CN107066358A - 星载电子设备背板 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种星载电子设备背板，旨在提供一种具有扩展性，双冗余支持背板级，可靠性高的星载电子设备背板。本发明通过下述技术方案予以实现：在高速背板上，两个数据管理模块以两个数据交换模块为中心，分别平行阵列在两个数据交换模块的两边，在两个数据交换模块的两边至少平行阵列有三个向两端延伸扩展的数据与信号处理模块；在扩展背板的长度方向上，平行阵列有与上述各模块数量对应一致数据的信号处理模块；数据与信号处理模块、数据管理模块通过数据交换模块提供的数据与信号交换总线在高速背板与扩展背板间进行互连通信，并由数据管理模块对各模块的健康信息与状态信息进行采集与监控，对各模块的运行状态与参数加载进行统一的控制。

Description

星载电子设备背板

技术领域

本发明涉及航天航空技术领域，具体涉及一种主要用于星载的电子设备背板。

背景技术

随着大型航天飞行器的发展，对星载电子系统的集成度、可扩展性与综合化能力提出了更严苛的需求。传统的航天任务电子系统的背板系统的设计方式都是一星一平台的模式，基本上所有的卫星背板系统都是定制的，总线设计与模块功能随不同任务而定，当某个特定任务需要更换卫星的部件单机，由于其物理接口的不兼容，无法进行快速的集成和应用，需对整个背板系统重新定义、设计与生产。且通常其背板系统为单一大块独立背板，其缺陷在于，一旦设计完成，其接口互连关系基本无法改变，一旦局部出现故障或有新任务的需求，需重新设计整个背板系统，增加了开发周期。此外，单一大块独立背板系统的设计方式，往往在选材上采用利于最高性能实现的基板材料，不利用成本控制。

由上可见，现有技术中的用于航天电子系统的背板系统存在设计周期长，一经设计即无法更改与扩展，且缺乏背板级的双冗余支持，可靠性较低、设计风险较大的问题。此外，由于国外在航天应用领域对我国技术封锁十分严重，为打破国外航天电子设备的背板系统技术封锁，实现该技术的自主保障，推动我国航天电子标准化、产业化发展，因而研发一种适星载电子设备背板需求十分迫切，势在必行。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的用于航天电子系统的背板设计周期长，一经设计即无法更改与扩展，且缺乏背板级的双冗余支持，可靠性较低、设计风险较大的不足之处，提供一种具有扩展性，双冗余支持背板级，可靠性高的星载电子设备背板。

本发明上述目的可以通过以下措施来达到，一种星载电子设备背板，包括：数据与信号处理模块1、数据管理模块2、数据交换模块3、电源模块4、高速背板5、扩展背板6、机箱转接模块7和扩展连接器8，其特征在于：在高速背板5上，两个数据管理模块2以两个数据交换模块3为中心，分别平行阵列在两个数据交换模块3的两边，在两个数据交换模块3的两边至少平行阵列有三个向两端延伸扩展的数据与信号处理模块1；在扩展背板6的长度方向上，平行阵列有与上述各模块数量对应一致数据的信号处理模块1；高速背板5通过扩展连接器8对插互连扩展背板6，整体固联在机箱底部的安装架上；数据与信号处理模块1、数据管理模块2通过数据交换模块3提供的数据与信号交换总线在高速背板5与扩展背板6间进行互连通信，数据与信号处理模块1、数据管理模块2、数据交换模块3、电源模块4间通过管理总线接口插座进行互连通信，并由数据管理模块2对各模块的健康信息与状态信息进行采集与监控，对各模块的运行状态与参数加载进行统一的控制。

所述的高速背板5、扩展背板6与扩展连接器8和机箱底部安装架采用整体焊接方式，与散热翅片与安装架做成与机箱壁接触的一体结构。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

具有扩展性。本发明在高速背板5上，两个数据管理模块2以两个数据交换模块3为中心，分别平行阵列在两个数据交换模块3的两边，在两个数据交换模块3的两边至少平行阵列有三个向两端延伸扩展的数据与信号处理模块1；在扩展背板6的长度方向上，平行阵列有与上述各模块数量对应一致数据的信号处理模块1，规范化完成背板系统分模块的设计。高速背板5与扩展背板6通过扩展连接器8以相互平行的方式对插连接，可扩展为一块独立的整体背板，为不同任务对更多模块数量的需求提供扩展与支持能力。高速背板5与扩展背板6可通过扩展连接器8对插互连进行扩展；可以根据不同的航天任务需求，通过组装与扩展，完成具有不同特性的可升级硬件系统。

