逆向工程阿波罗时代神秘的Up-Data Link Test Set

# 逆向工程阿波罗计划中神秘的 Up-Data Link 测试装置 来源: http://www.righto.com/2025/07/reverse-engineering-mysterious-up-data.html 早在2021年，我们的一位收藏家朋友在寻找阿波罗时代的通信设备时，拜访了一个布满灰尘的仓库。一个带有 NASA 风格指示灯（“AGC Confirm”灯）的盒子引起了他的注意——这暗示它与 Apollo 制导计算机有关。令人失望的是，这个盒子只是一个空机箱，所有电路板都不见了。他继续在仓库里翻找，令人惊讶的是，他在仓库另一侧发现了一个袋子，里面正好装着丢失的电路板！将机箱与迷路的电路卡重新组合后，他把它带给了我们：我们能让这个没有文档说明的装置工作吗？ Up-Data Link 自检测试装置，已通电。 背面的标签表明这是一个由摩托罗拉制造的“Up-Data Link 自检测试装置”。顾名思义，这个盒子设计用于测试阿波罗的 Up-Data Link（UDL）系统，该系统允许向航天器发送数字指令。下面我将详细解释，这些指令使地面站能够开关航天器电路、与阿波罗制导计算机交互，或设置航天器的时钟。Up-Data Link 需要在地面进行测试，以确保其功能正常运行。为 Up-Data Link 生成测试信号并验证其输出的任务，由 Up-Data Link 自检测试装置负责（我将其简称为测试装置）。 测试装置展示了在集成电路出现之前，如何用拇指大小的封装模块构建复杂的设备。由于我找不到任何关于这些模块的文档，我不得不对它们进行逆向工程，发现不同的模块实现了从触发器、逻辑门到光隔离器和模拟电路的各种功能。借助 Lumafield 三维 X 射线扫描仪，我们查看了模块内部，检查了里面安装的分立晶体管、电阻、二极管以及其他元件。 四个 13 引脚的摩托罗拉模块。这些实现了逻辑门（2/2G & 2/1G）、灯驱动器（LD）、更多逻辑门（2P/3G）和一个触发器（LP FF）。模块具有 13 个错位排列的引脚，确保无法反向插入。 逆向工程这个系统——从无文档的模块到杂乱的接线——是一个挑战。Mike 找到了一份提到测试装置的 NASA 文档，但该文档信息量少得惊人。此外，盒子的关键部件缺失，可能很多年前就被拆走另作他用了。在本文中，我将描述我们如何了解系统的功能、揭开封装模块的秘密、构建一个系统来自动追踪布线，以及如何在大型阿波罗通信系统复现中使用 UDL 测试装置。 在描述 Up-Data Link 测试装置之前，我将先解释 Up-Data Link（UDL）本身。Up-Data Link 提供了一种机制，使阿波罗航天器能够从地面站接收数字指令。这些指令允许地面站控制阿波罗制导计算机、打开或关闭设备、或更新航天器的时钟。物理上，Up-Data Link 是一个浅蓝色的金属盒子，形状不规则，呈 L 形，重约 20 磅。 Up-Data Link 盒子。 阿波罗指令舱里塞满了各种电器箱，从通信、导航到电源和排序系统。Up-Data Link 安装在交流逆变器上方、阿波罗制导计算机下方、废物管理系统和尿液袋的左侧。 阿波罗指令舱的下部设备舱。Up-Data Link 用黄色高亮标出。点击此图像（或任何其他图像）可查看大图。来自《指令/服务舱系统手册》第 212 页。 ### Up-Data Link 消息 Up-Data Link 支持四种消息类型： - 任务控制通过 UDL 直接访问阿波罗制导计算机（AGC），逐键控制计算机。也就是说，每条消息使 UDL 模拟 Display/Keyboard（DSKY，宇航员与计算机的接口）上的一次按键。 - 航天器有一个时钟，称为中央计时设备（CTE），记录任务的经过时间，从天到秒。CTE 消息可以将时钟设置为指定的时间。 - 一个称为实时控制（RTC）的系统允许 UDL 打开或关闭继电器，从而使一些航天器系统可以从地面控制。这 32 个继电器安装在 Up-Data Link 盒子内部，可以执行从点亮“中止”灯（表示任务控制说中止）到控制数据磁带录像机或 S 波段无线电等一切操作。 - 最后，UDL 支持两条测试消息，用于“锻炼 UDL 中的所有过程、传输和程序控制逻辑”。 下图显示了发往 Up-Data Link 的消息格式。每条消息由 12 到 30 位组成，具体取决于消息类型。前三位是飞行器地址，选择接收消息的航天器（这允许将消息定向到土星 V 火箭、指令舱或登月舱）。接下来，三位系统地址位指定接收消息的航天器系统，对应上述四种消息类型。剩余位提供消息正文。 发往 Up-Data Link 的消息格式。来自《电信系统学习指南》。注意，飞行器访问代码使用与消息其余部分不同的子位模式。此图显示的是较早期的子位编码，而不是测试装置使用的编码。 消息正文的内容取决于消息类型。实时控制（RTC）消息有一个六位值，指定继电器编号以及是关闭还是打开。阿波罗制导计算机（AGC）消息有一个五位值，指定 Display/Keyboard（DSKY）上的一个按键。为了可靠性，消息被编码为 16 位：消息、消息的反码、再次是消息，以及一个填充位；任何不匹配的位都会触发错误。CTE 消息使用四个六位值设置时钟，分别表示秒、分、时和天。