Nous démontons l'horloge numérique du vaisseau spatial Soyouz

Horloge spatiale embarquée. Afficher l'heure, avoir un réveil ("sirène") et un chronomètre

Récemment, nous avons mis entre nos mains [ au Computer History Museum de Mountain View, en Californie ] une horloge volant dans l'espace avec la mission Soyouz (Space Flight Clock, ou BCH). La montre a été fabriquée en 1984 et contient plus de 100 circuits intégrés (CI) sur dix circuits imprimés. Pourquoi cette montre est-elle si compliquée? Dans cet article, je vais étudier le circuit d'horloge et expliquer pourquoi il a fallu autant de puces pour eux. En outre, la montre nous donne l'occasion de regarder de plus près l'électronique aérospatiale soviétique et de la comparer avec la technologie américaine.

Les vaisseaux spatiaux Soyouz ont été développés dans le cadre du programme spatial soviétique pendant la course lunaire. Le premier Soyouz a volé en 1966, et au total, au cours des 50 dernières années, plus de 140 vols ont été effectués dans le cadre du programme. Le vaisseau spatial (voir photo ci-dessous) se compose de trois parties. La section ronde sur la gauche est le module habité, où sont stockés le fret, l'équipement et les compartiments résidentiels. Au milieu se trouve le module de descente, et c'est tout ce qui revient sur Terre; les astronautes sont dans le module de descente lors du lancement et du retour. Dans le module de service à droite se trouve le moteur principal, les panneaux solaires et autres systèmes.


Soyouz TMA-7 s'écarte de l'ISS, 2006

Dans le module de descente se trouve le panneau de commande du vaisseau spatial (voir ci-dessous). L'horloge numérique est en haut à gauche. Les premiers navires du Soyouz utilisaient une horloge analogique, mais de 1996 à 2002, le navire avait déjà une horloge numérique. Une horloge numérique a également été utilisée à la station spatiale Mir. Depuis les derniers syndicats, l'horloge a disparu et deux écrans d'ordinateur ont été utilisés sur le panneau de commande.


Le panneau de contrôle de l'Union. Horloge numérique - en haut à gauche. L'écran au milieu est le téléviseur.

Détails de la montre

La montre avait trois fonctions: afficher l'heure, servir de réveil et chronomètre. En mode Horloge actuelle (FWT), l'horloge indique l'heure actuelle à Moscou à l'aide de six chiffres en haut à gauche, et l'OP indique l'heure de réglage de l'alarme. Un réveil (ou " sirène ", OP) peut être réglé pendant un certain temps; à ce moment, l'horloge active le relais, démarrant l'un des circuits externes du navire (des conclusions sur toutes les fonctions ont été faites jusqu'à présent par moi sur la base de l'ingénierie inverse. Lorsque nous allumons cette horloge, nous verrons où je me suis trompé). L'horloge est réglée en mode "Correction"; les chiffres augmentent en appuyant sur le bouton "Entrée". Le bas de la montre est un chronomètre. Quatre indicateurs LED indiquent les minutes et les secondes écoulées. Le bouton ci-dessous démarre, arrête ou réinitialise le chronomètre (à en juger par les instructions de la commande Soyouz, l'horloge mesure automatiquement le temps écoulé entre le démarrage du moteur et l'arrêt, ainsi que le temps pendant la descente pour entrer en contact avec la surface). L'interrupteur à bascule "On" comprend une horloge.



Bien sûr, nous voulions voir ce qu'il y avait à l'intérieur, alors Mark a dévissé le couvercle et l'a retiré. En dessous se trouvait un pack dense de cartes de circuits imprimés. La montre s'est révélée beaucoup plus compliquée que je ne le pensais - dix cartes de circuits imprimés étaient parsemées de circuits intégrés à montage en surface et d'autres composants. Les composants sont situés sur des cartes de circuits imprimés à deux couches - il s'agit d'une technologie d'assemblage courante. Les composants montés en surface et de bout en bout sont mélangés sur la carte. Cela signifie que les composants tels que les résistances et les condensateurs ont été montés en faisant passer leurs jambes à travers les trous dans les cartes. Et les CI montés en surface ont été soudés à des plates-formes situées à la surface de la carte. Il s'agit d'une approche plus avancée que celle utilisée dans l'électronique grand public américaine en 1984: ils y utilisaient de gros circuits intégrés de bout en bout et ne sont passés au montage en surface qu'à la fin des années 1980. Dans le même temps, les ordinateurs aérospatiaux américains utilisent des circuits intégrés montés en surface depuis les années 1960.


Montre avec couvercle retiré

Une caractéristique intéressante de la montre est que les cartes sont connectées par des fils séparés assemblés en faisceaux (je m'attendais à ce que les cartes soient insérées dans la carte mère ou connectées par des câbles). Les cartes ont des rangées de contacts autour du périmètre et les fils y sont soudés. Ensuite, les fils ont été assemblés en faisceaux, enveloppés de plastique et fixés sur des planches.



