Компьютер скруткой — это очень просто
Наигравшись вдоволь с построением компьютеров из моего детства в самых разных вариантах, с использованием как тогдашних, так и современных технологий, я решил, что пришло время переключиться на что-то более существенное. Первым шагом, дабы потом было поменьше соблазнов построить еще что-нибудь, героически взялся за расчистку рабочего места с целью дарения накопившегося добра каким-нибудь юным техникам. Однако, как это часто бывает, даже сам процесс разбора завалов оказался довольно увлекательным — нашлось много интересных штучек, о которых я уже и забыл (или вообще не помнил). В частности, обнаружилось, что у меня намного больше инструментов и расходников для монтажа накруткой (wire wrapping), чем я думал.
Хотя в свое время я потратил целых пять минут на опробование данной технологии, но у меня что-то не пошло (кривизна рук оказалась больше допустимого), и все было отодвинуто в дальний ящик. Мне крайне не нравится сдаваться в любых делах — всегда пытаюсь доводить все если не до полного завершения, то до осознания, что точно могу сделать, если уж действительно захочу. Поэтому решил осчастливить юных техников попозже, а перед этим все-таки собрать какую-нибудь штуковину, используя монтаж накруткой.
Долго насчет штуковины для сборки не думал — оставался еще один древний компьютер, до которого ни в детстве, ни сейчас руки так и не дошли. Это был «Специалист», разработанный в 1985 году и опубликованный в журнале «Моделист-Конструктор» в 1987. Так как про этот компьютер (впрочем, как об остальных подобных) есть масса информации, я не буду вдаваться в его особенности, остановлюсь просто на технологии монтажа накруткой и своих впечатлениях о ней.
Замечание — в статье рассказывается о практически мертвой технологии, нет никаких полезных или интересных know how и тому подобных вещей, полностью отсутствуют великие откровения, поэтому ее стоит читать только при отсутствии у вас в данный момент более полезного/интересного занятия, либо же ярым любителям компьютерной некрофилии.
Итак, за основу была взята модификация «Специалист-М», отличающаяся от оригинального компьютера, в основном, использованием микросхем памяти 565РУ5 (8 шт по 64Кбит) вместо 565РУ3 (24 шт по 16 КБит), и опубликованная в «М-К» в 1991 году. Собственных изменений практически не вносил — использовал валявшийся под рукой готовый кварцевый генератор вместо отдельного кварца и генератора на ЛН1, да и взял современную EEPROM вместо РФ2. Даже детали на плате разместил так, как они были размещены на оригинальной печатной плате из журнала.
Ну ладно, перейдем, собственно, к самому монтажу и инструментам/расходникам для него. Общий смысл заключается в том, что на специальные контактные штырьки четырехугольного сечения (с довольно острыми углами) с помощью не менее специального инструмента накручивается одножильный провод, делается в районе 6-8 витков (или что-то типа того). При накрутке углы контактных штырьков врезаются в провод, и получается чуть ли не холодная сварка. При этом рассказывается, что такое соединение надежнее пайки, и ремонтировать его тоже проще.
Примечание — я не смог найти внятного объяснения практических нюансов данной технологии, поэтому постоянно изобретал велосипеды. Думаю, в ряде случаев (если не в большинстве) это были велосипеды с треугольными колесами и рулем под задницей, поэтому не нужно воспринимать мои изыскания как образец правильного подхода к процессу!
Итак, первая проблема возникает с тем, что соединять можно только эти самые специальные штырьки. В случае с микросхемами все относительно просто — берутся специальные (опять специальные !) панели для монтажа накруткой, у которых ножки уже сделаны в нужном виде:
И тут сразу же проявляется первый нюанс — стоимость. Эти панели довольно дорогие — несколько долларов штука. Учитывая стоимость использованных древних микросхем, могу сказать, что каждая панель в проекте стоила заметно дороже, чем стоявшая в ней микросхема. А за общую стоимость панелей можно было заказать не в самом дешевом месте изготовление пары экземпляров печатной платы (естественно, если она уже разработана и файлы готовы к производству).
