Реверсивно инженерство на оборудването за мисията Аполо

Оригиналът е на популярния Кен Шириф (Ken Shirriff), който показва как с помощта на съвременна рентгенография може да се осъществи реверсивно инженерство на оборудването за мисията Аполо

По време на мисията Аполо до Луната НАСА можеше да изпраща от Земята до космическия кораб цифрови съобщения. Тези съобщения включваха данни, с помощта на които може да се задава изпълнението на най-различни задачи – да се управлява оборудването на кораба чрез активирането на различни релета, да се изпращат команди директно към изчислителната машина на Аполо и дори да се сверява часовника на космическия апарат.

На борда на космическия кораб тези съобщения се декриптираха от системата за връзка Земя-Космос Up-Data Link, която е поставена в сина кутия в сектора за различните електронни устройства:

За да се осигури успеха на мисията всички системи на Аполо са най-внимателно тествани в лабораториите. Up-Data Link е тестван с помощта на показаното малко по-долу устройство, маркирано като Up-Data Link Confidence Test Set.

Моят приятел Марсел намерил тази кутия в едно от сметищата за електронни отпадъци и се опитахме  да я накараме да работи, само че нямахме никаква документация и няколко компонента липсваха.

След осъществяване на реверсивно инженерство на сложната схема и неголям ремонт успях да разбера как работи тази технология.

Използваното от мен тестово оборудване прочита командите от хартиената лента, кодира ги за радиопредаване, използвайки модулация с фазово изместване, подава сигнал на устройството за обмен на данни и след това проверява дали up-data link е предприела подходящото действие.

Изпратеното съобщение се показва на дисплея, а зелените и червените индикатори за състояние показват дали операцията е била успешно декодирана.

По този начин тестовото оборудване осигури създаването на автоматизирана система за изпълнение на различните функции на up-data link.

Тестовото оборудване е монтирано в стелаж във вид на тежка кутия, пълна с тогавашните микросхеми. Кабелите в горната част са за обратно инженерство, като те са свързани към многобройните контролни точки на кутията.

От днешна гледна точка дизайнът на тестовото оборудване е много необичаен. Устройството има 25 печатни платки, които са свързани една с друга чрез точково окабеляване на задната платка.

Всяка платка включва до 18 квадратни сиви модула – блокове, които малко приличат на релета, но всъщност в тях са вградени различни електронни схеми.

Тези модули са произведени от Motorola, като върху всеки от тях има нанесен какъв е типът на всеки един от тези модули. Снимката по-долу показва някои от тези компактни блокове, всеки с дължина около 3,8 см.

Защо едно толкова сложно електронно устройство трябва да се сглобява от подобни модули, а не от тогавашните интегрални схеми?

Изобретените през 1958 година интегрални схеми доведоха до революция в електрониката, но в средата на 1960-те те са твърде редки и твърде скъпи. Вместо тях се използват хибридни модули, които са нещо като блокчета от конструктор и включват основни елементи на електрониката – тригери, друга елементарна цифрова логика, операционни усилватели и т.н.

Вместо чип от силиций в тези модули се използват обикновени отделни транзистори, резистори, кондензатори и други компоненти.

Аз не можах да намеря никаква документация за тези модули на Motorola, въпреки че дълго и упорито търсих в Google и Bitsavers. Но тези модули могат да се изваждат и да се правят експерименти с тях. Докато се занимавах с това се учудих на нещо много удобно –  разстоянията между крачетата на модулите е точно 0,2 инча, което е съвместимо с днешните макетни платки.

Функциите на повечето от тези модули успях да разбера чрез тестване с помощта на различни тестови сигнали, както и чрез изучаването на съседните схеми, на които се подава стандартно захранване от +6 и -6 V.

Каква е ролята на по-опростените модули може да се разбере по тяхната маркировка. Така например, LP FF се оказа тригер (flip flop), а LP може да означава ниска мощност или Low-performance – ниска производителност. Надписът 2/2G & 2/1G показва два NAND логически елемента с два входа и два с един вход – тоест, инвертор.

Но част от тази схемотехника бе аналогова и се оказа твърде сложно да разбера какво вършат. Особено трудни се оказаха схемите за кодиране на двоичните данни, които на изхода на модула излизат като сигнали, модулирани чрез изместване на фазата (phase-shift keying, PSK).

Цифровите данни е невъзможно да бъдат директно подавани към космическия кораб и затова те са кодирани в аналогов сигнал. Известно е, че цифровото съобщение от Земята до космоса се е кодирало чрез изместване на фазата: обръщането на фазата на синусоидалния сигнал с честота 2 KHz означава или 1 или 0. С други думи фазата 0° означава, че се предава бит със значение 1, а фазата 180° обозначава бит със значение 0.

Модулацията с фазово изместване е само началото на обработката на сигнала по пътя към космическия кораб. След това PSK се е модулирал със 70 KHz допълнителна  носеща честота, за да няма конфликти с гласовата радиовръзка, а след това се прилагала фазова модулация при честота точно 2106,40625 MHz, която вече се е излъчвала с помощта на наземна параболична антена към далечния космически кораб.