Au début, nous pensions que démonter davantage l'horloge sans souder le fil ne fonctionnerait pas, mais nous nous sommes ensuite rendu compte que les faisceaux de fils étaient situés de telle manière que les cartes pouvaient être déployées à la manière d'un livre. Cela nous a permis d'étudier les planches de manière plus approfondie. L'inconvénient était que certaines parties des cartes étaient soudées à l'avant par des fils courts, de sorte que nous ne pouvions pas voir ces cartes des deux côtés.



Vous pouvez voir la quantité d'IP dans la montre. Fondamentalement, ce sont des CI avec un boîtier métallique plat et 14 contacts, ce qui les distingue des CI américains de l'époque, dont le boîtier était en époxy noir. Il existe également des circuits intégrés à 16 broches dans des boîtiers en céramique rose.

Disposition de la montre

L'étape suivante a été une étude plus détaillée du circuit - regardons-le à partir de l'arrière de la montre. Un connecteur avec 19 contacts (standard pour l'électronique militaire soviétique RS19TV - j'ai réussi à trouver un compagnon pour cela sur eBay, et nous allons l'utiliser pour démarrer l'horloge) a connecté l'horloge aux appareils du navire. Grâce à ce connecteur, les instruments ont été alimentés à l'horloge 24 V, ainsi qu'à toutes les impulsions d'horloge et signaux de commande nécessaires pour le chronomètre. L'horloge, après une période de temps spécifiée, a donné l'ordre au navire via les contacts de relais.



Les deux planches à l'arrière de la montre sont sous tension, et cela s'est avéré plus difficile que ce à quoi je m'attendais. La première carte est une alimentation à découpage qui convertit la tension du navire de 24 V en 5 V, nécessaire au fonctionnement du CI. Les cylindres en céramique sont toutes sortes d'inductances, des simples bobines aux complexes 16 broches. Le circuit de commande contient deux amplificateurs opérationnels dans des cylindres métalliques. Les deux autres boîtiers, similaires au CI, contiennent quatre transistors. À côté d'eux se trouve une diode zener cylindrique, qui régule la tension de sortie [ comme dans l'original, bien qu'un des lecteurs insiste sur le fait que «la diode zener est une source de tension de référence et ne régule rien par elle-même» / env. perev. ]. Au centre, vous pouvez voir un grand transistor de puissance à impulsions rondes. On pourrait s'attendre à y trouver un simple transformateur abaisseur. Cependant, la source d'alimentation est construite selon un schéma plus complexe, assurant l'isolation électrique du navire et de la montre ( isolation galvanique ). Je ne sais pas exactement pourquoi c'était nécessaire.



De nombreux composants de l'alimentation diffèrent en apparence de l'américain. Les résistances américaines sont généralement marquées de rayures colorées, mais les résistances soviétiques sont des cylindres verts avec une dénomination imprimée dessus. Les diodes soviétiques sont des boîtiers rectangulaires orange, non cylindriques, comme aux USA. Le transistor de puissance au centre est rond, il n'a pas de bord métallique, comme les transistors américains dans les boîtiers TO-3. Je ne prétends pas juger si les composants soviétiques sont meilleurs ou pires que le cas - il est juste intéressant d'étudier en quoi ils diffèrent des composants américains.


L'alimentation utilise des diodes 1 A dans des boîtiers rectangulaires orange. OS signifie haute qualité militaire.

La deuxième carte fait également partie de l'alimentation, mais elle est beaucoup plus simple. Il dispose d'inductances et de condensateurs de filtrage, ainsi que d'une puce de régulateur de tension linéaire (rose), qui produit 15 V pour le circuit intégré de l'amplificateur opérationnel de la première carte. La puce du régulateur de tension a deux grandes boucles métalliques soudées à la carte et dissipant la chaleur. Il est étrange que la planche ait trois grands trous sur le côté droit. Ils sont probablement nécessaires pour libérer de l'espace pour les composants de haute hauteur sur une carte adjacente - mais il n'y a pas de tels composants là-bas. Apparemment, cette carte a été initialement développée pour un autre appareil.


La deuxième planche est à moitié vide et son côté droit fonctionne apparemment comme un radiateur

Les cartes restantes sont remplies de circuits intégrés logiques numériques. Le tableau 3 sur la photo ci-dessous et le tableau 5 similaire sont responsables des fonctions de l'heure actuelle et de la sirène. Sur chaque carte se trouvent des compteurs décimaux binaires à six chiffres (heures, minutes, secondes). De plus, chaque compteur nécessite une puce logique pour augmenter et une puce de plus pour se réinitialiser, selon que l'horloge fonctionne en mode normal ou est configurée (il y a donc tellement de puces). La puce rose contrôle la sélection des numéros lors de la configuration.



