SOSA-Standard: Was PCB-Designer wissen müssen

Zachariah Peterson
|  Created: March 1, 2021  |  Updated: March 2, 2021
SOSA-Standard: Was PCB-Designer wissen müssen

SOSA-Standard

Militärische Elektronik und Hardware werden mit einer Reihe von Standards und Akronymen beschrieben, die es Verteidigungsunternehmen schwer machen, den Überblick zu behalten. Für Embedded-Ingenieure gibt es eine wichtige aktuelle Entwicklung, die sich auf das Design auf Systemebene bezieht: die Modularität durch Standardisierung. Genauso wie in der Computerindustrie nach und nach Standards eingeführt wurden, verfolgt das Militär denselben Ansatz, um die Interoperabilität zwischen verschiedenen Anbietern sicherzustellen und die Wiederverwendung von Geräten zu ermöglichen.

Das Ziel der C4ISR/EW Modular Open Suite of Standards (CMOSS) des U.S. Army CCDC (Combat Capabilities Development Command) ist es, eine ähnliche Interoperabilität für militärische eingebettete Systeme zu gewährleisten, wie wir sie im privaten Sektor haben. Die Hoffnung ist, dass sich die Industrie für eingebettete Systeme weg von teuren proprietären Architekturen hin zu COTS-basierten Systemen entwickelt. Interessanterweise begann die Diskussion darüber schon vor etwa einem Jahrzehnt, aber jetzt arbeiten das US-Militär und die Industrie zusammen, um Standards für eingebettete Produkte zu etablieren.

Der Sensor Open Systems Architecture (SOSA)-Standard ist Teil dieser Initiative zur Standardisierung von Schnittstellen und Geräten für Sensorsysteme in eingebetteten militärischen Systemen. Der SOSA-Standard zielt darauf ab, eine umfassende elektrische, mechanische und Software-Architektur bereitzustellen, die die Integration und Interoperabilität von Sensorsystemen unter Verwendung eines modularen Ansatzes für das Design eingebetteter Systeme ermöglicht. Das klingt für Sie nach OpenVPX-Standards für Backplanes? Damit liegen Sie nicht ganz falsch... Im Folgenden schauen wir uns diese Standards genauer an und besprechen, wie PCB-Designer, die in der Industrie arbeiten, mit ihnen interagieren müssen.

Was ist SOSA?

SOSA ist ein technischer Standard, der die Interoperabilität zwischen eingebetteten Sensorsystemen verschiedener Hersteller sicherstellen soll. Das Ziel ist die Entwicklung von COTS-Sensortechnologien, die einfach in ein bestehendes System integriert und repariert oder ersetzt werden können. Dadurch wird die Abhängigkeit von Teilen bestimmter Hersteller beseitigt. Diese Ideen fallen unter eine Reihe von aufkommenden militärischen Standards, genannt Modular Open Systems Approach (MOSA), die eine zusätzliche Gruppe von gezielten Interoperabilitätsstandards umfassen.

SOSA ist mit einem anderen modularen eingebetteten Standard verwandt: OpenVPX. Wenn die beiden Standards ähnlich klingen, hat das einen Grund, denn beide sollen die Interoperabilität sicherstellen.

OpenVPX vs. SOSA

Backplane-Designer sind mit OpenVPX vertraut (oder sollten es sein); diese Standards bilden die Grundlage von SOSA und betonen einen modularen Ansatz beim Backplane-Design für robuste eingebettete Systeme. Es stimmt, dass OpenVPS die Modularität betont, indem der Standard eine Architektur schafft, die mehrere Schnittstellen und Medien mischt. RF-, Kupfer- und optische Verbindungen werden im selben System mit einer Vielzahl von Datenraten und Frequenzen verwendet. Allerdings wird OpenVPX als noch zu herstellerspezifisch kritisiert und das wird deutlich, wenn man sich Systeme ansieht, die kundenspezifische Backplane-Designs erfordern.

SOSA begrenzt die Formfaktoren von Einplatinencomputern auf bestimmte VITA-Profile, damit sie über eine interoperable Backplane leicht in Sensorplattformen integriert werden können. Zu den Anwendungen von SOSA-konformen Systemen gehören Radar, elektro-optische/Infrarot-Systeme, SIGINT, elektronische Kriegsführung und Kommunikation. Wir sehen die Interoperabilität in diesen Bereichen, wenn wir einige Platinen- und Systemanforderungen unter OpenVPX und SOSA vergleichen.