双冗余支持背板级。本发明高速背板5通过扩展连接器8对插互连扩展背板6，整体固联在机箱底部的安装架上，各模块通过高速背板5与扩展背板6进行电气交换传输，数据管理模块2和数据交换模块3通过高速背板5上的机箱转接模块7，接线至接口插座，实现该设备与其他设备间的电气连接；除电源总线外，各模块与总线为双冗余备份，由于采用了可扩展架构与双冗余备份的方式，在背板发生区域性故障时可实现主备切换，严重时可对背板局部区域更换和维护，并可根据不同的航天任务需求，通过组装与扩展，完成具有不同特性的可升级硬件系统，降低了工程风险与成本，实现快速集成与应用能力。双冗余支持背板级。

可靠性高。本发明数据与信号处理模块1、数据管理模块2通过数据交换模块3提供的数据与信号交换总线在高速背板5与扩展背板6间进行互连通信，数据与信号处理模块1、数据管理模块2、数据交换模块3、电源模块4间通过管理总线接口插座进行互连通信，并由数据管理模块2对各模块的健康信息与状态信息进行采集与监控，并对各模块的运行状态与参数加载进行统一的控制，可靠性高。

散热效果好。本发明在扩展背板所述的电源模块4左侧与数据信号处理模块1相距一个槽位，为电源模块4与数据处理模块间提供额外的风道，便于电源模块4的热量散出，为背板系统提供更优的对外热传导性能。在机箱后面壁处可加装散热风扇或在机箱内加装液冷散热装置，增强内部散热效果。

本发明将高速背板5、扩展背板6与扩展连接器8的热量传导至机箱壁以保证热传导的流畅度，并提高加工性和维修性。

附图说明

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明星载电子设备背板结构的分解结构示意图。

图2是本发明实施例提供的背板系统结构在机箱内部的安装示意图。

图3是本发明实施例提供的背板系统结构各模块的接口互连逻辑示意图。

图中：1数据与信号处理模块，2数据管理模块，3数据交换模块，4电源模块，5高速背板，6扩展背板，7机箱转接模块，8扩展连接器，9底板，10右侧板，11后壁板，13上壁板，14散热翅片，15左侧板，16前面板。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种星载电子设备背板，包括：数据管理模块2、数据交换模块3、电源模块4、高速背板5、扩展背板6、机箱转接模块7和扩展连接器8，数据与信号交换总线①、管理总线②、电源总线③。

在高速背板5上，两个数据管理模块2以两个数据交换模块3为中心，分别平行阵列在两个数据交换模块3的两边，在两个数据交换模块3的两边至少平行阵列有三个向两端延伸扩展的数据与信号处理模块1；在扩展背板6的长度方向上，平行阵列有与上述各模块数量对应一致数据的信号处理模块1；高速背板5通过扩展连接器8对插互连扩展背板6，整体固联在机箱底部的安装架上；高速背板5、扩展背板6与扩展连接器8和机箱底部安装架采用整体焊接方式，与安装架固联为一体的散热翅片将高速背板5、扩展背板6与扩展连接器8的热量传导至机箱的左侧壁、右侧壁、面板壁、后板壁、底板壁以及上板壁共六个面上，并通过水冷或风冷系统将机箱壁上收集的热量带出机箱外部；数据与信号处理模块1、数据管理模块2通过数据交换模块3提供的数据与信号交换总线在高速背板5与扩展背板6间进行互连通信，数据与信号处理模块1、数据管理模块2、数据交换模块3、电源模块4间通过管理总线接口插座进行互连通信，并由数据管理模块2对各模块的健康信息与状态信息进行采集与监控，并对各模块的运行状态与参数加载进行统一的控制。

