[Перевод] Реверс-инжиниринг оборудования миссии «Аполлон» рентгенографией
В этом посте я выполню реверс-инжиниринг гибридного модуля, использовавшегося для наземного тестирования оборудования космической программы «Аполлон».
Но для начала немного справочной информации.
Во время миссий «Аполлон» к Луне НАСА могло отправлять с Земли на космический корабль цифровые сообщения.
Эти сообщения с данными могли выполнять конкретные задачи: управлять оборудованием корабля активацией реле, отправлять команды напрямую управляющей ЭВМ «Аполлона» или даже устанавливать часы космического аппарата.
На борту командного модуля эти сообщения дешифровались Up-Data Link (системой связи земля-космос) — голубоватой коробкой (на рисунке ниже), установленной в отсеке оборудования.
Up-Data Link (UDL), установленный в командном модуле «Аполлона».
Для обеспечения успеха миссии все системы «Аполлона» были тщательно протестированы на земле.
Up-Data Link тестировался при помощи показанного ниже устройства, имеющего маркировку «Up-Data Link Confidence Test Set».
Мой друг Марсель приобрёл эту коробку на свалке, и мы попытались заставить её работать, но, к сожалению, у неё не было документации и не хватало нескольких компонентов.
После реверс-инжиниринга её сложной схемы и небольшого ремонта мне удалось понять, как она работала:
Тестовое оборудование считывало команду с бумажной ленты, кодировало её для радиопередачи при помощи модуляции с фазовым сдвигом, подавало сигнал на устройство up-data link, а затем проверяло, что up-data link выполнило соответствующее действие.
Переданное сообщение отображалось на дисплее, а зелёный и красный индикаторы состояния показывали, успешно ли была декодирована операция.
Таким образом, тестовое оборудование обеспечивало создание автоматизированной системы для выполнения функций up-data link.
Тестовое оборудование — это установленная в стойку тяжёлая коробка, заполненная схемами. Провода сверху нужны для реверс-инжиниринга, они подключены к множеству контрольных точек коробки.
Конструкция тестового оборудования с современной точки была очень необычной.
Устройство изготавливали из 25 печатных плат, а сами платы были соединены друг с другом точечными проводными подключениями на задней плате.
Каждая плата содержала до 18 квадратных серых модулей — блоков, немного напоминавших реле, но содержавших электронные схемы.
Эти модули изготавливались компанией Motorola; на них имеется маркировка с типом модуля. На фото ниже показаны некоторые из этих компактных модулей, каждый длиной примерно 3,8 см.
На нижней части модуля 13 контактов в двух неравных рядах подключались к разъёму на печатной плате.
Часть модулей Motorola: 2/2G&2/1G, LD, 2P/3G и LP FF. Напечатанные на них артикулы очень легко смазываются.
Зачем собирать электронное устройство из модулей, а не из интегральных схем?
Изобретение в 1958 году интегральной схемы привело к электронной революции, однако в середине 1960-х ИС по-прежнему были дорогими и редкими.
Альтернативой им служили небольшие гибридные модули, работавшие в качестве строительных блоков: логических вентилей, триггеров, операционных усилителей и других схем.
Вместо кремниевого чипа в этих гибридных модулях использовались дискретные транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие компоненты.
Мне не удалось найти ни документации, ни даже упоминаний этих модулей Motorola, несмотря на упорные поиски в Google и на Bitsavers.
Однако модули легко можно извлекать из разъёмов для экспериментов. В процессе был выявлен неожиданный удобный аспект — расстояние между штырьками выводов, равное 0,2 дюйма, совместимо с современными беспаечными макетными платами.
Функции большинства модулей мне удалось определить, зондируя их тестовыми сигналами, а также изучая соседние схемы, на которых обнаружились стандартизированные соединения питания на +6 В и -6 В.
У модулей с простыми логическими функциями подсказки давала их маркировка: например, «LP FF» был триггером (flip flop) (LP может означать low-power — «низкой мощности» или low-performance — «малой производительности»), а маркировка »2/2G & 2/1G» обозначала два NAND-вентиля с двумя входами и два вентиля с одним входом (то есть инверторы).
Однако часть схем устройства была аналоговой, и эти модули оказалось расшифровать сложнее, особенно схемы, кодировавшие двоичные данные на выходе как сигнал модуляции с фазовым сдвигом (phase-shift keying, PSK).
Цифровые данные невозможно было передать напрямую на космический корабль, их приходилось кодировать в аналоговый сигнал для радиопередачи.
В частности, цифровое сообщение линии земля-космос кодировалось при помощи модуляции с фазовым сдвигом: переброс синусоиды с частотой 2 кГц обозначал 0 или 1.
Иными словами, фаза 0° обозначала бит 1, а фаза 180° обозначала бит 0.
