على مدار الساعة الفضاء. عرض الوقت ، لديك المنبه ("صفارات الانذار") وساعة توقيتفي الآونة الأخيرة ، وصلنا إلى أيدينا [
في متحف تاريخ الكمبيوتر في ماونتن فيو ، كاليفورنيا ] ساعة تطير إلى الفضاء مع مهمة Soyuz (Space Flight Clock ، أو BCH). صنعت الساعة في عام 1984 وتحتوي على أكثر من 100 دائرة متكاملة على عشرة لوحات دوائر مطبوعة. لماذا هذه الساعة معقدة للغاية؟ في هذه المقالة ، سأدرس دائرة الساعة وأشرح لماذا استغرق الأمر الكثير من الرقائق لهم. أيضا ، تتيح لنا الساعة فرصة إلقاء نظرة فاحصة على إلكترونيات الفضاء السوفيتية ومقارنتها بالتكنولوجيا الأمريكية.
تم تطوير مركبة الفضاء سويوز كجزء من برنامج الفضاء السوفيتي خلال سباق القمر. حلقت أول طائرة من طراز Soyuz في عام 1966 ، وبشكل إجمالي ، على مدار الخمسين عامًا الماضية ، تم إكمال أكثر من 140 رحلة داخل البرنامج. تتكون المركبة الفضائية (انظر الصورة أدناه) من ثلاثة أجزاء. القسم المستدير على اليسار هو الوحدة المأهولة ، حيث يتم تخزين البضائع والمعدات والمقصورات السكنية. في الوسط توجد وحدة النسب ، وهذا كل ما يعود إلى الأرض ؛ رواد الفضاء في وحدة الهبوط أثناء الإطلاق والعودة. في وحدة الخدمة على اليمين يوجد المحرك الرئيسي والألواح الشمسية والأنظمة الأخرى.
تغادر شركة Soyuz TMA-7 من محطة الفضاء الدولية ، 2006في وحدة الهبوط توجد لوحة التحكم في المركبة الفضائية (انظر أدناه). الساعة الرقمية في أعلى اليسار. استخدمت سفن Soyuz الأولى ساعة تناظرية ، ولكن من 1996 إلى 2002 ، كانت السفينة مجهزة بالفعل بساعة رقمية. كما استخدمت ساعة رقمية في محطة مير الفضائية. من النقابات اللاحقة ، اختفت الساعة ، واستخدمت شاشتين للكمبيوتر على لوحة التحكم.
لوحة التحكم في الاتحاد. الساعة الرقمية - أعلى اليسار. الشاشة في الوسط هي التلفزيون.مشاهدة التفاصيل
كان للساعة ثلاث وظائف: وقت العرض ، بمثابة ساعة منبه وساعة توقيت. في وضع ساعة الوقت الحالي (FWT) ، تُظهر الساعة الوقت الحالي في موسكو باستخدام ستة أرقام في الجزء العلوي الأيسر ، ويظهر المرجع OP وقت ضبط المنبه. يمكن ضبط المنبه (أو "
صفارات الإنذار " ، OP) لفترة معينة ؛ في الوقت الحالي ، تعمل الساعة على تنشيط التتابع ، حيث تبدأ إحدى الدوائر الخارجية للسفينة (استنتاجات حول جميع الوظائف التي قمت بها حتى الآن بناءً على الهندسة العكسية. عندما نشغل هذه الساعة ، سنرى أين كنت مخطئًا). يتم تعيين الساعة في وضع "تصحيح" ؛ زيادة الأرقام عن طريق الضغط على زر "أدخل". الجزء السفلي من الساعة هو ساعة توقيت. تعرض أربعة مؤشرات LED الدقائق والثواني المنقضية. يقوم الزر الموجود أدناه بتشغيل ساعة الإيقاف أو إيقافها أو إعادة ضبطها (وفقًا
للتعليمات الخاصة بأمر Soyuz ، تقيس الساعة تلقائيًا الوقت المنقضي من بدء تشغيل المحرك إلى الإيقاف ، وكذلك الوقت أثناء الهبوط للاتصال بالسطح). يتضمن مفتاح التبديل "تشغيل" ساعة.
