商用飞机向电子系统过渡

趋势

向电子系统过渡

飞机座舱系统必须支持从视频点播到宽带接入在内的越来越多的服务。但是,要在这些系统中实现连接,仍需要在接线盒之间通信。作者:Earle Olson,航空航天部业务发展经理

飞机越来越依赖数字电子设备交流信息和实现控制。 MEA(多电飞机)的趋势突显了机械系统到电气控制系统的转变。随着飞机运行和乘客设施中电子设备越来越多,处理负载也越来越大。嵌入式计算机不断发展,允许使用越来越复杂的机上传感器和雷达。分布式处理是将处理功率从一个集中的位置分散到使用点的位置,但这样做仍需要在接线盒之间通信。最重要的是,现代商用飞机的整个飞机内会进行更多的处理。高带宽计算也要求连接各种接线盒的电缆具有更高的带宽。当前需要的负载传输速度为 1 Gb/s,很快就会达到 10 Gb/s,所以,虽然仍有人采用 IEEE 1394 和 USB 之类的协议,但实际上以太网已成为最受欢迎的协议。

10Gbs

以太网需要能够负载未来预期的数据量。

10-µm

尘粒粒径会严重降低连接套圈的性能。

与此同时,嵌入式计算系统和有关的互相连接必须满足对更低 SWaP 的追求,即占用空间更小、重量更轻、耗电更少。 同时还要满足对加固型元器件的需求,以抵御飞机内的振动和其他常见危险。随着商用飞机为乘客提供更多服务(从视频点播到互联网访问),向每个座位提供服务的互连主干必须适应更大的带宽要求。与此同时,飞机制造商正寻找能够方便安装、稳固可靠、需要维护较少或不需要维护的即插即用解决方案。考虑到商用飞机的使用寿命,能适应未来电子设备升级的物理层也是需要的。

不断提高的数据速率要求设计者将光纤作为一种新途径,从而在较长距离上实现高速协议。光纤主要有三个优点:

  • 更小、更轻。光纤与铜缆的比较应根据特定的电缆结构,以“通用的”基线电缆为例:与屏蔽 PVC 5e 类电缆相比,双重光缆可节省约 25% 的空间,减轻 50% 的重量。
  • 抗电磁干扰。由于光纤自身具备抗电子噪声的能力 - 无论是接收还是辐射能量 - 所以使用光纤时无需关注 EMI 控制的问题。而铜缆对屏蔽层的潜在需求只会使尺寸和重量更大。
  • 较长的传输距离。虽然在飞机上许多互连距离相对较短,但是使用铜缆时,商用飞机中的乘客座舱仍面临端到端的连接难题。

如今仍有人认为光纤技术在使用和维护方面更为困难,在端接光纤和连接器时尤为明显。新技术已针对商用和军用飞机从光纤本身和连接器两方面改进了光纤,使光纤的清洁和维护更加简单。以 ARINC 801 端子为例,该产品具有可拆卸式耦合套管,同时,扩束技术可保护“护目镜”后的纤芯并符合 ARINC 和 SAE AS3 标准。

有关光纤的另一则谣言是说光纤不够可靠。在应用商用收发器时偶尔的失败被视为光纤不适合在高振动、温度范围广泛的应用中使用的证据。之所以产生这样的看法,是因为大家忽略了专门用于航空航天环境的加固型收发器。

同样,连接器接口也具有坚稳的性能。光纤使用的三种主要终端为:陶瓷套圈、扩束终端和 MT 多芯光纤套圈。光缆可靠性的指示之一,就是所有光纤均符合标准化的 VITA 66.x 规格以在 VPX 嵌入式计算应用中提供光纤连接,并符合 ARINC 801 和 SAE AS3 行业标准。

扩束光纤连接器使用非接触式光纤接口,从而实现可靠的性能。
扩束光纤连接器使用非接触式光纤接口,从而实现可靠的性能。
扩束理念已应用到尺寸 16 端子中。
扩束理念已应用到尺寸 16 端子中。