С деталями типа резисторов/конденсаторов вообще засада. Если честно, я так и не понял, что с ними лучше делать. В некоторых случаях резисторы удавалось накручивать на штырьки, хотя диаметр выводов был на грани того, что мог проглотить инструмент. С другими деталями такой фокус вообще не проходил — слишком толстые выводы.
Вообще для этого существуют отдельные штырьки двух типов — либо в которые можно вставлять выводы (фактически, просто отдельные штырьки от панелей для микросхем), либо штырьки, к которым детали нужно припаивать. Хотя это уменьшает чистоту эксперимента, я выбрал штырьки, к которым можно припаивать, по двум причинам — во первых, можно сделать надежный контакт независимо от диаметра/типа вывода, и, во вторых, у меня все равно был только этот тип штырьков.
К сожалению, в свое время я забыл заказать еще и инструмент для монтажа штырьков в плату, о чем в процессе сильно пожалел. Использовать плоскогубцы, в принципе, можно, но это становится проблематичным в том случае, если штырек нужно вставить в место на плате, где вокруг уже много монтажа. В этом случае создать опору для платы в этом месте крайне сложно, а давить приходится со всей силы. В какой-то момент я практически проткнул ладонь насквозь, после чего постарался свести количество штырьков к абсолютному минимуму. А вот специальный инструмент, по идее, вгоняет штырек в плату ударом (есть электрические приспособления, а есть и механические — с пружиной), поэтому вроде плату можно держать на весу. Но точно не знаю — не пробовал.
Кстати, с самой платой я тоже промахнулся. Она у меня была вообще без металлизации, просто дырочки. Сейчас я понимаю, что наличие шин питания на плате мне здорово сэкономило бы время и силы, но тогда казалось логичным, что все нужно делать накруткой.
Еще одна вещь, которой мне недоставало — этикетки для маркировки выводов микросхем.
Вообще я хотел их заказать, но в тот момент их не было в наличии у поставщика. Думаю, использование этих штучек могло бы сэкономить процентов 10 — 20 времени на монтаж, да тех нескольких ошибок, которые я допустил в процессе, могло бы не быть. Я даже собирался напечатать этикетки на бумаге, но не придумал, как аккуратно пробить дырочки, а попытка проколоть бумагу непосредственно выводами выглядела просто ужасно.
Основной рабочей частью инструментов для намотки является штырь, в котором имеются два продольных отверстия. Одно большего диаметра — в центре штыря, туда вставляется контактный штырек, на который планируется накручивать монтажный провод. Второе отверстие потоньше и, естественно, смещено к самому краю, в него вставляется зачищенный конец монтажного провода. При вращении инструмента вокруг продольной оси (и, собственно говоря, вокруг контактного штырька) провод наматывается вокруг этого самого штырька.
Есть два варианта намотки — стандартный и модифицированный. В стандартном варианте вокруг штырька наматывается только зачищенная часть провода (ну, может четверть оборота с изоляцией). При модифицированном варианте первые пару витков получаются с изоляцией, потом уже идет зачищенный провод. Модифицированный метод будет понадежнее (так как потенциально могущее изгибаться в процессе дальнейшего монтажа и эксплуатации место провода защищено изоляцией, а не находится как раз в том месте, где изоляция заканчивается), но занимает больше места на штырьке.
У меня есть два почти идентичных полностью ручных инструмента, один из которых для стандартной накрутки, а второй — для модифицированной:
Вращать эти инструменты нужно просто пальцами. Третий инструмент (для модифицированной накрутки) был полуавтоматическим — накрутка происходила при нажатии на рукоятку, практически одним движением. Сначала я решил использовать именно этот инструмент, но процент брака был неприемлем. Я просто не мог контролировать положение и силу нажатия рабочей части, особенно если это была уже не первая накрутка на штырьке. Думаю, есть какая-то тонкость в использовании такого инструмента, но я ее так и не понял, поэтому решил все делать ручным инструментом.
Кстати, ручные инструменты, несмотря на свою простоту, довольно универсальны. Помимо накрутки, ими можно еще и зачищать провод (зачищалка находится посредине), а также, при необходимости, разматывать сделанную накрутку. Для этого инструмент надевается коротким концом на контактный штырек и вращается в сторону, противоположную направлению накрутки.
