Untitled Document

Журнал «Радио» №2,3, 1985 г., раздел "Горизонты науки и техники"

Сегодня и завтра электронных часов

В журнале «Радио» № 4 за 1974 г. опубликована статья «Необыкновенные превращения обыкновенных часов» — о первых отечественных кварцевых наручных часах с цифровой индикацией (далее — электронные наручные часы). За десять лет, прошедших с тех пор, это изделие электронной техники прошло интенсивный путь развития и стало неотъемлемой принадлежностью нашего быта. По имеющимся оценкам [1] из 363 млн. электронных наручных часов (ЭНЧ), выпущенных в мире в 1982 г., 180 млн. — цифровые. Годовой объем производства таких часов в СССР достиг 4 млн. штук и продолжает расти.

На начальной стадии электронные часы индицировали только часы, минуты и секунды. Их последующее развитие неуклонно шло по пути наращивания функциональных возможностей, и сегодня самые простые из них, кроме времени, дают информацию и о дате. Обычным становится наличие в часах секундомера, программируемой звуковой сигнализации. Сложные  же модели ЭНЧ содержат различные встроенные устройства, например калькулятор [2]. Причем характерно не простое объединение различных приборов с часами в одном корпусе, а наличие взаимодействия между ними, например, между временными и вычислительными функциями (в часах с калькулятором), что позволяет добиться совершенно новых возможностей. По существу, сложные модели ЭНЧ представляют собой наручный прибор, осуществляющий измерение, накопление, обработку и вывод различной информации.

Прогресс в области электронных наручных часов — результат разработки и освоения в серийном производстве комплектующих изделий электронной техники новый поколений, применения новых материалов н конструктивных решений, новый технологических процессов сборки. От больших интегральных микросхем (БИС) с уровнем интеграции 2000 транзисторов до сверхбольших (СБИС) с микропроцессорной структурой и уровнем интеграции до 50000 транзисторов; от жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) с параллельным управлением до 80 знаков к ЖКИ с мультиплексным управлением до 1000 знаков, от брусковых кварцев их резонаторов объемом 279 мм3 к камертонным объемом 9 мм3, от серебряно-цинковых химических источников тока (ХИТ) сроком сохраняемости 2 года к марганцево-литиевым ХИТ сроком сохраняемости 5 лет — таков путь развития элементной базы электронных часов.

Уровень интеграции электронных элементов ЭНЧ хорошо иллюстрируется функциональной схемой одной из новых осваиваемых в серийном производстве моделей часов «Электроника 5 29366» (рис. 1), содержащей СБИС, ЖКИ, ХИТ, кварцевый резонатор и два конденсатора постоянной емкости. Характерно, что в схеме отсутствует подстроечный конденсатор. Его роль выполняет цифровая схема подстройки, подобная изложенной в [3]. Такой уровень интеграции элементов достигнут в результате применения прогрессивных системо- и схемотехнических решений, новых технологических процессов изготовления СБИС.

Рассмотрим эволюцию структуры серийных БИС и СБИС, наиболее ярко характеризующую этапы совершенствования ЭНЧ.

От БИС с жесткой структурой к перепрограммируемымы

Разработка современных поколений часовых БИС и СБИС обеспечила быстрый переход ЭНЧ в категорию массовой продукции с расширенными функциональными возможностями. При этом основные усилия разработчиков БИС и СБИС направлены, во-первых, на обеспечение их высокоэкономичного производства, т. е. высокого процента выхода годных микросхем; во-вторых, на расширение их функциональных возможностей при минимальных затратах; в-третьих, на сокращение сроков освоения новых модификаций схем в серийном производстве. Естественно, при этом остается неизменным условие снижения их энергопотребления.

Решение  каждой  из  перечисленных задач  накладывало  свой  отпечаток  на структуру БИС и СБИС, т.е. на способ обработки временной информации. Одним из первых цифровым способов обработки временной информации стал широко описанный в литературе последовательный метод. Суть его состоит в том, что сигналы задающего генератора обрабатываются в последовательно соединенных пересчетных схемах.