在高速背板5的长度方向上，从左至右依次安装有机箱转接模块7、按线阵排列的数据与信号处理模块1、数据管理模块2和处于居中位置的一对数据交换模块3、以及电源模块4，其中，数据管理模块2、数据与信号处理模块1分别顺次位于数据交换模块3的两边。数据与信号处理模块1可以是四块，数据与信号处理模块1间隔一个槽位距离安装两块电源模块4；机箱转接模块7通过J599型圆形连接器与机箱面板壁的射频接口、光纤接口、数字接口互连，将射频接口与光纤接口输入/输出的信号分别通过屏蔽电缆、光纤与印制板微带线/带状线的形式接入数据交换模块3，通过数据交换模块3将由机箱转接模块7输入的信号分发至各数据与信号处理模块1，其中机箱转接模块7采用型号为VPX-41Z8eIIIJ8-A的VPX连接器底座与背板进行互连与安装，高速背板5与各模块通过VPX或LRM连接器安装连接。电源模块4设置在高速背板5的另一侧，用于为其余模块供电。所述的电源模块4左侧与数据信号处理模块1相距一个槽位，为电源模块4与数据处理模块间提供额外的风道，便于电源模块4的热量散出，为背板系统提供更优的对外热传导性能。电源总线是铜或铝材料的多个金属平面，多个金属平面间通过印制电路板的过孔连接，将电源模块4分配的电流传输至各用电模块。优选的，在本发明实施例中，数据交换模块3选用型号为VPX-41Z8eIIDG8-A的VPX连接器底座，可接入射频信号、数字信号与光纤信号，光纤信号以尾纤MT接头形式接入VPX连接器，数字信号通过高速背板5埋设的微带线或带状线与VPX连接器的电接触件连接，进行数据传输；数据与信号处理模块1、数据管理模块2可以选用型号VPX-41Z8eIIIJ8-A的VPX连接器底座，可接入数字信号，数字信号通过高速背板5埋设的印制板微带线/带状线与VPX连接器形成电接触件的连接方式，进行数据传输；电源模块4可以通过型号为VPX-41Z8eIIIJ8-A的VPX连接器底座，将电流通过电源总线③分发至各用电模块。

在扩展背板6上，从左至右依次通过型号为VPX-41Z8eIIIJ8-A的VPX连接器底座装十二块数据与信号处理模块1，间隔一个槽位距离安装电源模块4两块，电源模块4将电流通过电源总线③分发至各用电模块，其中一个槽位距离具体指3厘米。

参阅图2。高速背板5可单独安装与机箱内部，具体地，高速背板5所在平面与机箱底部所在平面平行，与机箱侧壁所在平面垂直。高速背板5、扩展背板6与扩展连接器8形成的一块独立的整体背板可单独安装与机箱内部，具体地，形成的一块独立的整体背板所在平面与机箱底部所在平面平行，与机箱侧壁所在平面垂直，和机箱底部安装架采用整体焊接方式，与散热翅片14与安装架做成一体结构，与机箱壁接触，将高速背板5、扩展背板6与扩展连接器8的热量传导至机箱壁以保证热传导的流畅度。散热翅片14固定在各模块12装配形成的矩形立方体的对称凹槽中，扩展连接器8固定在高速背板5上，装配在各模块12的底部，并由底板9右侧板10、后壁板11、上壁板13、左侧板15、前面板16围成的机箱装配在箱体中。

上述位置关系中的“平行”和“垂直”均不是绝对的，允许有较小的偏差。

参阅图3。数据管理模块2间通过心跳线相互检测状态，若其中一块数据管理模块2发生故障，则自动切至备份数据管理模块2，将数据与信号处理模块1与数据交换模块3切换至备份模块，并将数据与信号交换总线、管理总线切换至备份总线，实现主备切换。机箱转接模块7对外可接入多组光纤，射频与数字信号通过数据交换模块3与数据管理模块2底部的接口传输。

数据与信号交换总线①采用串行/并行RapidIO协议，用以覆盖中速到高速数据信号的传输，其传输速率范围为1.25Gbps-10Gbps，互连延迟为微秒级；管理总线②可采用Space wire协议或千兆以太网，用于传输低速、实时性要求不高的遥测、遥控数据，优选的，在本发明实施例中，采用Space wire协议，可支持最高400Mbps传输速率，可以组播、广播、点播形式进行数据传输；数据与信号处理模块1、数据交换模块3通过管理总线②数据管理模块2互连，组成星型拓扑结构进行数据传输；数据与信号处理模块1与数据交换模块3通过数据与信号交换总线①互连，组成总线型交换拓扑结构。

