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工业连接

小型分布式模块化架构如何提升航空电子设计

  2020年09月28日  

  如今,大多数防撞、飞行娱乐(IFE)、空对地通信以及其他航空电子系统,采用的都是基于ARINC 600标准的电子封装。1970年代的ARINC 404标准规范的是飞机“黑匣子”机箱和机架,比较而言,ARINC 600规范的则是模块化概念单元(MCU),即航空电子设备的基本构建模块。ARINC 600金属机箱可以容纳多达12个MCU,因此一个“设备箱”能够集中放置大量的计算能力。通过在实时网络上运行众多的应用,ARINC 600实现了“新一代”综合模块化航空电子系统(IMA)。

  集中式的IMA方法具有诸多优点:尺寸减小,重量减轻;使用易于更换的标准卡,简化了维护;数据传输速度和带宽得到了提升。但是,集中式的大设备箱也存在一些显著的局限,这激发了本世纪初ARINC 800系列标准的开发。

  ARINC 800标准反映了本地小型印刷电路板(PCB)嵌入式计算的总体技术趋势。这种趋势始于其他行业,旨在满足他们各种各样的需求,包括:减轻重量和减小尺寸,应对传感器激增导致的更高数据负载,改善热管理,以及将智能前推至控制决策点。举例来说,汽车设计师在精心设计的汽车中部署了大量电子控制单元(ECU),以及消费产品设计师在“网联”消费电器中嵌入了许多智能控件。

  这种趋势目前蔓延到了航空电子领域。嵌入式计算和分布式架构相结合,将IMA推向了新的高度。现在,设计人员可以在整个飞机上实施模块化和分布式的航空电子设备,利用小型电子封装在本地执行导航、通信、传感器信息收集以及其他智能功能,而无需连接至中央微型计算机。

  为此,人们开发出了全新的ARINC 800标准系列,其中包括:

  ARINC 801至807,促进了光纤在航空电子系统中的使用;

  ARINC 836,规定了机舱的模块化、标准化、机架式机箱、电缆、连接器和接地方法;

  ARINC 836A,更新了原来的ARINC 836标准,以建立航空电子封装的小型模块化机架原理(MiniMRP)。

  TE MiniMRP机箱的新闩锁机制(图片由TE提供)

  对于设计人员而言,ARINC 836A MiniMRP可以实现模块化和分布式航空电子设备的全部潜力。ARINC 836A的基本技术目标是:规范重量从几盎司到最高6磅的标准化机舱系统模块的外形尺寸。

  采用TE技术的MiniMRP具有下列优势:

  大幅度减小了尺寸,封装减小了40%,重量减轻了60%;

  采用成本较低的商业现货(COTS)选择方法,提高了灵活性并简化了配置;

  通过坚固的闩锁和互连方式固定模块和电路板;

  采用支持40G甚至100G链路的光纤骨干网,并且支持光纤和/或高速铜缆10G以太网,从而提高了网络速度和带宽。

  与集中式架构相比,在高速网络中混配小型标准化模块,可以使设计人员在航空电子设备的布置和布线方面拥有更大的灵活性。TE的MiniMRP如何实现这些设计优势,的确值得我们研究。

  更小、更轻

  ARINC 836A MiniMRP模块有四种组合方式:单宽度(42毫米/1.6英寸)、双宽度(84毫米/3.3英寸)、单高度(112.3毫米/4.4英寸)和双高度( 224.8毫米/8.8英寸)。轻型复合材料取代了传统的重型金属机箱,并且可以根据具体的应用需求选择高级复合材料配方,包括基础材料和填料。填料既可以是碳纤维,也可以是微球和纳米管。复合材料可以进行选择性电镀,以增加屏蔽、电路元件和其他功能,例如嵌入式天线。复合材料机箱曾被视为一种昂贵而怪异的解决方案,但是得益于先进的制造技术,现在它们具有了较高的成本效益。

  灵活性和配置

  有了MiniMRP航空电子设备,航空电子仓中的一个大设备箱就可以用分布于飞机各处的许多小设备箱取代。模块可以单独使用,也可以根据特定功能和外部环境因素的需要组合起来使用。MiniMRP封装可以连接各种硬件,包括总线结构的模块、接口和电源。标准化使设计人员能够充分利用COTS组件,以降低成本并加快设计。模块经过精心设计,能够实现快速而简便的免工具安装。更换模块即可完成变更、维护和升级。

  坚固的闩锁和互连

  航空电子设计师通常面临着PCB的严格限制,因此设计的灵活性只能通过采用符合欧洲标准EN4165的模块化机架互连来实现。借助完全集成的MiniMRP设计,PCB连接器模块和设备箱可以通过防止拔出和扭转的技术牢固地锁紧在一起。MiniMRP模块的首选连接器是经典的德驰DMC-M系列飞机连接器,它的设计符合各种严苛的航空电子规范,包括EN4165。DMC-M系列连接器提供多腔和单模块两种配置,均具备各种各样的触点布置和插头布局方式。其尺寸包括8、12、16、20和22号。触点可压接于铜线、铝线或PCB支架上。