Проследим процесс счета времени на примере работы БИС ЭНЧ «Электроника 5 206» (рис. 2). Сигналы задающего генератора поступают на делитель частоты, на выходе которого формируются импульсы с периодом, равным 1 с. Секундные импульсы поступают на вход счетчика секунд с коэффициентом пересчета 60. После заполнения счетчика секунд осуществляется перенос единицы в счетчик минут, а счетчик секунд обнуляется. Таким образом, обработка временной информации осуществляется последовательно делением частоты напряжения задающего генератора.

Очевидно, при этом число счетчиков пропорционально числу реализуемых единичных функций. С их ростом растет также и площадь под межсоединения из-за цепей начальной установки и обратной связи. Для данного метода существует вполне определенное оптимальное соотношение функциональной сложности микросхемы и площади кристалла. Анализ показывает, что способ последовательной обработки эффективен при реализации не более шести единичных функций времени.

Некоторое упрощение и уменьшение площади кристалла достигается при оптимизации отдельных узлов, например, если вместо множества дешифраторов использовать всего один, но в сочетании с устройствами коммутации [4].

При реализации в составе БИС дополнительных функций (секундомера, программируемой звуковой сигнализации) более эффективное использование площади кристалле достигается при последовательно-параллельном способе обработки. При этом БИС содержит такие блоки, как оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Временная информация, хранящаяся в регистрах ОЗУ (часы, минусы, секунды и т.д.) считывается в АЛУ, которое осуществляет операцию «+1», далее результат сложения сравнивается с заданной константой из ПЗУ, после чего засылается в тот же регистр. Все регистры ОЗУ обрабатываются последовательно, а хранящаяся информация е АЛУ — параллельно.

Способ последовательно-параллельной обработки информации использован в БИС ЭНЧ «Электроника 5 207» и «Электроника 5 209», структурная схема которой приведена на рис. 3 [5].

Блок ПЗУ включает собственно ПЗУ констант (9, 59, 23, 28, 30, 31 и т. д.) и схему детектирования, оценивающую результат сложения и определяющую необходимость переноса единицы в старший разряд.

Блок АЛУ объединяет сумматор, устройства начальной установки, записи — считывания и буферный регистр результатов операции. Период обработки информации задается блоком синхронизации и разбивается на ряд циклов, в течение которых обрабатывается информация каждого регистра. Число циклов соответствует числу регистров, хранящих единичную информацию — часы, минуты, секунды и т.д.

В начале каждого периода RS-триггер переноса устанавливается в «1», при этом осуществляется цикл обработки информации определенного регистра, адрес которого формируется генератором опроса. А именно, происходит считывание содержимого регистра ОЗУ в сумматор, прибавление к содержимому единицы, сравнение результата сложения в ПЗУ с константой данного регистра, запись результата в буферный и переписывание в исходный. Информация из буферного регистра через дешифратор, регистры вывода, формирователь сигналов поступает на жидкокристаллический индикатор. Далее следуют циклы обработки других регистров.

Рассмотрим, что происходит при различных соотношениях величин результатов сложения и констант ПЗУ. Если результат сложения меньше константы ПЗУ, то триггер переноса устанавливается в «0» и блокирует возврат блока установки в исходное состояние. При этом в каждом последующем цикле обработки информация регистров ОЗУ остается неизменной.

Если результат сложения равен константе ПЗУ, то срабатывает блок детектирования, на выходе которого появляется сигнал, запрещающий установку в «0» триггера переноса. В результате на выходе блока установки появляется исходная информация (например «00») которая через буферный регистр и устройство «записи-считывания» переписывается в обрабатываемый регистр ОЗУ, а в последующем цикле обработки содержимое очередного по старшинству регистра ОЗУ увеличивается на единицу.

