Weltweit beschäftigen sich Forschungseinrichtungen mit der Photonen-, Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik. Diese Institute bauen und betreiben hochkomplexe Anlagen wie Teilchenbeschleuniger, Röntgen-Laser oder Neutrino-Waagen. Zur Steuerung dieser Experimente wurden bisher häufig VMEbus-Systeme eingesetzt. Vor einigen Jahren begannen Mitarbeiter aus verschiedenen Forschungseinrichtungen, eine geeignete Plattform für die nächste Generation Steuerungssysteme zu suchen; diese hat sich auf den existierenden MicroTCA-Standard der PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturing Group) festgelegt. Obwohl MicroTCA und auch AdvancedTCA weitgehend geeignete Plattformen für diese Anwendungen darstellen, fehlten beiden Spezifikationen wichtige Aspekte, die mit der Ratifizierung von Mic-roTCA.4 und PICMG 3.8 im Oktober 2011 ergänzt wurden. Während bei AdvancedTCA lediglich zusätzliche Signale in der Zone 3 definiert wurden, waren bei MicroTCA umfangreichere Anpassungen notwendig, die mit der Unterspezifikation MTCA.4 „Enhancements for Rear I/O and Precision Timing“ realisiert wurden.

Teilchenphysik braucht Gerätemanagement

Modulmanagement: Die Rear-Transition-Module (RTM) sind bei MicroTCA.4 über einen I²C-Bus an das jeweilige AdvancedMC-Modul angebunden.

© Schroff

Die Forscher haben sich hauptsächlich aus einem Grund für die TCA-Plattformen entschieden: Wegen des Carrier- und Shelf-Managements, das sowohl die Advanced-TCA- als auch die MicroTCA-Spezifikation bieten. Es ermöglicht den Zustand aller Komponenten eines Systems zu jeder Zeit zu überwachen und Reaktionen auf Fehlerzustände einzuleiten – auch per Fernwartung. Dies ist beim Betrieb von Teilchen­beschleunigern besonders wichtig, da während eines laufenden Experiments der gesamte Bereich des Beschleunigerrings, in dem auch die Steuerungs- und Überwachungssysteme untergebracht sind, nicht betreten werden darf. Ein weiterer Faktor ist die Redundanz.

Darüber hinaus werden Eigenschaften benötigt, die nicht in der Basis-Spezifikation von MicroTCA implementiert sind: Um die für solche Experimente benötigte Anzahl an I/O-Kanälen in einem Systemaufbau zu realisieren, braucht es zusätzliche Rear-Transition-Module (RTM). Diese wurden bei der MicroTCA.4-Spezifikation nun definiert. Gleichzeitig wurde die räumliche Trennung der digitalen und analogen I/O-Signale realisiert. Die Zielsetzung: Die empfindlichen, hochfrequenten Analog-Signale über den Rear-I/O-Bereich einzuspeisen, dort in digitale Signale umzuwandeln und an die Prozessoreinheiten im vorderen Kartenträger weiterzuleiten. Dazu musste der Rear-I/O-Bereich, der Kartenkorb auf der Rückseite, entwickelt werden. Die größte Herausforderung dabei war es, den Rear-I/O-Kartenkorb in Verbindung mit dem Direkt-Steckverbinder zu realisieren. Weitere Themen waren das Management der Rear-Transition-Module und deren Belüftung sowie die bei vielen Experimenten erforderlichen hochpräzisen Zeit- und Trigger-Signale.

Frontseitig wurde als Modulgröße das Double-Mid-Size-Format (Höhe: 150 mm, Breite: 4 TE, Tiefe: 180 mm) gewählt. Die Breite von vier Teilungseinheiten erlaubt es, die maximal möglichen zwölf AdvancedMC-Module mit zwei MCHs (MicroTCA Carrier Hubs) und bis zu vier Stromversorgungsmodulen in einem 19-Zoll-System zu kombinieren. Da für die Rear-Transition-Module fast identische Abmessungen gewählt wurden, ist ein MicroTCA.4-System etwa doppelt so tief wie ein MicroTCA.0-System.

Steckverbinder statt Backplane

Die Frontmodule sind nicht etwa über eine Backplane mit den Rear-Modulen verbunden, sondern direkt über ein Steckverbinderpaar auf der Front- und Rear-Karte. Das klingt einfach, kann aber bei den Längen-Toleranzen und der Zentrierung beziehungsweise Fixierungen der Module im System zu Schwierigkeiten führen. Daher waren umfangreiche To-leranzrechnungen erforderlich, um zuve-rifizieren, dass Front- und Rear-Stecker sicher gesteckt und kontaktiert werden.

Bei einem klassischen MicroTCA.0-System werden die Frontmodule durch den Stecker auf der Backplane zentriert und mit dem Griff auf der Frontplatte in dieser Position gehalten. Beim MicroTCA.4-System würde sich mit dieser Lösung das AdvancedMC-Modul beim Stecken des Rear-Moduls aus der Zentrierlage bewegen. Dies hätte zu Unterbrechungen oder Kurzschlüssen im MicroTCA-Stecker führen können. Abhilfe schafft eine ebenso einfache wie effiziente Lösung: Die Verschraubungen für AdvancedMC-Module aus der Rugged-MicroTCA-Spezifikation MTCA.1 wurden in die MicroTCA.4-Spezifiaktion übernommen und halten die Module in ihrer Einbaulage. Allerdings hat das Konsequenzen für die Montage: Zuerst muss das Frontmodul eingeschoben und verschraubt werden, bevor das zugehörige Rear-Modul von hinten gesteckt und ebenfalls verschraubt werden kann. Danach lassen sich das Front- und Rear-Modul beliebig stecken oder ziehen, ohne eine bestimmte Reihenfolge einhalten zu müssen.