  网络速度和带宽

  在分布式航空电子领域,许多链路的长度都小于83米,并且适用于10G以太网。在这种情况下,Cat 6A铜缆可用于飞行控制、航空电子和机舱管理系统。长度不足60米的链路则可以使用26 AWG电缆,这样线束可以变得更小、更轻。Cat 6A电缆可以通过符合ARINC标准的小型高速圆形连接器进行端接。

  相关的TE连接器系列有两个:

  TE的新型轻质MiniMRP复合材料机箱

  CeeLok FAS-T圆形连接器采用真正的100欧姆阻抗设计,可兼容Cat 6A电缆。紧凑的8号外壳降低了SWaP(尺寸、重量和功率)要求。压接触点使得端接和现场维修十分简便。一体式后盖可以轻松实现360度屏蔽端接。T形触点模式可以消除噪声和去耦,从而最大程度地减少串扰并提高信号的完整性。

  CeeLok FAS-X圆形连接器采用符合M38999标准的11号小型外壳,可用于一个10Gb/s以太网通道(25号外壳可用于四个通道)。CeeLok FAS-X触点采用成熟的AS39029设计,可应对各种恶劣的环境。专利屏蔽装置通过连接器进行屏蔽以改善阻抗匹配,同时还可以消除串扰。TE的CeeLok FAS-X连接器满足新的MIL-DTL-32546军用标准要求。

  支持TE MiniMRP航空电子封装的分布式架构

  为了在更远的距离上实现更高的速度,MiniMRP还可以采用光纤电缆。多模光纤在550米的范围内传输速度可达10Gb/s。光纤还可用于支持40G甚至100G链路的航空电子主干网。此外,与Cat 6A产品相比,光纤电缆的重量减轻了78%。光纤在抗扰方面也很出色:它既不发射也不接收电磁干扰(EMI)。由于采用介电材料制成,因此它还无需屏蔽。

  尽管如此,光纤电缆也有缺点,那就是易碎和难以使用。不过,技术进步已经催生出了在安装过程中抗挤和防夹的光纤电缆。端接时的光纤准备工作也已简化,可以显著减少人工和安装时间。

  要求光纤连接器的设计师主要有两种产品类型可以选择:

  配对端子实际接触的物理接触类型(PC)。PC端子还有另外一个特点:单芯采用陶瓷套管,多芯采用MT套管。陶瓷套管的性能最高,而插入损耗和回波损耗最低。多芯MT套管的光纤密度最高。

  端子采用非接触式接口的扩展光束类型(EB)。通过避免物理接触,EB可以更好地承受振动、冲击和其他机械损害。振动过程中,纤维/套管表面几乎不会发生任何磨损。透镜MT套管可以充分利用EB的优点,同时提高光纤的密度。

  从功能上讲,EB连接器在光纤端面扩展和重新聚焦光束,并在光路中留有空隙。EB概念利用光学透镜来扩展和校准发射光纤发出的光束。扩展后的光束在整个机械接口上保持准直,直到接收透镜将光束聚焦于接收光纤。因为套管端面被封闭并在透镜后面受到保护,所以光纤无需清洁。尽管EB的插入损耗比PC高,但是它的寿命和一致性更胜一筹。

  在MiniMRP应用中,铜缆和光纤可以轻松共存。每一种介质都各具优势:铜缆为大家所熟悉,而光纤可以在更长的距离上提供更高的带宽。航空电子设计人员在处理要求严苛的数据、IFE及其他需要大量带宽的流程时,可以将光纤和铜缆结合起来使用,以满足各种各样的高速连接需求,包括设备箱到设备箱、设备箱到主干网络以及设备箱到电子设备机架服务器的连接需求。

  针对端到端的光纤解决方案,TE ParaByte收发器采用了可靠的并行光纤设计,速度能够达到10GB/s以上,同时还可以满足MIL-SPEC可靠性标准要求。由于外形小巧而紧凑,多个收发器可以轻松地装入一个MiniMRP模块。

  随着技术的发展,我们可以通过活跃的光纤网络传输大量的数据负载。超小型、低成本的10GbE收发器便是这样的一种技术,它适用于作为大型网络末端或分支节点的MiniMRP装置。这种收发器在MiniMRP内部装有需要10G光纤端口的GbE交换机。

  在端到端的解决方案中,MiniMRP概念为设计人员提供了具有嵌入式计算能力的标准化小型设备箱,这些设备箱可以作为智能节点分布在机身内的超高速网络上。因此,设计人员、系统集成商和航空电子厂商可以在整个机舱内快速添加和删除功能,通过MiniMRP来实现IMA的全部潜力。

  *TE Connectivity和TE Connectivity标识均为TE Connectivity Ltd.及其旗下子公司的商标。

(本文作者为TE全球航空业务发展经理Russ Graves)

标签:TE Connectivity我要反馈
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