Почему-то выбрал стандартную накрутку, хотя сейчас, не задумываясь, стал бы использовать модифицированную. Проблема в том, что при зачистке провода практически неизбежно в месте прореза изоляции слегка повреждается сам проводник. А при стандартном методе это место еще и является как раз точкой приложения силы при любом движении провода, т.е. вероятность излома провода здесь довольно высока.
Еще у меня обнаружился инструмент для очистки/обрезки провода, но им я, после небольшого опробования, решил не пользоваться. Возможно, в каких-то случаях он был бы лучше встроенного в инструмент для накрутки, но разбираться в тонкостях мне было лень, встроенная зачищалка меня устроила, а обрезать было удобнее кусачками.
Кстати, о проводе. Он так и называется — провод для монтажа накруткой, одножильный, довольно мягкий, продается в разных цветах. Каждый инструмент рассчитан на провод строго определенного диаметра, у меня все было AWG 30 — около 0.26 мм в диаметре. Кстати, провод, хотя для монтажа накруткой, паяется обалденно. Жаль, я этого не знал раньше, мог бы использовать на моих предыдущих проектах вместо МГТФ. Правда, изоляция, в отличие от МГТФ, плавится очень легко.
Перед сном началом монтажа нужно было решить, каким образом прокладывать провода — в жгуты, или же по кратчайшему расстоянию. Жгуты, естественно, выглядят аккуратнее, и именно их я использовал в предыдущих проектах. Однако на многочисленных фото монтажа накруткой я видел, что очень часто тут используется «метод кратчайшего расстояния» — смотрится тоже неплохо. Кроме того, при таком монтаже вроде меньше взаимные наводки — но это меня не очень волновало, в подобных проектах это практически никогда не является проблемой. В результате, для разнообразия, решил попробовать монтаж «по кратчайшему»…
Еще возникла небольшая проблема с наличием отсутствия панелек некоторых размеров. К сожалению, пришлось кусачками ломать имеющиеся панельки, чтобы получить требуемое, так что внешний вид конструкции от этого слегка пострадал.
Непосредственно монтаж, как обычно, начал с цепей питания. На глаз прикинул потребляемую мощность и решил, что сечения AWG 30 должно хватить, особенно если разбить схему на несколько участков и на каждый из участков подавать питание независимо. Как раз при разводке цепей питания и отработал технологию в первом приближении. Сразу же оказалось, что добиться красивых, идеально ровных проводов крайне сложно. В принципе, через некоторое время я придумал способ, но временные затраты на него были высоки, поэтому я смирился с тем, что красоты не получится.
За время работы с цепями питания немного набил руку, и далее работа пошла шустрее. Вообще, конечно, получалось быстрее, чем пайкой. В цифрах выразить сложно, но, думаю, 20 — 40 % времени можно сэкономить. Да еще процесс намного экологичнее — никаких испарений и всех сопутствующих им эффектах.
Однако я совершенно не понимаю, почему одним из преимуществ накрутки является простота ремонта (по крайней мере, так говорят). Наоборот, в одном месте я ошибся, и мне понадобилось перенести провод с одного монтажного штырька на другой. Проблема заключалась в том, что «неправильный» провод был в самом низу штырька, а над им уже были накручены еще два провода, которые также пришлось демонтировать. В варианте с пайкой они были бы припаяны обратно, и все, а тут их пришлось менять — обратно «раскрученный» конец уже не накрутить. Но те провода с другого конца тоже были внизу штырьков! Началась цепная реакция, которая закончилась перемонтажом почти десятка проводов. Возможно, есть чудесный способ избегать таких ситуаций, но я его не знаю…
Чем больше я монтировал проводов между штырьками микросхем, тем легче все двигалось, и тем больше мне не нравилась необходимость, в конце концов, начать монтаж компонентов, не предназначенных для монтажа накруткой — блокировочных конденсаторов, некоторого количества резисторов/конденсаторов/диодов и разъемов.
