X 射线对 1960 年代 Apollo 测试设备的混合模块进行逆向工程

2023-03-12   出处: Ken Shirriff's blog  作/译者:Ken Shirriff/Yilia


  在这篇博文中,我对一个混合模块进行了逆向工程,该模块用于对阿波罗太空计划的设备进行地面测试。 但首先,需要先讲一些背景。 在阿波罗登月任务期间,美国宇航局可以从地面向航天器发送数字信息。 这些数据信息可以执行特定的任务:通过激活继电器控制航天器设备,直接向阿波罗制导计算机发送命令,甚至设置航天器的时钟。 在命令模块上,这些消息由上行数据链路解码,上行数据链路是安装在设备舱中的淡蓝色盒子(下图)

  为确保任务成功,阿波罗的所有系统在飞行前都在地面上进行了全面测试。 Up-Data Link 已使用下面标有“Up-Data Link Confidence Test Set”的框进行测试。 我们的朋友 Marcel 在废品场获得了这个盒子,所以我们着手让它发挥作用,但不幸的是它没有文档并且缺少一些组件。 在对其复杂电路进行逆向工程并进行一些维修后,弄清楚了它是如何工作的:测试盒从纸带读取命令,使用相移键控对其进行编码以进行无线电传输,将信号馈送到上行数据链路盒 , 然后验证上行数据链接框是否采取了正确的操作。 传输的消息显示在显示屏上,同时红色和绿色状态灯指示操作是否成功解码。 因此,测试盒提供了一个用于执行上行数据链路功能的自动化系统。

  从现代的角度来看,试验箱的构造非常不寻常。 这个盒子由 25 块印刷电路板构成,这些电路板通过错综复杂的点对点布线背板连接。 每块板最多可容纳 18 个灰色矩形模块,这些模块看起来有点像继电器,但包含电子电路。 它们由摩托罗拉制造,并带有标明模块类型的标签; 下图显示了其中一些紧凑型模块,每个模块长 1.5 英寸。在模块的底部,两排不等的 13 个引脚插入电路板上的插座。

  为什么要用模块而不是集成电路来构建复杂的电子盒? 1958 年集成电路的发明引发了一场电子革命,但在 20 世纪 60 年代中期,集成电路仍然价格昂贵且稀有。 另一种选择是用作构建块的小型混合模块:逻辑门、触发器、运算放大器和其他电路。 这些混合模块不是硅芯片,而是包含分立晶体管、电阻器、电容器和其他组件。尽管在 Google 和 Bitsavers 上尽了最大的努力,但找不到关于这些摩托罗拉模块的文档,甚至连它们的提及都没有。 然而,这些模块可以很容易地从插座上取下进行实验,0.200” 的引脚间距与现代无焊面包板兼容,这带来了意想不到的便利。对于大多数模块,可以通过用测试信号探测它们来确定它们的功能,在结合检查周围的电路,显示标准化的 +6 和 -6 伏电源连接。这些模块具有标签暗示的简单逻辑功能:例如,“LP FF”是(低功耗?低性能) ?)触发器,而“2/2G&2/1G”表示具有两个2输入NAND门和两个1输入门(即反相器)的模块。然而,盒子的一些电路是模拟的,这些模块更难破译,尤其是将二进制输出编码为相移键控 (PSK) 信号的电路。 数字数据无法直接传输到航天器,需要编码为模拟波形进行无线电传输。 特别是,数字上行数据消息使用相移键控 (PSK) 进行编码,翻转 2 kHz 正弦波以指示 0 或 1。换句话说,0° 的相位表示 1 位,而 180° 相位表示 0 bit.1

  上行数据测试盒需要两块板来执行 PSK 调制,并且在报废盒时移除了几个关键组件(可能是高质量的可调电感器)很不方便,因此很难理解电路。 一个模块位于 PSK 电路的核心,有助于将方波信号整形为平滑的正弦波。 这个模块有标签“-3.9V”,它也确实产生了-3.9 伏,但它包含额外的神秘电路(出乎意料的是,-3.9 伏输出没有被使用)。 神秘电路似乎是电阻电容网络。 CuriousMarc 有一个老式的 HP 电阻 - 电感 - 电容表,能够测量串联或并联电路,但在放弃 -3.9V 模块之前,它没有成功地发出咔嗒声和闪光灯。

  我们认为 X 射线可能会揭示模块的秘密,John McMaster 欣然同意对模块进行 X 射线检查。 下图从侧面给出了模块的 X 射线视图,显示了底部的内部组件和引脚。 该模块的塑料包装呈幽灵般的灰色,没有像金属布线那样阻挡 X 射线。 可以看到两块印刷电路板,一块在顶部,一块在底部,组件垂直安装,这种技术被称为 cordwood 结构。 这种结构用于 1960 年代,当时需要密集包装组件,圆柱形组件像木头一样堆叠在一起。

  一些组件在其 X 射线图像中具有独特的外观。 碳成分电阻器是带引线的灰色圆柱体。2 齐纳二极管的内部结构是一个幽灵般的 S 形弹簧,如下所示。 不透明的圆柱体是电容器,可能带有阻挡 X 射线的卷板。 靠近左侧的 U 形矩形元件是电容器,可能是金属化薄膜电容器。 下图比较了齐纳二极管和电阻器的 X 射线图像和物理横截面。