بالطبع ، أردنا أن نرى ما بداخلها ، لذلك فك مارك غطاء الغطاء وأزاله. تحتها تم العثور على حزمة كثيفة من لوحات الدوائر المطبوعة. تحولت الساعة إلى أنها أكثر تعقيدًا مما كنت أتوقع - حيث تم توزيع عشرة لوحات دوائر مطبوعة على أجهزة IC مثبتة على السطح ومكونات أخرى. توجد المكونات على لوحات دوائر مطبوعة بطبقتين - هذه تقنية تجميع شائعة. يتم خلط كل من المكونات المثبتة على السطح ومن النهاية إلى النهاية على السبورة. هذا يعني أنه تم تثبيت مكونات مثل المقاومات والمكثفات عن طريق ربط أرجلهم خلال الفتحات الموجودة في اللوحات. وتم تركيب أجهزة IC المثبتة على السطح في المنصات الموجودة على سطح اللوحة. هذا هو نهج أكثر تقدماً مما كان يستخدم في الإلكترونيات الاستهلاكية الأمريكية في عام 1984: لقد استخدموا ICs كبيرة من نهاية إلى نهاية هناك ، ولم يتحولوا إلى تصاعد السطح حتى نهاية 1980s. في الوقت نفسه ، استخدمت أجهزة الكمبيوتر الفضائية الجوية في الولايات المتحدة أجهزة ICs المثبتة على السطح منذ الستينيات.
مشاهدة مع إزالة الغطاءميزة واحدة مثيرة للاهتمام في الساعة هي أن الألواح متصلة بأسلاك منفصلة مجمعة في حزم (أتوقع أن يتم إدخال اللوحات في اللوحة الأم أو متصلة بواسطة الكابلات). تحتوي الألواح على صفوف من الاتصالات حول المحيط ، ويتم لحام الأسلاك بها. ثم تم تجميع الأسلاك في حزم ، ملفوفة بالبلاستيك وثابتة على لوحات.
في البداية ، اعتقدنا أن تفكيك الساعة دون لحام السلك لن ينجح ، لكننا أدركنا بعد ذلك أن أسلاك السلك موجودة في مكان بحيث يمكن نشر الألواح بطريقة كتاب. هذا سمح لنا بدراسة المجالس بشكل أكثر شمولاً. كان الإزعاج هو أن بعض أجزاء الألواح كانت ملحومة بأسلاك قصيرة ، لذا لم نتمكن من رؤية هذه الألواح على كلا الجانبين.
يمكنك معرفة مقدار IP الموجود في الساعة. في الأساس ، هذه عبارة عن دوائر متكاملة ذات غلاف معدني مسطح و 14 جهة اتصال ، والتي تميزها عن الشهادات المرحلية الأمريكية في ذلك الوقت ، والتي كانت قضيتها مصنوعة من الإيبوكسي الأسود. هناك أيضا 16 ICs في الحالات السيراميك الوردي.
مشاهدة التخطيط
كانت الخطوة التالية هي دراسة أكثر تفصيلاً للدائرة - لننظر إليها بدءًا من ظهر الساعة. موصل مع 19 جهات اتصال (قياسي للإلكترونيات العسكرية السوفيتية RS19TV - تمكنت من العثور على رفيق له على موقع ئي باي ، وسوف نستخدمه لبدء الساعة) توصيل الساعة بأجهزة السفينة. من خلال هذا الموصل ، تم تغذية الأدوات على مدار الساعة 24 فولت ، وكذلك جميع نبضات الساعة وإشارات التحكم اللازمة لساعة التوقيت. أعطت الساعة بعد فترة زمنية محددة الأمر للسفينة من خلال جهات اتصال الترحيل.
