Бортовые Часы Космические. Показывают время, имеют будильник («оповещатель») и секундомер
Недавно к нам в руки [в Музей компьютерной истории в Маунтин-Вью, Калифорния] попали часы, летавшие в космос с миссией «Союз» («Бортовые Часы Космические», или БЧК). Часы изготовлены в 1984 году и содержат более 100 интегральных схем (ИС) на десяти печатных платах. Почему же эти часы такие сложные? В данной статье я изучу схему часов и объясню, почему для них потребовалось так много чипов. Также часы дают нам возможность подробнее взглянуть на советскую аэрокосмическую электронику и сравнить её с американскими технологиями.
Космические корабли «Союз» были разработаны в рамках советской космической программы во время лунной гонки. Первый «Союз» полетел в 1966 году, а всего в рамках программы за последние 50 лет было совершено более 140 полётов. Космический корабль (см. фото ниже) состоит из трёх частей. Круглая секция слева – обитаемый модуль, где хранится груз, оборудование и находятся жилые отсеки. В середине находится спускаемый модуль, и это всё, что возвращается на Землю; астронавты находятся в спускаемом модуле во время запуска и возвращения. В сервисном модуле справа находится основной двигатель, солнечные панели и другие системы.
"Союз ТМА-7" отходит от МКС, 2006
В спускаемом модуле находится панель управления космическим кораблём (см. ниже). Цифровые часы находятся слева вверху. На ранних кораблях «Союза» использовались аналоговые часы, но с 1996 по 2002 год на корабле стояли уже цифровые часы. Цифровые часы также использовались на космической станции «Мир». Из более поздних «Союзов» часы исчезли, и там использовалось два компьютерных экрана на панели управления.
Панель управления «Союза». Цифровые часы – слева вверху. Экран посередине – телевизор.
Подробнее о часах
У часов было три функции: показывать время, служить будильником и секундомером. В режиме Часов Текущего Времени (ЧТВ) часы показывают текущее время по Москве при помощи шести цифр слева вверху, а ОП показывает время установки будильника. Будильник (или "оповещатель", ОП) можно поставить на определённое время; в это время часы активируют реле, запуская одну из внешних схем корабля (выводы обо всех функциях пока сделаны мною на основании реверс-инжиниринга. Когда мы включим эти часы, посмотрим, где я был неправ). Настраиваются часы в режиме «Коррекция»; цифры увеличиваются по нажатию кнопки «Ввод». Нижняя часть часов – это секундомер. Четыре светодиодных индикатора показывают прошедшие минуты и секунды. Кнопка внизу запускает, останавливает или сбрасывает секундомер (судя по инструкции для команды «Союза», часы автоматически измеряют время, прошедшее с запуска двигателя до остановки, а также время во время спуска до контакта с поверхностью). Тумблер «Вкл» включает часы.
Нам, конечно, хотелось посмотреть, что у них внутри, так что Марк открутил крышку и снял её. Под ней обнаружилась плотная пачка печатных плат. Часы оказались гораздо сложнее, чем я ожидал – десять печатных плат были усеяны ИС поверхностного монтажа и другими компонентами. Компоненты расположены на двухслойных печатных платах – это распространённая технология сборки. На плате перемешаны как компоненты поверхностного, так и сквозного монтажа. Это означает, что компоненты типа резисторов и конденсаторов монтировались посредством продевания их ножек через отверстия в платах. А ИС поверхностного монтажа были напаяны на площадке, расположенные на поверхности платы. Это более передовой подход, чем использовали в американской потребительской электронике в 1984 году: там использовали большие ИС сквозного монтажа, и не перешли на поверхностный монтаж вплоть до конца 1980-х. При этом аэрокосмические компьютеры США использовали поверхностный монтаж ИС с 1960-х.
Часы со снятой крышкой
Одна интересная особенность часов состоит в том, что платы соединяются отдельными проводами, собранными в жгуты (я ожидал, что платы будут вставлены в материнскую плату или будут соединены кабелями). У плат есть ряды контактов по периметру, и провода припаяны к ним. Затем провода собирали в жгуты, обматывали пластиком и закрепляли к платам.