На тази стара диаграма е показано по какъв начин двоичният сигнал с помощта на модулация чрез фазово изместване се кодира в PSK аудио сигнал. В  изображението kc означава килотакти (kilocycles), понеже единицата Херц (Hz) е станала стандарт през 1960 година, но тактовете или циклите продължават да се използват още много години.

За осъществяването на този тип фазова модулация, на оборудването са необходими две платки, но при утилизацията на устройството от него са извадени два ключови компонента, които явно са висококачествени регулируеми индуктивности, заради което стана много по-трудно да се разбере работата на схемата.

Както и да е, единият от модулите се намира в самото сърце на схемата за осъществяване на модулацията и служи за преобразуване на правоъгълните импулси в плавни синусоиди. Този модул е маркиран като „-3,9 V“ и естествено, подава именно минус 3,9 V, но включва и някакви загадъчни допълнителни компоненти. Това се оказа доста неочаквано, понеже крачето с това напрежение не се използва. Загадъчните компоненти се оказаха сложна мрежа от резистори и кондензатори. CuriousMarc има стар уред за измерване на величините на резисторите, кондензаторите и индуктивностите, както са запоена на печатните платки, но в този случай неговите индикатори само безпомощно примигваха и не можаха нищо да измерят от допълнителната реализирана схема в този модул „-3,9 V“.

Другият модул с име „=3,9 V“ е поставен в центъра на голямата печатна платка. Големият черен правоъгълник, който се вижда на снимката, е трансформатор. Чрез избора на конкретната намотка се осигурява инвертирането на фазата за PSK.

Решихме, че тайните на този модул ще могат да бъдат разкрити с помощта на рентген, а Джон МакМастър любезно се съгласи да направи рентгеновите снимки.

Фотографията по-долу показва страничната рентгенова снимка на този модул, на която се виждат вътрешните компоненти, крачета и спойки. Виждат се две печатни платки – отгоре и отдолу. Именно такава конструкция се е използвала през 1960-те години, когато се е налагало да има плътно разполагане на компонентите.

Някои компоненти се виждат съвсем ясно. Въглеродните резистори имат вид на сиви цилиндри с две крачета. По-интересна е вътрешността на ценеровия диод, в който се вижда нещо като призрачна S-образна пружина. U-образният компонент в лявата част на горното изображение е кондензатор, най-вероятно направен от тънък метализиран филм.

Фотографията по-долу показва сравнение на рентгеновите снимки и на физически разрязаните ценерови диоди и резистори.

ч

Рентгеновата снимка на този модул. направена отдолу показва нещо съвсем друго. Пътечките на печатната платка се виждат много ясно, както и местата на спойките. Тук цилиндричните компоненти изглеждат като кръгчета, като по-големите са кондензатори, а по-малките – резистори. Най-важното тук е, че се виждат връзките между компонентите на печатната платка, само че не е ясно дали дадена пътечка е от горната или от долната печатна платка. На снимката се вижда и странен текст – нещо подобно на J65 и H66. Навярно това е маркер, оставен след ецването на платките.

Рентгеновата снимка на същия модул, направена под наклон, дава възможност да се различат пътечките от горната и от долната печатна платка.

Необходимо ми бе доста време, за да съставя 3D модела на този модул, базиран на рентгеновите снимки. Интересно е, че крачетата на 13-те компонента на модула са запоени както към горната, така и към долната печатна платка. Единственото изключение е кондензаторът, и двете крачета на който са запоени към горната платка.

По-долу е показана принципната схема, съставена по рентгеновите снимки. Едно от най-интересните открития бе последователно-паралелната структура от R1, C1 и C2, където при предишните си измервания очаквахме да видим само един резистор и един кондензатор.

След като съставих топологията на схемата започнах да я сондирам чрез сигнали с различни честоти и успях да определя какви са значенията на компонентите. Конструкцията на кондензатора C2 силно се различаваше от тази на другите кондензатори и приех, че неговият капацитет е много по-различен – нанофаради вместо микрофаради.

Казано съвсем накратко този модул преобразува 1 KHz и 2 KHz правоъгълни импулси в синусоиди за формиране на изходния PSK сигнал.

Изводи

Използването на съвременните технологии – апаратура за качествени рентгенови снимки даде възможност да разберем не само какви са компонентите в една секретна в миналото техника на Motorola, но и да съставим принципните схеми и да разберем точно за какво се използват както различните модули, така и целия блок.

Цялата конструкция изглежда като една гъвкава система, предназначена за бързо проектиране и сглобяване на готови конструкции: модулна конструкция, пластмасови рамки за закрепване, конектори и обща дънна платка.

Всичко това създава впечатление за една много добре обмислена система за създаване на електронно оборудване през 1960-те години, която вече е безследно изчезнала.

За времето си това явно е било най-доброто решение – за създаването на  нов специализиран модул ще са необходими една или две неголеми печатни платки. Тогава това е било много по-евтино в сравнение с необходимите инвестиции за проектирането и производство на специализирана интегрална схема.