تتمتع اللوحتان الموجودتان في الجزء الخلفي من الساعة بالقدرة ، وقد أصبح الأمر أصعب مما كنت أتوقع. اللوحة الأولى هي مزود طاقة التحويل الذي يحول جهد 24 فولت للسفن إلى 5 فولت ، وهو ضروري لتشغيل IC. الاسطوانات الخزفية هي جميع أنواع المحاثات ، من لفائف بسيطة إلى معقدة من 16 دبوس. تحتوي دائرة التحكم على مضخمات تشغيلية في أسطوانات معدنية. تحتوي العلبتان الأخريان ، على غرار IC ، على أربعة ترانزستورات. يوجد بجانبهم ديود زينر أسطواني ، والذي ينظم جهد الخرج [
كما في الأصل ، على الرغم من أن أحد القراء يصر على أن "ديود زينر هو مصدر الجهد المرجعي ولا ينظم أي شيء بمفرده" / تقريبا. العابرة. ]. في الوسط تستطيع أن ترى ترانزستور طاقة دائري كبير. يمكن للمرء أن يتوقع العثور على محول تنحي بسيط هناك. ومع ذلك ، تم بناء مصدر الطاقة وفقًا لمخطط أكثر تعقيدًا ، مما يوفر عزلًا كهربائيًا للسفينة ومشاهدتها (
عزل كلفاني ). لا أعرف بالضبط سبب الحاجة إليها.
العديد من مكونات مزود الطاقة تختلف في المظهر من أمريكا. تتميز المقاومات الأمريكية عادة بخطوط ملونة ، لكن المقاومات السوفيتية عبارة عن أسطوانات خضراء ذات فئة مطبوعة عليها. الثنائيات السوفيتية هي حالات مستطيلة برتقالية ، وليست أسطوانية ، كما في الولايات المتحدة الأمريكية. ترانزستور الطاقة في المركز دائري ، وليس له حافة معدنية ، مثل الترانزستورات الأمريكية في حالات TO-3. لا أفترض أن أحكم على ما إذا كانت المكونات السوفيتية أفضل أو أسوأ من الحالة - من المثير للاهتمام دراسة كيفية اختلافها عن المكونات الأمريكية.
يستخدم مزود الطاقة الثنائيات A 1 في الحالات البرتقالية مستطيلة. نظام التشغيل يعني جودة عسكرية عالية.اللوحة الثانية هي أيضًا جزء من مزود الطاقة ، لكنها أبسط بكثير. إنه يحتوي على محاثات ترشيح ومكثفات ، بالإضافة إلى رقاقة تنظيم الجهد الخطي (الوردي) ، والتي تنتج 15 فولت لجهاز مكبر للصوت التشغيلي للوحة الأولى. تحتوي رقاقة منظم الجهد على حلقتين معدنيتين كبيرتين ملحومتين على اللوحة وتبددان الحرارة. من الغريب أن يكون للوحة ثلاثة ثقوب كبيرة على الجانب الأيمن. ربما تكون هناك حاجة إليها من أجل توفير مساحة للمكونات عالية الارتفاع على لوحة مجاورة - ولكن لا توجد مثل هذه المكونات هناك. على ما يبدو ، تم تطوير هذا المنتدى في الأصل لجهاز آخر.
اللوحة الثانية نصف فارغة ، ويبدو أن الجانب الأيمن يعمل مثل المبردتمتلئ لوحات المتبقية مع المرحلية المنطق الرقمي. تعتبر اللوحة 3 في الصورة أدناه واللوحة 5 المشابهة لها مسؤولة عن وظائف الوقت الحالي وصفارات الإنذار. يوجد على كل لوحة عدادات عشرية ثنائية لستة أرقام (ساعات ، دقائق ، ثواني). بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب كل عداد زيادة شريحة المنطق وإعادة رقاقة أخرى لإعادة تعيين ، اعتمادًا على ما إذا كانت الساعة تعمل في الوضع العادي أو تم تكوينه (وبالتالي هناك العديد من الرقائق). تتحكم الشريحة الوردي في اختيار الأرقام أثناء الإعداد.