По сравнению с последовательным способом обработки информации последовательно-параллельный способ позволяет при сравнимых площадях увеличить объем функциональных возможностей за счет переноса в ОЗУ и ПЗУ коэффициентов пересчета и начальной установки, регулярности структуры ОЗУ и ПЗУ, использования шин обмена информаций вместо развитых межсоединений счетчиков. Площади БИС, например, «Электроники 5-206» и «Электроники 5-209» соизмеримы, но первые реализуют функции часов и календаря, а вторые — часов, календаря, программируемой звуковой сигнализации и секундомера.
Описанные структуры БИС являются жесткими, так как функциональные возможности, алгоритм управления, число выводов управления ЖКИ задаются с помощью аппаратной логики. Это означает, что при изменении любого из этих трех переменных требуется разработка и освоение в серийном производстве новой БИС.

Поскольку процесс разработки и освоения новых модификаций БИС достаточно длителен, то, естественно, возникла идея создания БИС с гибкой структурой. Тем более, что основная тенденция развитии логических БИС не современном этапе — это перепрограммируемые БИС, в которых один и тот же набор аппаратных блоков с помощью ПЗУ и программируемых логических матриц перестраивается для решения ряда различных задач. Эта идея лежит в основе микропроцессорных БИС. Практически перепрограммирование означает внесение изменений в процессе производства БИС, т.е. смена на определенном этапе, по крайней мере, одного фотошаблона. Конечно, при этом закладывается определенная избыточность аппаратных средств.

Структурная схема специализированного часового микропроцессора показана на 1-й с. вкладки. Он используется в серийной модели ЭНЧ «Электроника 5 29358» с табелем-календарем и во вновь осваиваемых моделях «Электроника 5 29366» и «Электроника 5 29361».

Архитектура микропроцессорной БИС включает программируемую логическую матрицу (ПЛМ), а которой хранятся микропрограммы, ОЗУ с организацией 48х6 бит, АЛУ, выходной дешифратор, регистры вывода и формирователи сигналов управления ЖКИ, а также блоки синхронизации и управления. Адрес ПЛМ во время каждого цикла сохраняется в 8-разрядном регистре адреса микрокоманд. Это позволяет осуществить адресацию 2^8 программных шагов.

АЛУ представляет собой шестиразрядный комбинационный сумматор со схемами управления» выполняющий операцию «+1», операцию сравнения типа А<В и А=В, а при необходимости и другие операции сравнения. Вырабатываемый в АЛУ управляющий сигнал позволяет осуществить ветвление микропрограммы с помощью условных операторов IF («ЕСЛИ»).

Воздействие на внешние органы управления фиксируется в регистре режима, который адресует в ПЛМ выполнение определенной микропрограммы, вырабатывающей соответствующие изменения режимов работы часов.

Буферный регистр хранит результат выполнения операции в АЛУ в течение всего цикла обработки микрокоманды.

Используемая структура системы команд специализированного часового микропроцессора эффективна при выполнении операций в реальном масштабе времени.

Описанный часовой микропроцессор содержит около 20 тыс. транзисторов и позволяет использовать ЖКИ различной конфигурации объемом до 12 цифровых разрядов, реализовывать разные алгоритмы управления, функциональные возможности в объеме до 20 единичных временных функций, Фотография кристалла БИС специализированного часового микропроцессора приведена на вкладке.

Кроме решения описанных задач, не менее актуальным является предельное упрощение электрической схемы часов и, как уже отмечалось, снижение их энергопотребления. Благодаря использованию новых технических решений узлов [6, 7] и технологических процессов уровень энергопотребления (без ЖКИ) доведен в современных моделях ЭНЧ до 1,4 мкА.

