任意一個槽位時能防誤插。此背板包括1個交換槽位和8個工作槽位，每個工作槽位包含4個Rapid IO發(fā)送/接收低壓差分對、1個PCI-Express發(fā)送/接收低壓差分對和1個Gigabit Ethernet發(fā)送/接收低壓差分對。這些信號全部傳輸?shù)浇粨Q槽上，由交換槽統(tǒng)一進行物理槽位號身份識別和信號交換處理。

網(wǎng)狀互連采用Rapid IO信號進行數(shù)據(jù)通信。每一個連接器都有A、B、C、D 4個端口，互連規(guī)則如圖7中所示。

圖7 VPX背板P1互連圖

4 安全性設(shè)計

SSPC配電控制板采用數(shù)字化配電技術(shù)實現(xiàn)智能安全性設(shè)計。安全性設(shè)計是指航天器總體裝配、運行過程中的全流程安全性設(shè)計，包含功能模塊到位檢測、身份識別、順序上電、過流保護等健康管理功能，確保航天器在各階段的狀態(tài)、故障實時可監(jiān)控。數(shù)字化配電流程如圖8所示。

圖8 數(shù)字化配電流程圖

4.1 到位檢測

到位檢測功能是指子板在與背板通過連接器對接過程中，檢測對接成功與否的功能。子板與背板的可靠對接是整機順利組裝、可靠運行的前提。子板與背板的不良接觸會導(dǎo)致電弧等故障，容易引起空間燃燒，到位檢測功能使整機在總裝過程中避免出現(xiàn)各種運行故障。

到位檢測功能的實現(xiàn)要結(jié)合背板與單機插板的設(shè)計，即需要在單機插板的連接器上設(shè)置短路連接插針，與背板地線、到位檢測上拉信號線對應(yīng)。單機插板插入背板后，通過短路連接插針將到位檢測上拉信號線拉至低電平。SSPC配電模塊對上拉信號線電平進行檢測，根據(jù)電平狀況判斷單機插板到達情況。

4.2 物理槽位號身份識別

根據(jù)每個插槽的物理槽位號進行身份識別是整機標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計中功能重構(gòu)所需的關(guān)鍵技術(shù)，控制板必須根據(jù)各功能模塊的身份進行信息數(shù)據(jù)的分配。

物理槽位號根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義，從第1個槽位開始，編號到9，共9個槽位，由GA0*、GA1*、GA2*、GA3*、GA4*、GAP*6個針腳的高低電平組合實現(xiàn)，如表1所示，Open代表接3.3 V高電平，GND表示接地。

表1 物理槽位號

交換槽放在中間槽位，即第5個槽位。這樣其他槽位到交換槽位的距離都比較短，保證最優(yōu)的走線方式。

4.3 過流保護

各功能模塊共用背板4路電源母線，即DC ±12 V、+5 V、+3.3 V。功能模塊在背板上到位后才開始工作。功能模塊運行過程中，如果出現(xiàn)功能故障，比如自身消耗功率增大、負(fù)載短路，SSPC配電模塊會啟動過流保護功能，防止燒毀線路或電源。

配電板采用集成過流保護和配電開關(guān)控制功能的SSPC。SSPC作為配電開關(guān)具有輸入與輸出隔離、狀態(tài)檢測、跳閘保護的功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有電源與信號隔離電路、固態(tài)開關(guān)MOSFET、驅(qū)動電路、電流檢測電阻。

5 結(jié)束語

VPX作為新一代的總線標(biāo)準(zhǔn)，具有很高的傳輸速率和帶寬，特別適用于數(shù)據(jù)流量大、運算量大、實時處理要求高的航天、軍工等場合?；赩PX的模塊化綜合電氣互連系統(tǒng)，采用單星互連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合配電板實現(xiàn)到位檢測、物理槽位號身份識別、順序上電、過流保護功能，具有整機功能可重構(gòu)、防錯插的優(yōu)點。航天器中的綜合電子系統(tǒng)內(nèi)部的電氣互連通過背板和功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)化接口實現(xiàn)，形成完整的綜合電子架構(gòu)。隨著航天電子系統(tǒng)對快速響應(yīng)特性以及高帶寬高速信號傳輸?shù)男枨笤絹碓矫黠@，基于VPX的模塊化綜合電氣互連技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。

[1] VITA Standards Organization. VITA 46.0-200x/D0.22VPX標(biāo)準(zhǔn)草案[S]. 2006.

[2] VITA Standards Organization. VITA 46.1-200x/D0.10VPX VME子協(xié)議草案[S]. 2006.

[3] 張鳳鳴, 褚文奎, 樊曉光, 等. 綜合模塊化航空電子體系結(jié)構(gòu)研究[J]. 電光與控制, 2009, 16(9): 47-59.

[4] MCKINNON D V. A2100, satellite of the future, here today[C]//The 16th AIAA International Communications Satellite Systems Conference, 1996: 966-973.

[5] Mercury Computer Systems, Inc. Technology Overveiw: VITA 46 (VPX)[M]. 2006.

[6] Tyco Electronics Corporation. Application Specification of MULTIGIG RT Signal Connections[M]. 2010.

萇群峰(1975-)，男，博士，研究員，主要從事航天電氣互連技術(shù)研究。

聲 明

為適應(yīng)我國信息化建設(shè)，擴大本刊以及作者的知識信息交流渠道，本刊已被封面上的數(shù)據(jù)庫全文收錄，其作者文章著作權(quán)使用費與本刊稿酬一次性付給。如作者不同意文章被收錄，請在來稿時向本刊申明，本刊將作適當(dāng)處理。

Module Synthetical Electrical Interconnection Technology Based on VPX

CHANG Qun-feng，LIN Ruo，JIANG Wei，YANG Bin

(BeijingAerospaceResearchInstituteofMicroElectrical-MechanicalTechnology，Beijing100094,China)

It is a tendency to build quick-response system for the future aerospace technology, and module synthetical electrical interconnection technology is the key. In this paper, module synthetical electrical interconnection technology based on VPX, which could achieve high-speed and rapid electrical connection between different functional modules without cable, is studied. The backplane use the topological structure of single star interconnection. Functional modules are packaged uniformly and are controlled centrally by exchange board using identification technology, and then functional modules could be exchanged indistinguishably. Electrical source management uses digitized power distribution technology to realize health managements for functional modules such as in-position check, power-on in right order, overcurrent protection, and so on.

VPX; modularity; synthetical electrical interconnection

2013-08-28

V443;TM503+.5

A

1008-5300(2013)05-0025-04