專為航天器機載計算系統(tǒng)設(shè)計的高密度連接器

幾十年來，太空探索一直是美國宇航局（NASA）和歐洲航天局（ESA.）等大型國際機構(gòu)的專屬業(yè)務(wù)。然而，近年來，這種情況發(fā)生了很大變化?，F(xiàn)在大量的商業(yè)企業(yè)和學(xué)術(shù)機構(gòu)正在進入這個領(lǐng)域，導(dǎo)致出現(xiàn)了一種“新太空（New Space）”現(xiàn)象。

推動這一趨勢的根本動力包括相關(guān)技術(shù)的成本降低以及開源參考設(shè)計的出現(xiàn)，這些有助于降低工程壁壘，使較小的企業(yè)能夠?qū)⑺麄冊O(shè)計和制造的航天設(shè)備送入軌道。此外，這也意味著其中所需的技術(shù)和財力資源遠遠少于過去。

總部位于白金漢郡（Buckinghamshire）的4Links在“新太空”開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。該公司成立于 2000 年，為中小企業(yè)提供完成其太空項目所需的工程技術(shù)和咨詢服務(wù)。4Links還與更大的機構(gòu)和公司合作，其中包括空中客車公司和 Clearspace等。

4Links 團隊最近的一個關(guān)注重點是為軟件和硬件開發(fā)一個平臺，能夠使面向太空（space-bound）的系統(tǒng)開發(fā)變得快速、簡單且具有成本效益，該平臺命名為 Loki，取名于以破壞性著稱的北歐神，平臺的目的是鼓勵設(shè)計重復(fù)使用，而無需從頭開始每個新的項目。

圖 1：4Links 的 Loki 開發(fā)平臺（右側(cè)顯示的為子系統(tǒng)接口區(qū)域）。

Loki 的目標是為太空領(lǐng)域的客戶提供一個完全可配置的處理平臺，客戶可以在該平臺上構(gòu)建自己的機載計算機。Loki平臺專為采用日益流行的 SpaceWire 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施方法（4Links 創(chuàng)始人Paul Walker 積極參與建立）的衛(wèi)星而設(shè)計，并基于可編程邏輯和模塊化結(jié)構(gòu)，減少了所涉及的工程工作量，從而縮短了完成時間，并降低了相關(guān)的成本。

Loki 由帶有夾層板（mezzanine board）的 Eurocard 格式載板（carrier board）組成，夾層板負責(zé)所有固定的功能，包括處理、內(nèi)存、系統(tǒng)管理。夾層的中心是一個高性能 Xilinx Kintex UltraScale FPGA 器件，它可以在發(fā)射前重新編程，甚至可以在飛行中更新。 I/O 載板管理所有接口，它可以作為網(wǎng)關(guān)，涵蓋了與不同衛(wèi)星子系統(tǒng)的通信以及為 FPGA 夾層的輸入。

夾層板能夠放置在具有不同 I/O 配置的載板上，這種能力可以很容易地根據(jù)每個客戶的具體要求修改設(shè)置。 Loki 的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是該板只需通過一次認證，然后即可用于多種配置。因此，一切都可以在極短的時間內(nèi)準備好，可能只需一個月時間。

正如 4Links 工程總監(jiān) Spencer Saunders 所解釋的那樣：“這種載板/夾層板方法使這個平臺對我們的客戶非常具有吸引力。該平臺更加敏捷，從而能夠加快開發(fā)進程。對用戶來說，另一個好處是他們最初可以讓一個板得到認證，然后再重新配置其他板。這種認證能夠避免客戶開始每個新項目時都需要進行昂貴的重新認證?！?

工程考慮

由于 Loki 旨在用于衛(wèi)星和其他軌道運行硬件，因此必須將硬件的總重量保持在最低限度。此外，必須認識到大多數(shù)“新太空”項目的成本敏感性，這意味著在設(shè)計中使用 滿足MIL-SPEC 的定制組件根本不可行，必須改用具有高度靈活性的商用現(xiàn)成替代品。最重要的是，這些部件必須具有很強的抗損壞能力。盡管暴露在極端溫度、機械沖擊和振動環(huán)境下，所有選定的組件都需要能夠長時間運行。

載板如何與每個子系統(tǒng)連接給 4Links 開發(fā)團隊帶來了幾個需要克服的額外設(shè)計挑戰(zhàn)。除了符合前面列出的所有要求外，安裝必要連接器時允許的空間非常小，需要采用特定的高引腳密度配置。

尋找有效的互連解決方案

Micro-D 格式等傳統(tǒng)的連接器解決方案對于這種類型的項目實施尺寸太大，PCB 會占用過多寶貴的空間。此外，由于此類連接器采用金屬外殼，重量更大，因此，需要查找其它解決方案。

一年多前，Harwin 和 4Links 開始討論 Loki平臺。在對樣品進行廣泛測試后，確定Gecko-SL 連接器是 完成I/O 載板及其所有子系統(tǒng)接口功能的絕佳選擇。

圖 2：Harwin 緊湊、輕巧的 Gecko-SL 連接器已被證明在眾多太空企業(yè)中非常受歡迎。

Harwin 的 1.25mm 間距 Gecko-SL 連接器與指定的標準 Micro-D 組件相比具有明顯優(yōu)勢，它明顯重量更輕、更緊湊。與 Gecko 系列的所有部件一樣，Gecko-SL 連接器能夠提供關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)所需的極高可靠性：足夠牢固，可以耐受最苛刻的工作條件。即使受到強烈的扭力，螺釘鎖定機構(gòu)也能夠保持可靠連接。4 指鈹銅觸點設(shè)計可確?；ミB保持不受重沖擊 (50G/100G) 和振動 (20G) 的影響。 Gecko-SL 連接器的工作溫度范圍為 – 65～ +150°C。此外，它們還具有令人印象深刻的除氣（outgassing）性能。

Gecko-SL 連接器有多種引腳數(shù)選項，這對 Loki 平臺也很重要，可為 4Links 的技術(shù)人員提供更大的連接組合靈活性，他們可以成功地將其適應(yīng)載板上的可用區(qū)域。這樣的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果是，未使用引腳占用的空間最終會很少。

4Links 的 Saunders 表示：“Harwin 的 Gecko-SL 連接器為我們提供了所需的高引腳密度，其實施方式比我們考慮的競爭解決方案要好很多，而且只需要為其分配最小的電路板面積。此外，通過Gecko-SL 連接器的不同版本，可以獲得更高的引腳數(shù)靈活性。這意味著我們不必采用過多引腳的產(chǎn)品，這種具有所需引腳數(shù)的連接器可以為每個引腳分配適當(dāng)功能，而不會出現(xiàn)引腳未被使用，因此避免PCB空間被不必要地占用。我們從 Harwin 得到的高質(zhì)量產(chǎn)品以及隨之而來的技術(shù)支持，對于將 Loki 平臺推向市場至關(guān)重要?！?

Loki 平臺已經(jīng)成為用于天氣監(jiān)測、地球觀測和空間碎片清除等眾多低地球軌道 (LEO) 衛(wèi)星任務(wù)的機載計算系統(tǒng)的基礎(chǔ)，許多基于Loki 平臺的其他各種項目也將很快進行。