萇群峰，林 若，姜 偉，楊 斌

(北京航天微機(jī)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(jī)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(shì)，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(shí)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(shí)別技術(shù)進(jìn)行集中控制，實(shí)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(shí)現(xiàn)各功能模塊的到位檢測(cè)、順序上電、過流保護(hù)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，航天、軍工的電子系統(tǒng)平臺(tái)越來越復(fù)雜，需要傳輸和處理的信息量也越來越大。現(xiàn)今許多電子系統(tǒng)平臺(tái)需要實(shí)時(shí)傳輸大量圖像、語音等高頻高速信號(hào)，對(duì)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(hào)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(hào)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(duì)沖擊、振動(dòng)、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(diǎn)是，采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由標(biāo)準(zhǔn)通用化模塊[3]組成。衛(wèi)星平臺(tái)的綜合電子系統(tǒng)[4]采用統(tǒng)一總線和模塊化設(shè)計(jì)組裝的特點(diǎn)也日益普遍。從以上航空和衛(wèi)星平臺(tái)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(duì)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(jì)

航天器用模塊化綜合電氣互連系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。平臺(tái)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(cè)到主控板與負(fù)載板的到位信號(hào)后開始供電。主控板與負(fù)載板通過背板進(jìn)行高速信號(hào)傳輸。

圖1 智能電氣互連總體設(shè)計(jì)思路

通過背板和子板上功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)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(cè)、身份識(shí)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(shí)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(duì)實(shí)現(xiàn)總體方案的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，包括模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及連接器設(shè)計(jì)、背板設(shè)計(jì)和數(shù)字化配電設(shè)計(jì)三個(gè)方面。

2 模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及連接器設(shè)計(jì)

2.1 模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

各功能單機(jī)之間通常采用電纜組件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，隨著信號(hào)類型和數(shù)量的增加，勢(shì)必會(huì)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(jìn)行了重大改進(jìn)。它的制定主要考慮了以下幾個(gè)因素[5]：1)采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)，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(hào)傳輸?shù)耐暾裕?)增強(qiáng)電源設(shè)計(jì)，在5 V、12 V的供電電壓下，每個(gè)槽位的最大供電功率分別能達(dá)到115 W、384 W。

基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，以連接器和PCB走線代替電纜，能無纜化地實(shí)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(shí)不必考慮子板所在的插槽位置，即各功能模塊能實(shí)現(xiàn)無差別互換，保證快速裝配和更換；其次，機(jī)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊都有自己獨(dú)立的鎖緊裝置、電連接器等，可以實(shí)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(hào)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(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、物理槽位號(hào)、管理總線信號(hào)和測(cè)試總線信號(hào)。其余連接器可定義為單端信號(hào)或差分信號(hào)的連接器，用來傳輸高速差分信號(hào)。此外，模塊還有3個(gè)Key作為導(dǎo)向柱。整個(gè)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(duì)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(hào)，并且具有大小合適的插拔力和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。連接器由若干片晶片組成，晶片采用獨(dú)特的硅晶微結(jié)構(gòu)，以微型印制板電路作為信號(hào)觸點(diǎn)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(diǎn)。連接器的觸點(diǎn)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(diǎn)層，防止操作期間受意外放電影響。此連接器運(yùn)用先進(jìn)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(gè)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(hào)：電源信號(hào)、單端信號(hào)、差分信號(hào)、單端與差分混合信號(hào)。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(shí)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(gè)晶片32對(duì)差分信號(hào)線。其中每4個(gè)晶片為一組，可分成A、B、C、D 4組。每組稱為一個(gè)鏈路，包括4對(duì)發(fā)送差分對(duì)線，4對(duì)接收差分對(duì)線，形成4個(gè)4x串行數(shù)據(jù)通道。每對(duì)差分信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸率超過6.25 Gbps，可傳輸高速的Rapid IO信號(hào)、PCI-Express信號(hào)、Gigabit Ethernet信號(hào)。

3 背板設(shè)計(jì)

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

模塊間通過Rapid IO、PCI-Express、Gigabit Ethernet等信號(hào)方式實(shí)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(dú)設(shè)立一個(gè)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(gè)槽位之間直接進(jìn)行網(wǎng)狀互連，每個(gè)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(diǎn)是使用交換板進(jìn)行統(tǒng)一的交換和控制管理可擴(kuò)展出更多的槽位。本文利用單星互連的優(yōu)點(diǎn)開發(fā)出一款擴(kuò)展性強(qiáng)、重構(gòu)性強(qiáng)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(jì)子板所在的物理槽位號(hào)并加以識(shí)別，因此子板插入到任意一個(gè)槽位時(shí)能防誤插。此背板包括1個(gè)交換槽位和8個(gè)工作槽位，每個(gè)工作槽位包含4個(gè)Rapid IO發(fā)送/接收低壓差分對(duì)、1個(gè)PCI-Express發(fā)送/接收低壓差分對(duì)和1個(gè)Gigabit Ethernet發(fā)送/接收低壓差分對(duì)。這些信號(hào)全部傳輸?shù)浇粨Q槽上，由交換槽統(tǒng)一進(jìn)行物理槽位號(hào)身份識(shí)別和信號(hào)交換處理。

網(wǎng)狀互連采用Rapid IO信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。每一個(gè)連接器都有A、B、C、D 4個(gè)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(jì)

SSPC配電控制板采用數(shù)字化配電技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能安全性設(shè)計(jì)。安全性設(shè)計(jì)是指航天器總體裝配、運(yùn)行過程中的全流程安全性設(shè)計(jì)，包含功能模塊到位檢測(cè)、身份識(shí)別、順序上電、過流保護(hù)等健康管理功能，確保航天器在各階段的狀態(tài)、故障實(shí)時(shí)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(cè)

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

到位檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)要結(jié)合背板與單機(jī)插板的設(shè)計(jì)，即需要在單機(jī)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(cè)上拉信號(hào)線對(duì)應(yīng)。單機(jī)插板插入背板后，通過短路連接插針將到位檢測(cè)上拉信號(hào)線拉至低電平。SSPC配電模塊對(duì)上拉信號(hào)線電平進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)電平狀況判斷單機(jī)插板到達(dá)情況。

4.2 物理槽位號(hào)身份識(shí)別

根據(jù)每個(gè)插槽的物理槽位號(hào)進(jìn)行身份識(shí)別是整機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)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(jìn)行信息數(shù)據(jù)的分配。

物理槽位號(hào)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義，從第1個(gè)槽位開始，編號(hào)到9，共9個(gè)槽位，由GA0*、GA1*、GA2*、GA3*、GA4*、GAP*6個(gè)針腳的高低電平組合實(shí)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(hào)

交換槽放在中間槽位，即第5個(gè)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(hù)

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(yùn)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(huì)啟動(dòng)過流保護(hù)功能，防止燒毀線路或電源。

配電板采用集成過流保護(hù)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(cè)、跳閘保護(hù)的功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有電源與信號(hào)隔離電路、固態(tài)開關(guān)MOSFET、驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)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(yùn)算量大、實(shí)時(shí)處理要求高的航天、軍工等場(chǎng)合。基于VPX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(shí)現(xiàn)到位檢測(cè)、物理槽位號(hào)身份識(shí)別、順序上電、過流保護(hù)功能，具有整機(jī)功能可重構(gòu)、防錯(cuò)插的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)，形成完整的綜合電子架構(gòu)。隨著航天電子系統(tǒng)對(duì)快速響應(yīng)特性以及高帶寬高速信號(hào)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

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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