[Модуляция с фазовым сдвигом была лишь началом обработки сигнала на пути к кораблю. Далее PSK-сигнал модулировался на 70-килогерцовой вспомогательной несущей частоте (чтобы он не конфликтовал с голосовой передачей), а затем модулировался по фазе ровно на 2106,40625 МГц для передачи с огромной наземной антенны на далёкий космический корабль.]
На этой старой диаграмме показано, как двоичный сигнал при помощи модуляции с фазовым сдвигом кодировался в аудиосигнал PSK. «kc» обозначает килотакты (kilocycles); единица измерения «герц» стала стандартом в 1960 году, но «такты» продолжали использовать ещё долгие годы.
Для выполнения модуляции с фазовым сдвигом тестовому оборудованию требовались две платы; к сожалению, после отправки устройства в металлолом из корпуса извлекли пару ключевых компонентов (вероятно, высококачественные регулируемые индуктивности), из-за чего схему стало сложно понять.
Один модуль находился в самом сердце схемы модуляции и преобразовывал прямоугольные сигналы в плавные синусоиды.
Этот модуль имел маркировку »-3.9V» и, разумеется, выдавал -3,9 В, однако он ещё и содержал загадочные дополнительные схемы (к тому же оказалось довольно неожиданным, что выход на -3,9 В не использовался).
Загадочные схемы оказались сетями резисторов и конденсаторов. У CuriousMarc есть старый прибор для измерения резисторов-индуктивностей-конденсаторов, способный измерять последовательные или параллельные схемы, но его индикаторы беспомощно мигали, сдавшись при измерениях модуля на -3,9 В.
Модуль »=3.9V» находится в центре этой платы. Модуль извлечён из разъёма, чтобы была видна его маркировка. Большой чёрный прямоугольник — это трансформатор. Выбор определённой намотки обеспечивает инвертирование фазы для PSK.
Мы решили, что раскрыть секреты модуля позволит рентген, и Джон Макмастер любезно согласился сделать рентгеновские снимки модуля.
На фото ниже показан рентгеновский снимок модуля сбоку, демонстрирующий внутренние компоненты и контакты в нижней части.
Пластиковый корпус модуля имеет на снимке призрачно-серый цвет, он не мешает рентгеновским лучам проникать к металлической проводке.
Видны две печатные платы, одна сверху, другая снизу. На них вертикально смонтированы компоненты. Эта техника монтажа называется «поленницей».
Такая конструкция использовалась в 1960-х, когда требовалось плотное размещение компонентов; цилиндрические компоненты монтировали друг на друга как поленья.
Рентгеновский снимок модуля сбоку. Составлен из трёх изображений.
Некоторые компоненты можно чётко различить на рентгеновских снимках. Углеродистые резисторы — это серые цилиндры с выводами.
[На рентгеновских снимках кажется, что внутри некоторых резисторов есть сплошное соединение (что привело бы к короткому замыканию). На самом деле это случайное наложение на снимке контакта модуля и резистора.]
Внутренности диода Зенера видны как призрачная S-образная пружина, см. фото ниже. Непрозрачные цилиндры — это конденсаторы, вероятно, с пластинами, препятствующими рентгеновским лучам.
U-образный прямоугольный компонент слева — это конденсатор, вероятно, из металлизированной плёнки.
На рисунке ниже приведено сравнение рентгеновских снимков и физических разрезов диодов Зенера и резисторов.
Рентгеновские снимки и разрезы диодов Зенера и углеродистых резисторов. Компоненты в разрезе схожи, но не идентичны компонентам на рентгеновских снимках. Фото разрезов сделаны Эриком Шлапфером и Винделлом Оскеем.
Рентгеновский снимок с нижней части модуля позволяет взглянуть на него под другим углом.
Контакты находятся сверху и снизу изображения, немного под углом и с кругами на каждом конце, где они подключены к платам схемы.
Цилиндрические компоненты выглядят как круги: крупные круги — это конденсаторы, маленькие — резисторы.
Важной особенностью этого угла обзора является то, что он показывает соединения между компонентами на печатной плате, хотя и непонятно, находится ли дорожка на верхней или нижней плате схемы. Также на снимке заметен загадочный текст, что-то похожее на J65 и H66. Вероятно, это маркировка, вытравленная на меди плат схемы для идентификации.
Рентгеновский снимок модуля снизу. Составлен из трёх изображений.
Снимок модуля под наклоном позволяет избавиться от неопределённости и различить дорожки на верхней плате схемы от дорожек на нижней.
Однако для анализа внутренней структуры мне всё равно понадобилось какое-то время. (КТ-скан позволил бы автоматически создать 3D-структуру, но это был обычный двухмерный рентгеновский аппарат.)
Снимок модуля под наклоном.