Сначала я думал паять блокировочные конденсаторы на специальные штырьки (о которых упоминал ранее), а уже эти штырьки соединять накруткой со штырьками панелек микросхем. Однако это электрически неправильно (блокировочные конденсаторы должны быть максимально близко к выводам питания микросхем), а загруженность соответствующих штырьков на панельках (на большинстве из них уже не оставалось места для дополнительных накруток) окончательно сделала выбор в пользу пайки конденсаторов непосредственно на штырьки панелек микросхем. Оказалось, что штырьки, как и провод, паяются прекрасно, поэтому установка конденсаторов не заняла много времени. Часть выводов резисторов удалось накрутить, для остального были установлены (как уже говорил, с риском серьезных травм рук) одиночные штырьки. Был бы инструмент для штырьков — провозился бы намного меньше.
Помимо рассыпных деталей, была проложена более толстым проводом шина питания, из которой питание раздается на отдельные куски схемы.
Кстати, всего на монтаж ушло около 40 м провода.
После этого, наконец, наступил волнующий момент первого включения.
Для начала, без микросхем в панелях убедился, что в нужных местах присутствует земля и соответствующее питание, после чего вставил все «мелкие» микросхемы и попробовал с уже с ними. К некоторому удивлению, видеосигнал с правильной синхронизацией появился сразу же. Однако попытка получить какую-то картинку выявила, что я забыл смонтировать 8 проводов к сдвигающему регистру. После монтажа недостающего видеочасть вроде бы заработала (насколько можно было проверить без работающего процессора/памяти). Правда, стало понятно, что мультиплексоры серии 1554 (что-то типа 555 серии в момент закупки всех запчастей в магазине не было) ну никак не хотят работать с обычной TTL логикой, поэтому пришлось срочно разыскивать все-таки микросхемы серии 555. После их установки в видеоузле все, наконец, стало на свои места.
Следующей проблемой оказался неправильный сигнал синхронизации процессора. Такое впечатление, что времянки более новой серии микросхемы (по сравнению с примененной в оригинальной схеме) не подходили к методу, которым автор формировал этот сигнал (если честно, и не удивительно — желающие могут внимательно посмотреть на способ формирования F2). Впрочем, замена микросхемы на более ископаемую проблему решила, а большего мне и не нужно было. Однако эти разборки помогли выявить еще один момент — в журнальной схеме были перепутаны местами F1 и F2! Пришлось менять местами два провода, при этом снова столкнулся с тем, что демонтаж одного провода может потянуть за собой цепную реакцию.
Наконец, пришло время вставить в панельки процессор, память и порт ввода-вывода.
Особых иллюзий насчет работоспособности устройства в полном объеме я не питал, поэтому вместо управляющего монитора сразу поставил ПЗУ с тестовой программой. Данная программа не использует ОЗУ для своих внутренних целей, поэтому шансы на хоть какую-то работу процессора повышаются — между процессором и ПЗУ намного меньше узлов, чем на пути от процессора к ОЗУ. Тем не менее, как уже довольно часто у меня происходило с предыдущими проектами, устройство заработало вдруг и сразу:
Мало того, тест даже показал полную работоспособность даже ОЗУ, что не может не удивлять. Микросхемы 565РУ5 никогда не отличались особой надежностью, и даже при использовании новых микросхем обычным делом была выбраковка значительного процента корпусов, а тут изделия 25-летней давности, с которыми, к тому же, обращались не очень аккуратно, заработали вообще без вопросов.
После этого поставил штатное ПЗУ с монитором и получил картинку, которую ранее видел только в журнале:
Никаких особых сюрпризов для себя по ходу процесса не обнаружил, относительно технологии накрутки остался при мнении, что раньше это действительно могло быть удобным как для макетирования, так и для изготовления единичных экземпляров устройств. Сейчас же, в первую очередь, современная элементная база (для поверхностного монтажа) просто искореняет саму идею накрутки на корню. Для относительно небольших поделок/экспериментов с «крупными» деталями вполне сойдут беспаечные макетные платы (которые, к тому же, не требуют весьма дорогих панелек), а для остального вполне легко, быстро и за разумные деньги можно изготовить печатную плату — хоть дома ЛУТом, хоть заказом на производстве.