مجلس 4 (أدناه) لديه وظيفتين. أولاً ، يتحكم في ما إذا كانت الساعة تعرض الوقت الحالي أو وقت التنبيه. كل رقم له شريحة منفصلة لهذا الغرض. ثانياً ، تعطي اللوحة إشارة للسفينة عندما يتزامن الوقت الحالي مع وقت الإخطار المحدد. يتم تطبيق ذلك باستخدام عدة شرائح تتحقق من جميع الأرقام بدورها ، مع تحديد ما إذا كان هناك تطابق. لذلك ، على الرغم من أن ميزات هذه اللوحة تبدو بسيطة ، إلا أنها تتطلب لوحة شرائح كاملة. تقوم جهات الاتصال في الجزء السفلي من اللوحة بتوصيل اللوحة من 4 إلى اللوحة 5. وهي تتصل باللوحة 3 من خلال أداة توصيل الأسلاك.
تحتوي بعض اللوحات على مكونات أكثر من مجرد المنطق الرقمي. على سبيل المثال ، توجد على السبورتين 6 و 7 محولات نبضية ، إشارات التحكم في العزل الكهربائي التي تدخل الساعة عبر موصل ذي 19 سنًا (في الدوائر الحديثة ، يلعب هذا الدور بواسطة
optocoupler ). هذه المحولات تشبه إلى حد ما الفطر أو أبراج المياه الصغيرة ، ويمكن رؤيتها في الصورة أدناه. تحتوي اللوحة السابعة أيضًا على كريستال كوارتز - مستطيل معدني في القاع (تدعي
تعليمات Soyuz أن دقة هذه الساعة تصل إلى 30 ثانية في اليوم ، وهي ليست جيدة جدًا - أعطت الساعات الإلكترونية الرخيصة من Timex في السبعينيات دقة تصل إلى 15 ثانية في الشهر ؛ تشير التعليمات إلى أنه يمكن مزامنة الساعة بواسطة نبضات خارجية).
على السبورة السابعة هناك بلورة 1 ميجا هرتز ، والتي تحدد تردد الساعة للساعةوظيفتان من لوحة 7 هي توليد نبضات على مدار الساعة وتنفيذ ساعة توقيت. البلورة الكوارتز تنتج نبضات 1 ميغاهيرتز. يتباطأ إلى نبضات مرة واحدة في الثانية باستخدام ستة عدادات عشرية ثنائية ؛ كل منهم يقسم التردد على 10. ثم يتم استخدام هذه النبضات من قبل بقية أنماط الساعة. حتى تعمل ساعة التوقيت ، يكون للوحة أربعة عدادات لأربعة أرقام. أيضا هناك منطق السيطرة لبدء ، وقف والتصفير ساعة توقيت. تسمح ثلاثة محولات نبضية للسفينة بالتحكم في ساعة التوقيت عند حدوث أحداث معينة.
تتحكم اللوحات 8 و 9 في شاشات LED. يتطلب كل رقم شريحة تشعل مقاطع محددة من شاشة عرض من 7 أجزاء بناءً على قيمة عشرية ثنائية. الرقائق التي تقوم بتحويل القيم العشرية الثنائية إلى 7 شرائح عبارة عن رقائق وردية ذات 16 سنًا. نظرًا لوجود 10 أرقام على الساعة ، يتم استخدام 10 شرائح تحكم. يوجد ثمانية منهم على اللوحة الثامنة ، وعلى اللوحة التاسعة هناك شريحتان ومقاومات مختلفة للحد من شاشات LED. تظهر مفاتيح ضبط الساعة في الصورة أدناه أيضًا.