Сначала мы думали, что сильнее разобрать часы, не отпаяв провода, не получится, однако затем поняли, что жгуты проводов были расположены таким образом, что платы можно развернуть на манер книги. Это позволило нам тщательнее изучить платы. Неудобство доставило то, что некоторые части плат были спаяны спереди короткими проводами, поэтому мы не могли увидеть эти платы с обеих сторон.
Видно, как много в часах ИС. В основном это ИС с плоским металлическим корпусом и 14-ю контактами, что отличает их от американских ИС того времени, корпус которых делали из чёрной эпоксидки. Также встречаются 16-контактные ИС в розовых керамических корпусах.
Схема часов
Следующим этапом стояло более детальное изучение схемы – давайте рассматривать её, начиная с задней части часов. Разъём с 19-ю контактами (стандартный для советской военной электроники РС19ТВ – мне удалось найти для него ответную часть на eBay, и её мы будем использовать для запуска часов) соединял часы с приборами корабля. Через этот разъём приборы подавали на часы 24 В, а также все необходимые тактовые импульсы и управляющие сигналы для секундомера. Часы по прошествии заданного отрезка времени подавали команду кораблю через контакты реле.
Две платы в задней части часов – это питание, и оно оказалось сложнее, чем я ожидал. Первая плата – импульсный источник питания, преобразующий 24 В корабельного напряжения в 5 В, необходимые для работы ИС. Керамические цилиндры – это катушки индуктивности разного рода, от простых катушек до сложных 16-контактных. В управляющей схеме присутствует два операционных усилителя в металлических цилиндрах. Два других корпуса, похожие на ИС, содержат по четыре транзистора. Рядом с ними – цилиндрический стабилитрон, регулирующий выходное напряжение. В центре видно большой круглый транзистор импульсного питания. Можно было ожидать найти там простейший понижающий трансформатор. Однако источник питания построен по более сложной схеме, обеспечивающей электрическую изоляцию корабля и часов. Не уверен, зачем это понадобилось.
Многие компоненты источника питания отличаются по виду от американских. Американские резисторы обычно промаркированы цветными полосками, но советские резисторы – это зелёные цилиндры с напечатанным на них номиналом. Советские диоды – оранжевые прямоугольные корпуса, а не цилиндрические, как в США. Транзистор питания в центре – круглый, у него нет металлической кромки, как у американских транзисторов в корпусах TO-3. Не берусь судить, лучше или хуже корпуса у советских компонентов – просто интересно изучать, как они отличаются от американских.
Источник питания использует диоды на 1 А в прямоугольных оранжевых корпусах. ОС означает высокое военное качество.
Вторая плата тоже является частью источника питания, но она гораздо проще. На ней есть фильтрующие катушки индуктивности и конденсаторы, а также чип линейного регулятора напряжения (розовый), выдающий 15 В для ИС операционного усилителя первой платы. У чипа регулятора напряжения есть две большие металлические петли, припаянные к плате и рассеивающие тепло. Странно, что у платы есть три больших отверстия с правой стороны. Вероятно, они нужны для того, чтобы освободить место для компонентов большой высоты на соседней плате – но там таких компонентов нет. Видимо, эту плату изначально разрабатывали для другого устройства.
Вторая плата наполовину пустая, и её правая часть, видимо, работает как радиатор
Остальные платы заполнены ИС цифровой логики. Плата 3 на фото ниже и похожая на неё плата 5 отвечают за функции текущего времени и оповещателя. На каждой плате стоят двоично-десятичные счётчики для шести цифр (часы, минуты, секунды). Кроме того каждому счётчику требуется логический чип для увеличения и ещё один чип для сброса, в зависимости от того, работают ли часы в обычном режиме или их настраивают (поэтому там так много чипов). Розовый чип управляет выбором цифры при настройке.