La carte 4 (ci-dessous) a deux fonctions. Tout d'abord, il contrôle si l'horloge affiche l'heure actuelle ou l'heure d'alerte. À cet effet, chaque chiffre possède une puce distincte. Deuxièmement, le tableau donne un signal au navire lorsque l'heure actuelle coïncide avec l'heure de notification spécifiée. Ceci est implémenté à l'aide de plusieurs puces qui vérifient tour à tour tous les nombres, déterminant s'il y a correspondance. Ainsi, bien que les caractéristiques de cette carte semblent simples, elles nécessitent une carte à puce complète. Les contacts en bas de la carte connectent la carte 4 à la carte 5. Elle se connecte à la carte 3 via un faisceau de câbles.



Certaines cartes ont plus de composants qu'une simple logique numérique. Par exemple, sur les cartes 6 et 7, il y a des transformateurs d'impulsions, des signaux de commande isolants électriques qui entrent dans l'horloge via un connecteur à 19 broches (dans les circuits modernes, ce rôle est joué par l' optocoupleur ). Ces transformateurs sont un peu comme des champignons ou de petits châteaux d'eau, et peuvent être vus sur la photo ci-dessous. La 7ème carte a également un cristal de quartz - un rectangle métallique en bas (l' instruction pour Soyouz affirme que la précision de cette montre est jusqu'à 30 secondes par jour, ce qui n'est pas très bon - les montres électroniques bon marché de Timex des années 1970 ont donné une précision jusqu'à 15 secondes par mois; les instructions indiquent que l'horloge peut être synchronisée par des impulsions externes).


Sur la 7ème carte, il y a un cristal de 1 MHz, qui règle la fréquence d'horloge de l'horloge

La 7ème carte a deux fonctions: la génération d'impulsions d'horloge et la mise en place d'un chronomètre. Un cristal de quartz produit des impulsions de 1 MHz. Ils ralentissent en impulsions une fois par seconde en utilisant six compteurs décimaux binaires; chacun d'eux divise la fréquence par 10. Ensuite, ces impulsions sont utilisées par le reste des modèles d'horloge. Pour que le chronomètre fonctionne, la carte a quatre compteurs pour quatre chiffres. Il existe également une logique de contrôle pour démarrer, arrêter et remettre à zéro le chronomètre. Trois transformateurs d'impulsions permettent au navire de contrôler le chronomètre lorsque certains événements se produisent.



Les cartes 8 et 9 contrôlent les écrans LED. Chaque chiffre nécessite une puce qui allume des segments spécifiques d'un affichage à 7 segments en fonction d'une valeur décimale binaire. Les puces qui convertissent les valeurs décimales binaires en 7 segments sont des puces roses à 16 broches. Puisqu'il y a 10 chiffres sur la montre, 10 puces de contrôle sont utilisées. Huit d'entre eux sont situés sur la 8ème carte, et sur la 9ème carte, il y a deux puces et diverses résistances de limitation de courant pour les écrans LED. Les commutateurs de réglage de l'horloge sont également visibles sur la photo ci-dessous.



Et enfin, sur la 10e carte, il y a dix écrans LED. Chaque chiffre se compose d'un affichage avec sept segments et un point. Je pense que l'un des points devrait indiquer quelque chose - nous saurons quoi exactement en alimentant la montre.

Circuits intégrés soviétiques

Considérez en outre l'horloge IC. L'horloge contient principalement des puces à logique transistor-transistor (TTL), populaires des années 1970 aux années 1990 (si vous étiez impliqué dans l'électronique numérique en tant que passe-temps, vous connaissez probablement les puces TTL de la série 7400 ). Les puces TTL étaient rapides, bon marché et fiables. Cependant, leur principal inconvénient était un manque de fonctionnalité. La puce TTL la plus simple n'a que quelques portes logiques, telles que 4 NAND ou 6 onduleurs, et une TTL plus complexe pourrait contenir quelque chose comme un compteur 4 bits. En conséquence, les TTL ont cédé la place aux CMOS (les puces utilisées dans les ordinateurs modernes), qui utilisent beaucoup moins d'énergie et ont une densité plus élevée.

Étant donné que chaque puce individuelle de la montre ne faisait pas grand-chose, la montre nécessitait beaucoup de cartes avec des puces pour remplir leurs fonctions. Par exemple, chaque chiffre de l'horloge nécessite un compteur, ainsi qu'une paire de puces logiques pour augmenter ou effacer ce chiffre si nécessaire, ainsi qu'une puce qui contrôle l'affichage LED à 7 segments correspondant. Étant donné que l'horloge affiche 10 chiffres, cela nous donne déjà 40 jetons. Des puces supplémentaires gèrent les boutons et les interrupteurs, mettent en œuvre une sirène, surveillent l'état d'un chronomètre, contrôlent un oscillateur, etc., ce qui porte le nombre total de puces à 100.