UDL 处理消息时，先重置时钟，然后通过向 CTE 发出指定数量的脉冲来推进秒、分、时和天（这类似于逐个递增数字来设置数字闹钟）。最后，两条自测消息由 24 位模式组成，用于锻炼 UDL 的内部电路。测试结果通过阿波罗的遥测系统传回地球。 为了提高可靠性，发送到 UDL 的每一位都被替换为五个“子位”：每个“1”位被替换为子位序列“01011”，每个“0”位被替换为其补码“10100”。子位的目的是，任何损坏的数据都会导致无效的子位代码，从而可以拒绝损坏的消息。Up-Data Link 通过将输入数据流与“01011”或“10100”进行匹配来执行此验证（消息开头的飞行器地址使用不同的子位代码，确保正确识别消息的开头）。按照现代标准，子位是一种低效的冗余提供方式，因为消息会变大五倍。因此，有效传输速率很低：200 位/秒。 除了需要大功率发射机之外，Up-Data Link 消息没有任何安全性。在阿波罗的系统中，只有火箭自毁系统（委婉地称为推进剂分散系统）是密码学安全的。 由于阿波罗无线电系统是模拟的，数字子位不能直接从地面传输到太空。相反，一种称为相位键控（PSK）的技术将数据转换为音频信号。该音频信号由正弦波组成，通过反转来指示 0 位与 1 位；换句话说，0 位时相位移动 180 度。Up-Data Link 盒子将此音频信号作为输入并进行解调，以提取数字消息数据。（将音频信号从地面传输到 Up-Data Link 需要更多与测试装置无关的步骤，因此我将在脚注中描述。） ## Up-Data Link 测试装置 既然我已经解释了 Up-Data Link，我可以更详细地描述测试装置了。UDL 测试装置的用途是测试 Up-Data Link 系统。它向 Up-Data Link 盒子发送一条消息（作为音频信号），实现上述消息格式、子位编码和相位键控。然后验证 UDL 的输出，以确保 UDL 执行了正确的操作。 测试装置最显著的特征可能是前面板上的纸带阅读器：测试装置通过它获取要传输的消息。消息被穿孔到纸带上，编码为一系列八进制数字。从纸带读取消息后，会显示在 13 位显示器上。前三位是任意消息编号，其余十位八进制数字表示要发送到 UDL 的 30 位消息。根据消息类型（由系统地址数字指定），测试装置验证 UDL 的响应，并在面板指示灯上指示成功或错误。 下面我创建了框图来解释测试装置的架构和构造（点击查看大图）。系统有 25 块电路板，标记为 A1 到 A25；在大多数情况下，它们对应于框图中的功能块。 Up-Data Link 测试装置的框图。（点击查看大图。） 测试装置的前面板以其 13 个大数字的显示屏为主。事实证明，这些数字的存储是测试装置的核心。该存储（A3-A9）在从纸带读取时组装数字，循环传输位，并向其他电路提供数字以选择消息类型并验证结果。为此，13 个数字电路被配置为一个 39 位移位寄存器。当从纸带读取消息时，其位被移入数字存储，从右到左，消息显示在显示屏上。为了发送消息，移位寄存器被重新配置，使 10 个数字形成一个循环，排除消息编号。当位在循环中循环时，最左边的位被编码并传输。传输结束时，数字已循环回原始位置，因此如果需要，可以再次传输消息。因此，移位寄存器机制在读取消息时进行串并转换，在传输消息时进行并串转换。 测试装置使用三块电路板（A15、A2 和 A1）用子位扩展消息并将消息编码为音频。第一块板将每个位转换为五个子位。第二块板应用相位键控（PSK）调制，第三块板具有滤波器，用于从数字信号产生干净的正弦波。 在输入端，测试装置通过圆形军用连接器从 Up-Data Link（UDL）盒子接收信号。这些输入信号由电路板 A25、A22、A23、A10 和 A24 缓冲。板 15 通过将输入子位与传输的子位进行比较来验证它们。对于 AGC 消息，计算机信号由板 A14 验证。定时（CTE）信号由板 A20 和 A21 验证。UDL 状态（有效性）信号由板 A12 处理。板 A11 实现开关电源，为接口板供电。 从框图中可以看出，测试装置很复杂，实现了多个功能。另一方面，框图也显示，需要大量的 1960 年代电路才能实现任何功能。例如，一块电路板只能处理两位数字，因此仅数字显示就需要七块电路板。另一个例子是输入，需要一整块电路板来处理两三位输入位。 ## 封装模块 这个盒子是由类似集成电路但包含分立元件的模块构建的。这类模块在 1960 年代早期，集成电路普及之前使用。每个模块实现一个简单的功能，如触发器或缓冲器。它们比分立元件更方便，因为模块提供了现成的功能。它们也很紧凑，因为元件被紧密地封装在模块内部。 物理上，每个模块有 13 个引脚：一侧排成一排的 7 个，另一侧偏移排成一排的 6 个。这种排列确保模块无法反向插入。 一个摩托罗拉“LP FF”模块。这个模块实现一个 J-K 触发器。“LP”可能表示低性能、低功率或低传播；系统中还使用“HP FF”模块，可能表示高性能。 对这些模块进行逆向工程很困难，因为它们被封装在塑料中，元件无法接触。每个模块上印制的文字暗示了其功能。例如，上面的 J-K 触发器模块标有“LP FF”。“2/2G & 2/1G”模块被证明包含两个与非门和两个反相器（2G 和 1G 门）。一个“2P/3G”模块包含两个上拉电阻和两个三输入与非门。其他模块