Модели выпускаемые и осваиваемые

Функциональные возможности \ разрядность ЖКИ
4
6
8
1. Функции часов, календаря 5-204А (D=22;h=6.9;1.5)
5-203А (D=29;h=4.8;1)
5-18351.1 (D=18;h=4.8;1)
5-206А (D=29;h=4.8;1)
5-206Б (D=29;h=7.5;3)
5-29366* (D=29;h=6;3)
2. Функции часов, двух временных поясов, календаря, табель-календаря   5-29358 (D=29;h=7.5;3)  
3. Функции часов, календаря, прямого и обратного секундомеров   5-207 (D=30;h=5.9;1.5)  
4. Функции часов, программируемой звуковой сигнализации (в т.ч. музыкальной)   5-30364 (D=30;h=7;1.5)
5-29364 (D=29;h=4.5;1)
 
5. Функции часов, календаря, секундомера, программируемой звуковой сигнализации (в т.ч. музыкальной)   5-209 (D=30;h=4;1.5)
5-29367* (D=29;h=4.5;1)
 
6. Функции часов, двух временных поясов, календаря, два звуковых сигнала     5-29361* (D=29;h=4.8;1)

* Модели, осваиваемыe в серийном производстве; D и h - диаметр и высота электронного блока в мм, далее - автономность в годах.

Функциональные возможности серийно выпускаемых электронных наручных часов (ЭНЧ) достаточно многообразны. Они показывают время одного или двух часовые поясов, год, месяц, число, день недели. Некоторые модели имеют табель-календарь, прямой и обратный секундомеры, таймер, программируемую звуковую сигнализацию. Обеспечивают и такие «услуги», как подсветку жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) микролампой накаливания для считывания показаний при низкой освещенности, выбор шкал времени 12/24, ускоренную установку точного времени, выбор различной постоянно выводимой на индикатор информации (секунды/число), звуковое указание 00 минут каждого часа, музыкальную звуковую сигнализацию.

Выпускаются часы с 4—7-раэрвдными индикаторами, электронными блоками диаметром 18, 22, 29 мм. Суточный уход ЭНЧ при температуре 25±5 °С — ±0,5 с, автономность работы — один, полтора, три года.

Вновь осваиваемые модели ЭНЧ имеют более информативные индикаторы — 9—10-разрядные, автономность работы до 5 лет. В ник осуществляется и автоматический перевод на летнее и зимнее время, цифровая подстройка хода, контроль нижнего порога напряжения питания. Эти модели имеют простой алгоритм управления.

Характеристики серийных и вновь осваиваемых моделей ЭНЧ представлены в таблице. Фотографии некоторых из них показаны на фото 1—5.

От часов «вообще» к часам в «частности».

Как мы убедились, в результате вторжения последних достижений электроники в часовое производство происходит непрерывное наращивание функциональных возможностей часов. Сейчас сложные модели ЭНЧ скорее напоминают наручный прибор, осуществляющий измерение, накопление, обработку и вывод различной информации. Вот несколько примеров.

За рубежом созданы часы-телевизор. Они имеют дополнительный отдельный блок — радиоприемное устройство размерами 110X65X10 мм. Телевизионное изображение выводится на ЖКИ размерами 25Х17 мм, число элементов разложения изображения 210X152.

Выпускают часы, с помощью которых можно переводить отдельные слова и фразы на разные языки. Объем их словаря — 1700 слов на двух языках и 40 фраз на пяти языках. Выбор необходимых слов и фраз осуществляется двумя кнопками управления.

Разработаны ЭНЧ — персональный микрокомпьютер с матричным индикатором, содержащим 4 строки по 10 знакомест, каждое из которых состоит из 5X7 элементов (всего 1400). Программируют такие часы-компьютер с помощью выносной клавиатуры.

Приведенные часы, созданные в рекламных целях, демонстрируют возможности микроэлектроники. Вместе с кем, они являются отражением поисков новых направлений развития электронных наручных часов. Действительно, перед разработчиками стоит вопрос — расширять до фантастических масштабов функциональные возможности часов (иногда в ущерб удобству пользования) или искать другую альтернативу? На наш взгляд, более рациональным и оправданным является переход к производству специализированных часов.