وأخيرًا ، يوجد على اللوحة العاشرة عشر شاشات LED. يتكون كل رقم من شاشة مكونة من سبعة مقاطع ونقطة. أعتقد أن إحدى النقاط يجب أن تشير إلى شيء ما - سنكتشف ما هو بالضبط من خلال توفير الطاقة للساعة.
الدوائر السوفيتية المتكاملة
النظر كذلك على مدار الساعة IC. تحتوي الساعة بشكل أساسي على رقائق
منطق ترانزيستور-ترانزيستور (TTL) ، شائعة من السبعينيات إلى التسعينيات (إذا كنت منخرطًا في الإلكترونيات الرقمية كهواية ، فمن المحتمل أن تكون على دراية بشرائح TTL من
سلسلة 7400 ). كانت رقائق TTL سريعة ورخيصة وموثوقة. ومع ذلك ، فإن العيب الرئيسي هو عدم وجود وظائف. تحتوي أبسط شرائح TTL على عدد قليل من البوابات المنطقية ، مثل 4 NAND أو 6 محولات ، ويمكن أن تحتوي TTL أكثر تعقيدًا على شيء يشبه عداد 4 بت. ونتيجة لذلك ، أفسحت TTLs طريقة CMOS (الرقائق المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الحديثة) ، والتي تستخدم طاقة أقل بكثير وذات كثافة أعلى.
نظرًا لأن كل شريحة فردية في الساعة لم تفعل شيئًا فشيئًا ، تطلبت الساعة كثيرًا من اللوحات مع الرقائق لأداء وظائفها. على سبيل المثال ، يتطلب كل رقم من عقارب الساعة عدادًا ، فضلاً عن زوج من رقائق المنطق لزيادة أو إلغاء هذا الرقم حسب الضرورة ، بالإضافة إلى شريحة تتحكم في شاشة LED المكونة من 7 شرائح. بما أن الساعة تظهر 10 أرقام ، فإن هذا يعطينا بالفعل 40 رقاقة. تتعامل الرقائق الإضافية مع أزرار ومفاتيح الضغط ، وتطبق صفارات الإنذار ، وتراقب حالة ساعة التوقيت ، وتتحكم في مذبذب ، وما إلى ذلك ، وبذلك يصل إجمالي عدد الرقائق إلى 100.
ما أعجبني في الشهادات المرحلية السوفيتية هو أن ترقيم الرقائق
يخضع لنظام عقلاني ، على عكس ، الترقيم العشوائي إلى حد كبير
للرموز المرحلية الأمريكية (يمكن العثور على مزيد من المعلومات في الكتاب المرجعي "
الدوائر المتكاملة ونظائرها الخارجية "). تشير حرفين في رقم الجزء إلى وظيفة الشريحة - البوابة المنطقية ، العداد ، المشغل ، وحدة فك الترميز. على سبيل المثال ، تم وضع علامة على الدائرة الصغيرة أدناه كـ "34134 LB2A". الرقم التسلسلي 134 يشير إلى أنه شريحة TTL منخفضة الطاقة. يرمز الحرف "L" إلى الشريحة المنطقية ، بينما يشير الحرف "LB" إلى البوابات المنطقية NAND / NOR. تشير "2" إلى شريحة محددة من فئة "LB" (تشمل وظائف الشريحة 134LB2 صمامات NAND وعاكس مع 4 مدخلات ، ولا يحتوي على تناظرية أمريكية ؛ يتم استخدام "on" على شرائح صغيرة بدلاً من "L" حتى لا تخلط بينه وبين "P").
تقول الشعارات على IP أن لديهم شركات مختلفة. فيما يلي بعض الرقائق ، جنبًا إلى جنب مع اسم الشركة المصنعة وترجمة إلى اللغة الإنجليزية. يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول شعارات أشباه الموصلات السوفيتية
هنا وهنا .