Ce que j'ai aimé des circuits intégrés soviétiques, c'est que la numérotation des puces est soumise à un système rationnel , contrairement à la numérotation aléatoire des circuits intégrés américains (plus d'informations peuvent être trouvées dans le livre de référence " Circuits intégrés et leurs analogues étrangers "). Deux lettres dans le numéro de pièce indiquent la fonction de la puce - porte logique, compteur, déclencheur, décodeur. Par exemple, le microcircuit ci-dessous est marqué "Δ134 LB2A". Le numéro de série 134 indique qu'il s'agit d'une puce TTL de faible puissance. La lettre «L» représente la puce logique et «LB» représente les portes logiques NAND / NOR. "2" indique une puce spécifique de la catégorie "LB" (la fonctionnalité de la puce 134LB2 comprend des vannes NAND et un onduleur à 4 entrées, et elle n'a pas d'analogue américain; "Δ" est utilisé sur les petites puces au lieu de "L" afin de ne pas le confondre avec "P").



Les logos sur IP indiquent qu'ils avaient différents fabricants. Vous trouverez ci-dessous quelques puces, ainsi que le nom du fabricant et une traduction en anglais. Plus d'informations sur les logos des semi-conducteurs soviétiques peuvent être trouvées ici et ici .

Comparaison avec la technologie américaine

À quoi ressemble une montre Soyouz par rapport à la technologie américaine? Pour la première fois en les regardant, je dirais qu'ils ont été fabriqués en 1969, et non en 1984 - si vous regardez leur appareil et un grand nombre de puces simples dans des boîtiers plats. En 1984, la technologie américaine a produit IBM PC / AT et Apple Macintosh. Il semble absurde qu'une montre utilise plusieurs cartes avec un grand nombre de puces TTL dix ans après que les États-Unis ont commencé à produire des montres-bracelets numériques sur une seule puce. Cependant, il s'est avéré que comparer la technologie n'est pas si simple.

Pour comparer l'horloge Soyouz à l'électronique spatiale américaine moderne des années 1980, j'ai pris une carte de l'ordinateur de la navette spatiale AP-101S. La photo ci-dessous montre un schéma de l'horloge Soyouz (à gauche) et de l'ordinateur Shuttle (à droite). Bien que l'ordinateur Shuttle soit plus avancé en termes de technologie, la différence entre eux n'est pas aussi grande que je m'y attendais. Les deux systèmes sont basés sur des puces TTL, bien que les puces Shuttle soient d'une génération plus rapide. Beaucoup de puces du Shuttle sont un peu plus sophistiquées; Faites attention aux puces avec 20 broches en haut. La grande puce blanche est beaucoup plus complexe - c'est la puce de correction d'erreur de mémoire AMD Am2960. La carte de circuit Shuttle est plus avancée, elle a plus de deux couches, c'est pourquoi les puces peuvent être placées 50% plus denses. À cette époque, on pensait que l'URSS avait 8 à 9 ans de retard sur l'Occident en matière de technologie IP; cela coïncide avec ce qui est vu sur la base d'une comparaison de deux planches.



Cependant, ce qui m'a surpris, c'est la similitude entre l'ordinateur Shuttle et l'horloge Soyouz. Je m'attendais à ce que l'ordinateur Shuttle utilise des microprocesseurs des années 1980 et il aura une génération entière d'avance sur l'horloge Soyouz, mais il s'est avéré que les deux systèmes utilisent la technologie TTL, et dans de nombreux cas, les puces ont presque la même fonctionnalité. Par exemple, sur les deux cartes, des puces qui implémentent 4 vannes NAND sont utilisées (regardez à gauche pour la puce 134Λ1A et à droite - 54F00).

Conclusion

Pourquoi, alors, la montre Soyouz utilise-t-elle plus de 100 puces au lieu d'un système à puce unique? La technologie SS soviétique avait 8 ans de retard sur la technologie américaine, et les puces TTL semblaient alors un choix intelligent, même aux États-Unis. Étant donné que les puces TTL n'ont pas de fonctionnalités étendues, même pour la mise en œuvre de choses aussi simples qu'une horloge, il était nécessaire d'utiliser plusieurs cartes remplies de puces.

La prochaine fois, nous essaierons d'appliquer de la puissance à la montre et de voir comment cela fonctionne. J'ai étudié cette question spécifiquement. J'ai l'intention de décrire plus en détail leur nutrition et leurs autres parties, mais pour l'instant, regardez la vidéo dans laquelle Mark démonte l'horloge.