  模块底部的 X 射线图像提供了不同的视角。 引脚位于图像的顶部和底部,在连接到电路板的两端与圆圈略微成角度。 圆柱形组件显示为圆圈:较大的圆圈表示电容器,较小的圆圈表示电阻器。 这个观点的重要特征是它显示了组件之间的 PCB 连接,尽管对于走线是在电路板的顶部还是底部存在不便的歧义。 该图像还揭示了 J65 和 H66 等神秘文字。 这些可能是蚀刻在电路板铜层中用于识别的标签。

  模块的倾斜视图有助于解决歧义,将顶部电路板上的走线与底部电路板上的走线分开。 整理内部结构还是费了我一番功夫。 (CT 扫描会自动计算出 3-D 表示,但这是一台普通的 2-D X 光机。)

  下面的 3-D 模型显示了我对 X 射线图像的解释。 该模块的 13 个引脚连接到顶部和底部电路板,圆柱形组件也是如此。 (方形电容器是一个例外,它都连接到顶板。)电路板上的迹线创建电路。

  我创建了下面的示意图来匹配 X 射线图像。 在进行 X 光检查之前,我们已经通过探测模块找出了大部分原理图,但也有一些意外。 最重要的发现是 R1、C1 和 C2 的串并联结构,我们只希望其中有一个电阻器和电容器。3(这种复杂的拓扑结构是 CuriousMarc 的惠普设备无法确定电容的原因。)另一个 重要的 X 射线观察是 C2 的构造与其他电容器不同,因此它可能具有非常不同的电容,结果是纳法拉与微法拉。 一旦理解了电路拓扑结构,就可以用不同频率的信号探测电路并确定近似的元件值。

  我们仍在对盒子中模块的功能进行严格的解释。 总而言之,该模块有助于将 1 kHz 和 2 kHz 方波转换为正弦波以产生 PSK 输出。 通过反复试验,CuriousMarc 确定了使电路在这些频率下谐振的正确电感器。 当方波切换时,模块中的 R-C 电路会传递一个小的“反冲”,足以保持共振,但不会大到使正弦波失真。 奇怪的是,没有使用同名的 -3.9V 齐纳参考。

结论

  X 射线图像解开了模块的几个谜团。第一,我们了解到这些模块使用了木结构,而不是单个 PCB 或点对点布线。 接下来发现,X 射线揭示了一些意想不到的组件,并帮助我们弄清了电路技术。 最后,我们可以看到一些组件的内部结构,这是我们不希望看到的。 我为未来的 X 射线吸取的主要教训是从多个角度拍摄照片以帮助解决 3-D 模糊问题。
  我很好奇这些摩托罗拉模块是否是综合原型产品的一部分。 我们看过很多 Apollo 硬件,但从未在其他地方见过这些模块,无法找到对它们的任何参考。该结构似乎是为原型设计而设计的灵活系统; 模块、电路板、固定它们的塑料框架、连接器和底盘似乎都是为协同工作而设计的。 它给人的印象是 1960 年代用于构建电子硬件的深思熟虑的系统,但显然它消失得无影无踪(除了这个盒子)。 如果有读者对这些模块有更多的了解,请告诉我。
  具体到-3.9V模块,这个模块的初衷是什么,设计者为什么要把它用在up-data测试盒中? 我可以理解将逻辑门和触发器作为通用组件进行销售,但这个模块似乎过于专业化,无法成为标准产品。 另一方面,定制模块只需要新的 PCB——与设计新的集成电路相比,这是一笔很小的投资——因此生产定制模块似乎非常实用。 但这提出了一个问题,即为什么他们会为上行数据测试盒定制设计一个 -3.9 伏模块,然后不使用其齐纳电路。 我目前的假设是 -3.9 伏模块是为上数据测试盒的早期版本设计的,但结果证明该功能未被使用。
  我们打算把up-data测试盒和up-data链接盒连接起来,看看它们能不能协同工作。 然后,希望创建完整的信号路径:上行数据测试盒到发射器,之后由 S 波段转发器到上行数据链路盒,这样就可以通过无线电传输消息(尽管不是去月球,只有几英尺)。 非常感谢 John McMaster 对模块进行 X 光检查,并感谢 Marcel 提供上行数据测试盒。 横截面照片由 Windell Oskay 和 Eric Sc hlaepfer 提供,来自即将出版的《开放电路》一书。

注释和参考

1.相移键控只是信号在前往航天器途中处理的开始。 接下来,PSK 信号被调制到一个 70 千赫兹的副载波上(这样它就不会与语音传输发生冲突),最后相位调制到恰好 2106.40625 兆赫兹,以便从一个巨大的地面天线传输到遥远的航天器。
2.在 X 射线中,一些电阻器看起来像是通过电阻器牢固连接(这会使它们短路)。 这只是模块引脚与图像中电阻器的巧合对齐。
3.我们从 X 射线中发现的另一个意想不到的特征是电阻器 R6。 在探测过程中,我也忽略了 R6 的存在,因为它没有被该板使用。


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