У платы 4 (ниже) две функции. Во-первых, она управляет тем, показывают ли часы текущее время или время оповещения. У каждой цифры для этой цели есть отдельный чип. Во-вторых, плата даёт сигнал кораблю, когда текущее время совпадает с заданным временем оповещения. Это реализовано с использованием нескольких чипов, которые сверяют все цифры по очереди, определяя наличие совпадения. Так что, хотя функции этой платы кажутся простыми, для них требуется полная плата чипов. Контакты внизу платы связывают плату 4 с платой 5. С платой 3 она соединяется через жгут проводов.
На некоторых платах размещено больше компонентов, чем нужно только лишь для цифровой логики. К примеру, на платах 6 и 7 есть импульсные трансформаторы, электрические изолирующие управляющие сигналы, поступающие в часы через 19-контактный разъём (в современных схемах эту роль исполняет оптрон). Эти трансформаторы немного похожи на грибы или маленькие водонапорные башни, и их можно видеть на фото ниже. На 7-й плате также есть кристалл кварца – металлический прямоугольник внизу (инструкция для «Союза» утверждает, что точность этих часов составляет до 30 секунд в день, что не очень хорошо – дешёвые электронные часы от Timex 1970-х годов давали точность до 15 секунд в месяц; в инструкции написано, что часы можно синхронизировать по внешним импульсам).
На 7-й плате стоит кристалл на 1 МГц, задающий тактовую частоту для часов
Две функции 7-й платы – генерация тактовых импульсов и реализация секундомера. Кварцевый кристалл выдаёт импульсы частотой 1 МГц. Они замедляются до импульсов раз в секунду при помощи шести двоично-десятичных счётчиков; каждый из них делит частоту на 10. Затем эти импульсы используются остальными схемами часов. Для работы секундомера на плате есть четыре счётчика для четырёх цифр. Также там расположена управляющая логика для запуска, остановки и обнуления секундомера. Три импульсных трансформатора позволяют кораблю управлять секундомером при наступлении определённых событий.
Платы 8 и 9 управляют светодиодными дисплеями. Каждой цифре требуется чип, зажигающий определённые сегменты 7-сегментного дисплея на основе двоично-десятичного значения. Чипы, преобразующие двоично-десятичные значения в 7 сегментов – это розовые 16-контактные чипы. Поскольку на часах есть 10 цифр, используется 10 управляющих чипов. Восемь из них расположены на 8-й плате, а на 9-й плате расположено два чипа и различные ограничивающие ток резисторы для светодиодных дисплеев. Переключатели для настройки часов также видны на фото внизу.
И, наконец, на 10-й плате расположены десять светодиодных дисплеев. Каждая цифра состоит из дисплея с семью сегментами и точкой. Думаю, одна из точек должна что-то обозначать – мы узнаем, что именно, подав питание на часы.
Советские интегральные схемы
Рассмотрим далее ИС часов. Часы в основном содержат микросхемы на транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ), популярной с 1970-х по 1990-е (если вы занимались цифровой электроникой в качестве хобби, вам, вероятно, знакомы ТТЛ-чипы серии 7400). Чипы ТТЛ были быстрыми, дешёвыми и надёжными. Однако их главным недостатком был дефицит функциональности. На простейшем ТТЛ-чипе есть всего несколько логических вентилей, типа 4 NAND или 6 инвертеров, а более сложный ТТЛ мог содержать что-то типа 4-битного счётчика. В итоге ТТЛ уступили дорогу КМОП (чипам, которые используют в современных компьютерах), которые используют гораздо меньше энергии и имеют большую плотность.
Поскольку каждый отдельный чип в часах мало что умел, часам требовалось множество плат с чипами для выполнения их функций. К примеру, каждой цифре часов требуется счётчик, а также пара логических чипов для увеличения или очистки этой цифры по необходимости, а также чип, управляющий соответствующим 7-сегментным светодиодным дисплеем. Поскольку часы показывают 10 цифр, это уже даёт нам 40 чипов. Дополнительные чипы обрабатывают нажатия на кнопки и переключатели, реализуют оповещатель, отслеживают состояние секундомера, управляют осциллятором, и так далее, что доводит общее число чипов до 100.