مقارنة مع التكنولوجيا الأمريكية
كيف تبدو ساعة من Soyuz بالمقارنة مع التكنولوجيا الأمريكية؟ لأول مرة في النظر إليهم ، أود أن أقول أنهم صنعوا في عام 1969 ، وليس في عام 1984 - إذا نظرتم إلى أجهزتهم وعدد كبير من الرقائق البسيطة في حاويات مسطحة. أنتجت التكنولوجيا الأمريكية بحلول عام 1984 جهاز الكمبيوتر الشخصي IBM / AT و Apple Macintosh. يبدو من الغريب أن تستخدم الساعة عدة لوحات بها عدد كبير من رقائق TTL بعد عشر سنوات من بدء الولايات المتحدة في إنتاج ساعات معصم رقمية على شريحة واحدة. ومع ذلك ، اتضح أن مقارنة التكنولوجيا ليست بهذه البساطة.
لمقارنة ساعة سويوز بالإلكترونيات الفضائية الأمريكية الحديثة في الثمانينات ، أخذت لوحة من كمبيوتر مكوك الفضاء AP-101S. تُظهر الصورة أدناه مخططًا من ساعة Soyuz (يسار) وكمبيوتر Shuttle (يمين). على الرغم من أن الكمبيوتر Shuttle أكثر تقدماً من حيث التكنولوجيا ، إلا أن الفرق بينهما ليس كبيرًا كما كنت أتوقع. يعتمد كلا النظامين على رقائق TTL ، على الرغم من أن رقائق Shuttle تأتي من جيل أسرع. العديد من رقائق Shuttle هي أكثر تطوراً قليلاً ؛ انتبه إلى الرقائق التي تحتوي على 20 دبوسًا في الأعلى. الشريحة البيضاء الكبيرة أكثر تعقيدًا - إنها شريحة تصحيح أخطاء الذاكرة AMD Am2960. لوحة الدوائر Shuttle أكثر تطوراً ، فهي تحتوي على أكثر من طبقتين ، وهذا هو السبب في أن الرقاقات يمكن وضعها بنسبة 50٪ أكثر كثافة. في ذلك الوقت ، كان يعتقد أن الاتحاد السوفياتي كان 8-9 سنوات وراء الغرب في تكنولوجيا IP. هذا يتزامن مع ما ينظر إليه على أساس مقارنة بين لوحتين.
ومع ذلك ، ما أدهشني هو التشابه بين الكمبيوتر Shuttle وساعة Soyuz. كنت أتوقع أن يستخدم الكمبيوتر Shuttle المعالجات الدقيقة في الثمانينيات وسيكون الجيل بأكمله قبل ساعة Soyuz ، لكن اتضح أن كلا النظامين يستخدمان تقنية TTL ، وفي كثير من الحالات تتمتع الرقائق بنفس الوظيفة تقريبًا. على سبيل المثال ، يتم استخدام رقائق NAND التي تستخدم 4 صمامات NAND (انظر إلى اليسار للرقاقة 134Λ1A وعلى اليمين - 54F00).
استنتاج
لماذا إذن تستخدم ساعة Soyuz أكثر من 100 شريحة بدلاً من نظام أحادي الشريحة؟ كانت تكنولوجيا SS السوفيتية متأخرة 8 سنوات عن التكنولوجيا الأمريكية ، وكانت رقائق TTL في ذلك الوقت خيارًا ذكيًا ، حتى في الولايات المتحدة. نظرًا لأن رقائق TTL لا تتمتع بوظيفة شاملة ، حتى بالنسبة لتنفيذ أشياء بسيطة مثل الساعة ، فقد كان من الضروري استخدام العديد من اللوحات المليئة بالرقائق.
في المرة القادمة سنحاول تطبيق الطاقة على الساعة ونرى كيف تعمل. لقد درست هذا السؤال على وجه التحديد. أخطط لوصف بمزيد من التفاصيل حول تغذيتهم وأجزائهم الأخرى ، لكن الآن ، شاهد الفيديو الذي يفصله مارك عن الساعة.