此外,由于套圈端面是封闭的并受到透镜的保护,所以光纤将无需清洁。只有暴露在外的透镜表面会受到污染,但非常容易清洁。由于线束的尺寸在机械接口上被大幅扩大,空气放射性污染不会使信号衰退,例如粒径为 10-µm 的尘粒,这些污染会严重降低连接套圈的性能。EB 连接器的插入损耗较高,但与其终生可靠、一致的 EB 性能相比,这一点就太微不足道了。

最初的 EB 连接器使用的是无极性接口或插针,专门用于标准军用连接器。近来,尺寸 16 端子也采用了扩束理念,并可用于接受尺寸 16 AS39029 端子的 D38999 系列 III 或 EN4165/ARINC 809 连接器型腔。由于可用于军用(和商用)连接器的插针多种多样,因此,混合和匹配电子信号、电源和光纤,甚至在同一个连接器中同时使用 EB 终端和 PC 终端都变得更加简单。

虽然光纤看起来具有压倒性的优势,但是短时间内铜质电缆并不会退出舞台。利用先进的交联护套和绝缘材料,可以减小铜质缆线的尺寸和重量,同时,调制技术的进步和电缆结构的改进使缆线能够在长达 100 米的距离内支持高速数据的传输。

随着 I/O 速度的提升,信号完整性和功率预算问题带来了新的挑战。简单地说,相比低速信号,高速信号更加难以管理。互相连接的速度越高,对回波损耗、插入损耗、串扰以及可能降低信号的类似因素的管理就越难。理想的布线系统是接线盒之间不存在中间连接,但是现实世界里,我们需要生产间歇,模块化也使回路中不可避免地存在各种连接器。

为填补快速铜缆连接方面的差距,TE Connectivity (TE) 最近推出了三个能够支持 10 Gb/s 性能的 CeeLok 产品系列,在性能和尺寸方面各有优势。

 新一代圆形连接器支持以铜缆为载体的 10 Gb/s 以太网。
新一代圆形连接器支持以铜缆为载体的 10 Gb/s 以太网。

TE CeeLok FAS-X 连接器借助创新方法在连接器内维持屏蔽导通。这样,连接器可以进行多次级联,且不会降低性能。该连接器比我们此处讨论的另外两种要大,但是其信号完整性最高,并仍具有现场可修复性。该连接器在尺寸 11 外壳中支持单信道 10G 以太网,或在尺寸 25 外壳中支持四信道。

CeeLok FAS-T 连接器的尺寸较小  – 是采用尺寸 8 外壳的 8 位连接器。该连接器的 T 形端子模式提供噪声消除和去耦功能,可最大程序减少串扰并提高信号完整性。其后壳集成到插头主体中,因而具有小尺寸、低成本、轻重量的特点,可消除应力并提供 EMI 屏蔽。该连接器可在现场端接和维修。

CeeLok FAS-T Nano 连接器中使用了同款 T 形端子模式,具有纳小型尺寸 - 插头直径仅 0.3 英寸,可选用推入式或螺纹连接。不同于尺寸较大的 CeeLok FAS-T 连接器,纳米版连接器需要工厂配线,而无法现场端接。该连接器以完善的 NANONICS 纳小型连接器为基础,但是加入了插针以实现高速传输。

摘要

铜缆和光缆将在大多数应用中共存。从我们熟悉而感到舒适的铜缆到能在较长距离实现高带宽的光缆,二者各有优势。如今各个系统都面临挑战,需要为用户在处理数据、视频、红外成像和其他大量消耗带宽的程序方面提供无缝体验,在这种情况下,无论是光缆还是铜缆连接,都必须确保端到端解决方案能够适应回路中的生产间歇。令人欣慰的是,这两种技术都在持续地发展,为设计师解决不断增长的数据负载时带来新的选择