На 3D-модели ниже показана моя интерпретация рентгеновских снимков. 13 контактов модуля подключены и верхней, и к нижней платам схемы, как и цилиндрические компоненты.
(Единственным исключением является квадратный конденсатор, оба соединения которого относятся к верхней плате.)
Дорожки на платах образуют схему.
3D-структура внутренностей модуля, созданная при помощи OpenSCAD. Я не гарантирую, что она точна на 100%.
Я составил показанную ниже принципиальную схему, соответствующую рентгеновским снимкам.
До снимков мы разобрались с основной частью схемы при помощи зондирования модуля, но нас ждало несколько сюрпризов.
Самым важным открытием стала последовательно-параллельная структура из R1, C1 и C2, где мы ожидали увидеть лишь один резистор и конденсатор.
[Ещё одной неожиданной особенностью, обнаруженной благодаря рентгеновским снимкам, стал резистор R6. При проверке щупами мы тоже упустили наличие R6, поскольку он не использовался этой платой.]
(Именно из-за этой сложной топологии устройство Hewlett-Packard пользователя CuriousMarc не смогло определить ёмкость.)
Ещё один важный вывод, сделанный при изучении рентгеновских снимков, заключался в отличии конструкции C2 от других конденсаторов; поэтому вероятно, что он имеет сильно отличающуюся ёмкость, нанофарады вместо микрофарад.
Разобравшись с топологии схемы, я мог зондировать схему сигналами с разной частотой и определить примерные значения компонентов.
Принципиальная схема модуля. Значения компонентов получены подбором кривой под показания осциллографа, поэтому их погрешность составляет не меньше 10%.
Мы продолжаем работать над подробным объяснением функции модуля в устройстве.
Если вкратце, то модуль преобразует 1-килогерцовые и 2-килогерцовые прямоугольные сигналы в синусоиды для создания выходного сигнала PSK.
Путём проб и ошибок CuriousMarc определил подходящие индуктивности, позволяющие схеме резонировать на этих частотах.
R-C-схемы в модуле передают небольшой «скачок» при переключении прямоугольных волн, достаточный для сохранения резонанса, но не настолько большой, чтобы это вносило помехи в синусоидальный сигнал.
Странно, что источник опорного напряжения -3,9 В на диодах Зенера не используется.
Вывод
Рентгеновские снимки позволили решить некоторые загадки модулей.
Во-первых, мы узнали, что в модулях используется конструкция-«поленница», а не единая печатная плата и не точечное соединение проводами.
Во-вторых, снимки выявили пару неожиданных компонентов и помогли нам разобраться с технологией производства схемы.
В-третьих, мы смогли увидеть внутреннюю структуру некоторых компонентов, которую мы не ожидали разглядеть.
Главный урок для меня заключался в том, что в будущем рентгеновские снимки стоит делать под разными углами, чтобы устранить двусмысленности.
Мне хотелось бы знать, были ли эти модули Motorola частью полного прототипа продукта.
Мы изучали много разного оборудования «Аполлона», но больше нигде не встречали такие модули. Также мне не удалось найти их упоминаний.
Конструкция похожа на гибкую систему, предназначенную для проектирования; модули, монтажные платы, пластмассовые рамки для их крепления, разъёмы и шасси, похоже, проектировались так, чтобы работать вместе.
Это создаёт впечатление хорошо продуманной системы для создания электронного оборудования 1960-х, но, очевидно, она бесследно исчезла (за исключением этого устройства).
Каким же было изначальное предназначение модуля -3,9В и почему проектировщики использовали его в оборудовании для тестирования связи земля-космос?
Я могу понять продажу логических вентилей и триггеров как компонентов общего назначения, но этот модуль кажется слишком специализированным для стандартного продукта.
С другой стороны, специализированный модуль потребовал бы только новой печатной платы и небольших инвестиций по сравнению с проектированием новой интегральной схемы, поэтому производство специализированных модулей кажется очень практичным решением.
При этом возникает вопрос: почему разработчики спроектировали специализированный модуль на -3,9 В для устройства тестирования связи земля-космос, а потом не использовали схему на диодах Зенера.
Я предполагаю, что модуль на -3,9 В был спроектирован для более ранней версии устройства тестирования связи земля-космос, но его функциональность оказалась неиспользуемой.
Подробнее об устройстве тестирования связи земля-космос можно прочитать в обсуждениях на Twitter: включение, модули, устройство чтения бумажной ленты и схема синхронизации.
Также посмотрите видео об устройстве CuriousMarc:
Мы планируем подключить тестовое устройство к устройству up-data link и посмотреть, смогут ли они работать вместе.
Затем мы надеемся воссоздать весь путь прохождения сигнала: от тестового устройства на передатчик, а затем на ответчик S-диапазона, далее на устройство up-data link, чтобы можно было передавать сообщения по радио (хоть и на несколько метров, а не на Луну).