 

SOSA

OpenVPX

Nutenprofile

Nutzt die aktuellen VITA 65-Standards (3U- oder 6U-Formfaktor)

Mehrere VITA-Profile

Schnittstellen

Nutzt die Schnittstellen in VITA 66 (optisch) und VITA 67 (RF)

Mehrere VITA-Schnittstellen

Datenraten

Aktuelle SOSA-ausgerichtete Systeme überschreiten 10 Gbps

Früher auf 10 Gbit/s begrenzt, jetzt weit über 10 Gbit/s 

Stromschienen

Nur 12 V und 3,3 V

3,3 V, 5 V, +/- 12 V

Pitch

1,00" Pitch für konduktions- und flüssigkeitsgekühlte Module, 1,5" Pitch für luftgekühlte Module

Normalerweise 1,0" Pitch, aber 0,8" Pitch ist verfügbar

Ein großer Unterschied zwischen der SOSA und der OpenVPX-Arbeitsgruppe besteht darin, dass die Army, Navy und Air Force im SOSA-Vorstand sitzen. Die Teilnahme von Mitgliedern aus allen drei Teilstreitkräften zielt darauf ab, die Interoperabilität auf diese drei großen Teilstreitkräfte auszuweiten. Für PCB-Designer bedeutet dies, dass die Standard-Backplane-Architektur um eine weitere Ebene erweitert wird, die wir uns im nächsten Abschnitt näher ansehen werden.

Entwerfen nach dem SOSA-Standard

Die im SOSA-Standard definierte Systemarchitektur ähnelt der von OpenVPX, jedoch ist die High-Level-Architektur in Bezug darauf standardisiert, wie Sensorschnittstellen neben Tochterkarten in die Backplane integriert werden. Das Bild unten zeigt beispielhaft eine High-Level-Architektur mit einigen kritischen Elementen innerhalb des SOSA-Standards:

  • Stromversorgungskarte: Diese kann auf verschiedene Weise auf der Platine für eine 3U/6U OpenVPX-Backplane montiert werden. Im SOSA-Standard ist sie als ein Kartenmodul definiert, das den VITA 46.11-Standards entspricht.
  • VPX-Switch: Bietet Funktionen analog zu einem typischen Ethernet-Switch, bei dem Daten zwischen Karten geroutet werden.
  • Systemverwaltung: Hier wird die Konfiguration als Teil der Software/Firmware des Switches eingestellt.
  • Nutzlastkarte: Jede Nutzlastkarte führt eine bestimmte Funktion innerhalb des Systems aus, d. h. Verarbeitung von Daten, Abwicklung der Systemkommunikation usw.
SOSA Standard-Backplane
Beispielhaftes Blockdiagramm: Implementierung des Systemmanagements auf einer Backplane.

Bei dieser Art von System ergibt sich die Interoperabilität aus der Standardisierung der Tochterkarte unter VITA 65 und der Busarchitektur auf der Backplane. Bei den beteiligten Schnittstellen kann es sich um Niedergeschwindigkeits-Datenbusse wie I2C oder Hochgeschwindigkeits-Verbindungen wie PCIe, Multi-Gig-Ethernet, LVDS (SerDes), USB (möglicherweise bis  zu USB 4) oder etwas anderes handeln. Das Routing zwischen den Karten folgt weiterhin der gleichen Topologie, die in einer typischen OpenVPX-Backplane verwendet wird.

Was auf den einzelnen Karten passiert, kann komplexer werden. Die Kommunikation zwischen den Karten auf der Backplane sollte gemeinsame Schnittstellen wie die oben genannten verwenden. Auf einer bestimmten Karte kann eine beliebige Anzahl von Niedergeschwindigkeits- oder Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen vorhanden sein, um mit einem Sensormodul über einen Standard-Backplane-Stecker oder mit anderen Komponenten auf der Karte zu kommunizieren. Das Design eines Sensormoduls ist ein weiterer Bereich, der im Rahmen des SOSA-Standards besondere Aufmerksamkeit erfordert. Unabhängig davon, wie das Design zusammengesetzt ist, tragen gemeinsame Schnittstellen, wie sie im SOSA-Standard empfohlen werden, dazu bei, unabhängig vom Hersteller die Interoperabilität zwischen verschiedenen Komponenten zu gewährleisten.

Wo Sie den SOSA-Standard finden

Dank der Zusammenarbeit von Militär und Industrie bei SOSA und anderen MOSA-Standards, werden OpenVPX-Designs weiterhin relevant sein. Man sollte beachten, dass SOSA noch kein endgültiger Standard ist; der Entwurf von SOSA Version 1.0, Snapshot 3 ist derzeit bei The Open Group erhältlich und bleibt als Entwurfsstandard bis zum 30. Juni 2021 oder bis zur nächsten großen Veröffentlichung gültig, je nachdem, was früher eintritt.

Insgesamt ist dies eine vielversprechende Entwicklung für alle, die an eingebetteter Hardware für das Militär und die Luft- und Raumfahrt arbeiten, oder in diesem Bereich arbeiten möchten. Da diese Standards offen sind und Interoperabilität gewährleisten, kann jeder mit der Entwicklung von Produkten beginnen, die in die SOSA-Architektur oder die damit verbundenen Standards passen. Interessierte Entwickler sollten die SOSA-Download-Seite von The Open Group besuchen, um den aktuellen Snapshot des SOSA-Standards herunterzuladen.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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