Сейчас микроэлектроника, а также ее технология и схемотехника прошли очередной этап, сделав возможным массовое производство перепрограммируемых микропроцессорных СБИС. Тем самым во много раз сокращено время получения модификаций базовой СБИС. То есть стал возможным переход от разработки и производства часов общего применения к специализированным, учитывающим профессиональные и другие особенности различных групп населения. Совершенно ясно, что часы автолюбителя должны по своим функциональным возможностям отличаться от часов, скажем, преподавателей или спортсменов, а часы общего применения — от часов деловых людей, связанных с командировками, совещаниями и т.д. Это значит, что часы должны отвечать интересам разных групп населения, а в идеальном случае — соответствовать индивидуальным требованиям заказчика.

Классифицировать население по группам, отличающимся профессиональными и другими признаками можно по-разному. Мы преднамеренно ограничились лишь общей постановкой задачи, не навязываем своей точки зрения, а предлагаем читателям принять участие в увлекательном поиске и формировании требований к таким специализированным часам.

Описанный подход к развитию ЭНЧ может встретить возражения у тех, кто рассматривает часы только как средство воспроизведения времени — часов, минут, секунд и критикует ЭНЧ за их функциональную «избыточность», цифровой способ индикации и сложность управления. Такая точка зрения, на наш взгляд, также правомерна. Возразить здесь можно лишь то, что электронные наручные часы адресуются той части населения, которая имеет дело с техникой и для которой переход на новые поколения часов также естественен, как замена, например, счетов калькулятором. Конечно, в их число мы включаем и многомиллионную армию радиолюбителей.

А теперь заглянем в недалекое будущее и представим, как будет происходить покупка электронных наручных часов по индивидуальному заказу в фирменном магазине-салоне «Электроника». Вы приходите и заполняете (кодируете) карту технических характеристик изделия, то есть выбираете из представленного перечня функциональных возможностей, типоразмеров индикатора, блоков те, которые отвечают вашим требованиям. Аналогично выбираете вариант внешнего оформления часов и его исполнение по степени водонепроницаемости. Далее вводите карту в считывающее устройство и взамен получаете карточку-распечатку с выбранным перечнем технических характеристик, точной датой изготовления и стоимостью изделия. Оплачиваете заказ и, придя в указанное время в магазин, получаете часы.

Фантастика? Нет — закономерный ход развития электронной техники, ее будущее!

- - -
В. БОБКОВ. А. МАЛАШНЕВИЧ

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Europa star, 1983, №140-A, p. 30-32
2. Малашкевич А.А., Ключников В.П. Характеристики электронных наручных часов. Серия «Автоматика, телемеханика, вычислительная техника». – Минск: Изд. БЕЛНИИНТИ Госплана БССР, 1980.
3. Авторское свидетельство СССР №712805 (Бюл. «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки…», 1980, №4, вып.102)
4. Авторское свидетельство СССР №656017 (Бюл. «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки…», 1979, №13, вып.102)
5. Авторское свидетельство СССР №779967 (Бюл. «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки…», 1981, №42, вып.102)
6. Авторское свидетельство СССР №909661 (Бюл. «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки…», 1982, №8, вып.102)
7. Авторское свидетельство СССР №771817 (Бюл. «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки…», 1980, №38, вып.113)

Объявления

    Приобрету любые часы и запчасти к часам "Электроника", особенно:
  • Модули, платы к часам Электроника
    - 29368, 59, 74, 76, 79, 92
    в любом состоянии;
  • Корпуса к часам Электроника
    - 29364; 92; 52Д/МД, 53Д, 55Д/МД; ЧН-01/02/03/04;
  • ЖКИ к часам Электроника
    - 3049; 59/64;
  • Стекломаски (стекла) к Электроникам
    - 30350 (с бол.окном); 29354; 29364;
  • Часы Электроника-59, 67, 74, 76, 92, 29361, 29354, 29368 и т.д.

Новости

 
         
 
© Surok
2009-2013
Яндекс.Метрика
Написать автору