Aus Kostengründen und um das bestehende Eco-System effektiv zu nutzen, kommt beim Rear-Modul die gleiche Frontplatte wie beim Front-Modul zum Einsatz und wird lediglich um 180° gedreht. Dadurch befindet sich der Verriegelungsmechanismus oben (bei den Front-Modulen ist er unten). Das hat den Vorteil, dass die Einsteckkräfte genau dort wirken, wo sie gebraucht werden, da der Rear-I/O-Steckverbinder oben liegt.

Eine wesentliche Ergänzung gegenüber MTCA.0 ist die Erweiterung der ursprünglich für die Telekommunikation ausgelegten Clock- und Triggersignale. Mit der Revision 2.0 der AdvancedMC-Spezifikation stehen zwar vier Telecom-Clocks und ein Fabric-Clock für PCIe (PCI-Express) zur Verfügung. Für Messaufgaben werden jedoch weitere, hochpräzise Clock- und Triggersignale benötigt, die im nicht definierten Bereich des Pinouts der AdvancedMC-Boards realisiert wurden.

Die Integration der RTM in das Modul-Management erfolgt über einen I²C-Bus zum jeweiligen AdvancedMC-Modul. Rear-Module werden somit wie eine gemanagte FRU (Field Replace-able Unit) des Front-Moduls behandelt. Jedes AMC-Modul ist wie bisher über den Managementbus IPMB-L mit dem MCH (MicroTCA Carrier Hub) verbunden; der MCH kommuniziert wiederum über einen weiteren Bus (IPMB-0) mit den PMs (Power Modules) und den CUs (Cooling Units).

Front- und Rückseite kühlen

MicroTCA.4 definiert getrennte aktive Kühlungen für die Front- und die Rear-Module, was die Platzierung aktiver Module mit höherer Verlustleistung in den Rear-Slots ermöglicht. Über das gegenüber MicroTCA.0 erweiterte Lüfter-Management können Front- und Rückseite unabhängig voneinander über den MCH in mehreren Stufen geregelt werden.

Viele Marktsegmente stellen ähnliche Anforderungen, beispielsweise an Rear-I/O, hohe Verfügbarkeit, Redundanz oder Fernwartung, wie Forschungseinrichtungen. Deshalb ist MicroTCA.4 auch für Anwendungen in Bereichen wie der Mess- und Prüftechnik interessant. Potenzielle Einsatzgebiete in der Industrieautomation sind Bildverarbeitung und Motion-Control, die Sicherheitsüberwachung von Fertigungszellen per Videokamera und das „maschinelle“ Sehen zum Sortieren von Gütern in der Produktion oder die Oberflächeninspektion. In der Verkehrstechnik werden zum Beispiel Videoüberwachungssysteme oder Informations- (Internet to train, WiMAX, 3G, WiFi) und Entertainment-Systeme mit Electronic-Packaging-Systemen auf MicroTCA-Basis aufgebaut.

Autor: Christian Ganninger ist Category Manager Systems EMEA bei der Firma Schroff/Pentair in Straubenhardt.

MicroTCA.4 - Erste Systeme verfügbar

MicroTCA.4 - Erste Systeme verfügbar

© Schroff

Die Firma Schroff hat als aktives Mitglied der PICMG-Arbeitsgruppe kurz nach Verabschiedung der MicroTCA.4-Spezifikation bereits zwei MicroTCA-Systeme mit Rear-I/O im Portfolio, die der MicroTCA.4-Spezifikation entsprechen. Das System „Cube“ (5 HE, 42 TE) kann frontseitig bis zu sechs AdvancedMC-Slots, einen MCH-Slot und einen Slot für ein steckbares 300-W-Netzteil (ohne MicroTCA-Management) aufnehmen. Entsprechend den AMC-Steckplätzen stehen rückseitig sechs Slots für Rear-Transition-Module im Double-Mid-Size-Format zur Verfügung. Die Belüftung der Front- und Rear-Slots erfolgt über geschwindigkeitsgeregelte Lüfter.

Das zweite MicroTCA-System nach der MTCA.4-Spezifikation ist ein 19-Zoll-System (9 HE, 84 TE) mit je zwölf AdvancedMC-Slots und RTM-Slots, zwei MCH-Slots und vier Power-Slots. Die Power-Slots sind für MicroTCA-Powermodule vorgesehen. Zwei redundante Hot-Swap-Lüfterkassetten mit EMMC vervollständigen das System. Die Lüfterdrehzahl ist für den Front- und Rear-Bereich getrennt mittels MCH einstellbar.

Ein drittes System, das Ende Januar vorgestellt wurde, ist als „Cube“ (5 HE, 42 TE) aufgebaut und unterstützt den gleichen Umfang an Managementfunktionen wie das 19-Zoll-System.
Außerdem arbeitet Schroff zusammen mit einem Partner an der Entwicklung eines MicroTCA-Powermoduls mit 600 W Leistung und MicroTCA-Management. Dieses MicroTCA-konforme Netzteil wird auch auf die MicroTCA.4-Systeme abgestimmt.