Что мне понравилось в советских ИС, так это что нумерация чипов подчиняется рациональной системе, в отличие от, по большому счёту, случайной нумерации американских ИС (больше информации можно найти в справочнике "Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги"). Две буквы в номере детали обозначают функцию чипа – логический вентиль, счётчик, триггер, декодер. К примеру, микросхема ниже отмечена, как "Δ134 ЛБ2А". Номер серии 134 говорит о том, что это ТТЛ-чип с низким энергопотреблением. Буква «Л» обозначает логический чип, а «ЛБ» – логические вентили NAND/NOR. «2» обозначает определённый чип категории «ЛБ» (функциональность чипа 134ЛБ2 включает в себя NAND-вентили и инвертер с 4 входами, и у него нет американского аналога; "Δ" используется на мелких чипах вместо «Л», чтобы не перепутать её с «П»).
Логотипы на ИС говорят о том, что у них были разные производители. Ниже показано несколько чипов, вместе с названием производителей и переводом на английский. Больше информации о логотипах советских полупроводников можно найти тут и тут.
Сравнение с технологией США
Как выглядят часы с «Союза» по сравнению с американской технологией? Впервые взглянув на них, я бы сказал, что их сделали в 1969-м, а не в 1984-м – если смотреть на их устройство и большое количество простых чипов в плоских корпусах. Американская технология к 1984 году произвела IBM PC/AT и Apple Macintosh. Кажется абсурдным, что в часах используется несколько плат с большим количеством ТТЛ-чипов через десять лет после того, как в США начали выпускать цифровые наручные часы на одном чипе. Однако оказалось, что сравнивать технологии не так-то просто.
Для сравнения часов «Союза» с современной им американской космической электроникой 1980-х, я взял плату от компьютера AP-101S космического «Шаттла». На фото ниже показана схема от часов «Союза» (слева) и компьютера «Шаттла» (справа). Хотя компьютер «Шаттла» более продвинут с точки зрения технологий, разница между ними не такая большая, как я ожидал. Обе системы сделаны на основе ТТЛ-чипов, хотя чипы у «Шаттла» из более быстрого поколения. Многие чипы у «Шаттла» чуть более сложные; обратите внимание на чипы с 20 контактами вверху. Большой белый чип куда как более сложный – это чип коррекции ошибок памяти AMD Am2960. Печатная плата «Шаттла» более продвинутая, у неё больше двух слоёв, из-за чего чипы можно располагать на 50% плотнее. В то время считалось, что СССР отстаёт от Запада в ИС-технологиях на 8-9 лет; это совпадает с тем, что видно на основе сравнения двух плат.
Однако что меня удивило, так это схожесть компьютера «Шаттла» и часов «Союза». Я ожидал, что в компьютере «Шаттла» будут использоваться микропроцессоры 1980-х годов, и он будет опережать часы «Союза» на целое поколение, но оказалось, что обе системы используют технологию ТТЛ, и во многих случаях у чипов оказывается почти одинаковая функциональность. К примеру, на обеих платах используются чипы, реализующие по 4 NAND-вентиля (поищите слева чип 134ΛБ1A, а справа — 54F00).
Заключение
Почему же в часах «Союза» используется более 100 чипов, вместо системы на единственном чипе? Советские технологии СС отставали от американских на 8 лет, и ТТЛ-чипы в то время казались разумным выбором даже в США. Поскольку ТТЛ-чипы не обладают обширной функциональностью, то даже для реализации таких простых вещей, как часы, требовалось использовать несколько плат, заполненных чипами.
В следующий раз мы попытаемся подать на часы питание и посмотреть, как они работают. Я изучал этот вопрос специально. Планирую подробнее описать про их питание и другие их части, а пока что посмотрите видео, на котором Марк разбирает часы.