块数据管理模块2间通过心跳线相互检测状态，当检测到一方发生故障时，控制权则自动交由另一方，随后自动进行各模块与总线的主备切换，心跳线的接口形式包含但不仅限于SPI、RS232、CAN、LVDS、UART，优选的，本实施例中采用RS232接口。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的星载电子设备背板的设计进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种星载电子设备背板，包括：数据与信号处理模块(1)、数据管理模块(2)、数据交换模块(3)、电源模块(4)、高速背板(5)、扩展背板(6)、机箱转接模块(7)和扩展连接器(8)，其特征在于：在高速背板(5)上，两个数据管理模块(2)以两个数据交换模块(3)为中心，分别平行阵列在两个数据交换模块(3)的两边，在两个数据交换模块(3)的两边至少平行阵列有三个向两端延伸扩展的数据与信号处理模块(1)；在扩展背板(6)的长度方向上，平行阵列有与上述各模块数量对应一致数据的信号处理模块(1)；高速背板(5)通过扩展连接器(8)对插互连扩展背板(6)，整体固联在机箱底部的安装架上；数据与信号处理模块(1)、数据管理模块(2)通过数据交换模块(3)提供的数据与信号交换总线在高速背板(5)与扩展背板(6)间进行互连通信，数据与信号处理模块(1)、数据管理模块(2)、数据交换模块(3)、电源模块(4)间通过管理总线接口插座进行互连通信，并由数据管理模块(2)对各模块的健康信息与状态信息进行采集与监控，对各模块的运行状态与参数加载进行统一的控制。

2.根据权利要求1所述的星载电子设备背板，其特征在于：高速背板(5)通过扩展连接器(8)对插互连扩展背板(6)，整体固联在机箱底部的安装架上；高速背板(5)、扩展背板(6)与扩展连接器(8)和机箱底部安装架采用整体焊接方式，与数据与信号处理模块(1)、数据管理模块(2)、数据交换模块(3)、电源模块(4)上的结构件接触，并与安装架固联为一体的散热翅片将高速背板(5)、扩展背板(6)与扩展连接器8的热量传导至机箱的左侧壁、右侧壁、面板壁、后板壁、底板壁以及上板壁共六个面上，并通过水冷或风冷系统将机箱壁上收集的热量带出机箱外部。

3.根据权利要求1所述的星载电子设备背板，其特征在于：所述的数据管理模块(2)间通过心跳线相互检测状态，若其中一块数据管理模块(2)发生故障，则自动切至备份数据管理模块(2)，将数据与信号处理模块(1)与数据交换模块(3)切换至备份模块，并将数据与信号交换总线、管理总线切换至备份总线，实现主备切换。

4.根据权利要求1所述的星载电子设备背板，其特征在于：在高速背板(5)的长度方向上，从左至右依次安装有机箱转接模块(7)、按线阵排列的数据与信号处理模块(1)、数据管理模块(2)和处于居中位置的一对数据交换模块(3)、以及电源模块(4)，其中，数据管理模块(2)、数据与信号处理模块(1)分别顺次位于数据交换模块3的两边。

5.根据权利要求1所述的星载电子设备背板，其特征在于：机箱转接模块(7)通过J599型圆形连接器与机箱面板壁的射频接口、光纤接口和数字接口互连，将射频接口与光纤接口输入/输出的信号分别通过屏蔽电缆、光纤与印制板微带线/带状线的形式接入数据交换模块(3)，通过数据交换模块(3)将由机箱转接模块(7)输入的信号分发至各数据与信号处理模块(1)。

6.根据权利要求1所述的星载电子设备背板，其特征在于：电源模块(4)左侧与数据信号处理模块(1)相距一个槽位，为电源模块(4)与数据处理模块间提供额外的风道，便于电源模块(4)的热量散出，为背板系统提供对外热传导性能。

7.根据权利要求1所述的星载电子设备背板，其特征在于：高速背板5所在平面与机箱底部所在平面平行，与机箱侧壁所在平面垂直，高速背板(5)、扩展背板(6)与扩展连接器(8)形成与散热翅片(14)与安装架做成一体结构。

8.散热翅片(14)固定在各模块(12)装配形成的矩形立方体的对称凹槽中，扩展连接器(8)固定在高速背板(5)上，装配在各模块(12)的底部，并由底板(9)右侧板(10)、后壁板(11)、上壁板(13)、左侧板(15)、前面板(16)围成的机箱装配在箱体中。

9.根据权利要求1所述的星载电子设备背板，其特征在于：数据与信号交换总线①采用串行/并行RapidIO协议，用以覆盖中速到高速数据信号的传输，其传输速率范围为1.25Gbps-10Gbps，互连延迟为微秒级。

10.根据权利要求1所述的星载电子设备背板，其特征在于：数据与信号处理模块(1)、数据交换模块(3)通过管理总线②数据管理模块(2)互连，组成星型拓扑结构进行数据传输；数据与信号处理模块(1)与数据交换模块(3)通过数据与信号交换总线①互连，组成总线型交换拓扑结构。