Устройство для мажоритарного выбора сигналов

Авторы патента:

G06F11/18 - с использованием пассивного маскирования сбоев, например с помощью расчетверения или мажоритарных решающих схем

Владельцы патента RU 2396591:

Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано при построении высоконадежных резервированных устройств и систем с возможностью обеспечения синхронной работы всех резервных каналов. Техническим результатом изобретения является повышение надежности функционирования за счет исключения сбоев в устройстве. Технический результат достигается благодаря тому, что устройство для мажоритарного выбора сигналов содержит n каналов, в каждый из которых включены реверсивный счетчик, мажоритарный элемент, D-триггеры, генератор, элементы И и И-НЕ. Устройство исключает возможность "противоборства" фронтов входных импульсов разных каналов, которое может возникать из-за отсутствия синхронизации входных импульсов. Это "противоборство" может приводить к сбою устройства и, как следствие, к потере работоспособности. Устройство повышает надежность функционирования за счет исключения сбоев. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано при построении высоконадежных резервированных устройств и систем, например резервированных систем для обработки числоимпульсных кодов с возможностью обеспечения синхронной работы всех резервных каналов.

Известно устройство для мажоритарного выбора сигналов [1], содержащее резервируемые блоки, мажоритарный элемент, в каждом канале реверсивный счетчик, элементы ИЛИ, элементы И, элементы И-НЕ, инверторы, элемент сравнения, элемент задержки.

Недостаток этого устройства состоит в сложности реализации и низкой надежности.

Наиболее близким решением к предлагаемому является устройство для мажоритарного выбора сигналов [2], содержащее n каналов, каждый из которых включает m-разрядный реверсивный счетчик, первый и второй элементы И, первый и второй элементы И-НЕ, подключенные своими выходами к первым входам соответственно первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика, первые входы первого и второго элементов И-НЕ соединены с прямым и инверсным выходами (m-1)-го разряда реверсивного счетчика, а вторые входы этих элементов И-НЕ соединены соответственно с инверсным и прямым выходом m-го разряда реверсивного счетчика, соединенного своим выходом с первым входом мажоритарного элемента и соответствующими входами мажоритарного элемента других каналов.

Недостаток известного решения [2] состоит в том, что входные импульсные последовательности не синхронизированы между собой, поэтому импульс, поступающий с выхода мажоритарного элемента на суммирующий вход реверсивного счетчика, может совпасть с входным импульсом одной из последовательностей, поступающим на вычитающий вход реверсивного счетчика. В результате возможного "противоборства" фронтов может произойти сбой в работе известного устройства (непредусмотренное изменение кодового состояния реверсивного счетчика). Кроме того, если в результате "противоборства" будет потерян импульс с выхода мажоритарного элемента, известное устройство может сформировать лишний выходной импульс, что соответствует сбою известного устройства.

Задача изобретения - повышение надежности функционирования за счет исключения сбоев устройства.

Эта задача достигается тем, что в устройство для мажоритарного выбора сигналов, содержащее n каналов, каждый из которых включает m-разрядный реверсивный счетчик, первый и второй элементы И, первый и второй элементы И-НЕ, подключенные своими выходами к первым входам соответственно первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика, первые входы первого и второго элементов И-НЕ соединены с прямым и инверсным выходами (m-1)-го разряда реверсивного счетчика, а вторые входы этих элементов И-НЕ соединены соответственно с инверсным и прямым выходом m-го разряда реверсивного счетчика, соединенного своим выходом с первым входом мажоритарного элемента и соответствующими входами мажоритарного элемента других каналов, в каждый канал дополнительно введены первый D-триггер, генератор и последовательно соединенные второй, третий, четвертый и пятый D-триггеры, при этом второй вход второго элемента И соединен с выходом первого D-триггера, вход D которого подключен к входной шине, а вход С первого D-триггера соединен с прямым выходом генератора и входом С четвертого D-триггера, инверсный выход генератора соединен с входом С третьего и пятого D-триггера, выход которого подключен к входу R второго D-триггера, вход D которого соединен с его высокопотенциальной шиной питания, вход С подключен к выходу мажоритарного элемента, а выход второго D-триггера соединен с выходной шиной канала, выход третьего D-триггера соединен с вторым входом первого элемента И.

На чертеже приведена блок-схема устройства для мажоритарного выбора сигналов. На этой схеме 1 - мажоритарный элемент, 2 - реверсивный счетчик, 3 и 4 - первый и второй элементы И соответственно, 5 и 6 - первый и второй элементы И-НЕ соответственно, 7 - генератор, 8, 9, 10, 11 и 12 - первый, второй, третий, четвертый и пятый D-триггеры соответственно, 13 - входная шина, 14 - выходная шина, 15 - первый канал, 16 - второй канал, 17 - n-й канал.

Выходы первого 5 и второго 6 элементов И-НЕ подключены к первым входам соответственно первого 3 и второго 4 элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика 2. Первые входы первого 5 и второго 6 элементов И-НЕ соединены с прямым и инверсным выходами (m-1)-го разряда реверсивного счетчика 2, а вторые входы этих элементов И-НЕ соединены соответственно с инверсным и прямым выходом m-го разряда реверсивного счетчика 2. Выход реверсивного счетчика 2 соединен с первым входом мажоритарного элемента 1 и соответствующими входами мажоритарного элемента других каналов. Последовательно соединены второй 9, третий 10, четвертый 11 и пятый 12 D-триггеры, второй вход второго элемента И 4 соединен с выходом первого D-триггера 8, вход D которого подключен к входной шине 13, а вход С первого D-триггера 8 соединен с прямым выходом генератора 7 и входом С четвертого D-триггера 11, инверсный выход генератора 7 соединен с входом С третьего 10 и пятого 12 D-триггера, выход которого подключен к входу R второго D-триггера 9, вход D которого соединен с его высокопотенциальной шиной питания U, вход С второго D-триггера 9 подключен к выходу мажоритарного элемента 1, а выход второго D-триггера 9 соединен с выходной шиной канала 14, выход третьего D-триггера 10 соединен с вторым входом первого элемента И 3.

Устройство для мажоритарного выбора сигналов работает следующим образом. Входные сигналы X₁, X₂, Х_П поступают на входы 13 (входы D первого D-триггера 8) соответствующих каналов устройства. Для наглядности примем, что n=3 и все реверсивные счетчики находятся в нулевом состоянии, а логической единице соответствует высокий уровень сигнала. В этом случае нулевые уровни с прямых выходов (m-1)-го и m-го разрядов реверсивного счетчика 2 поступают на первый вход первого элемента И-НЕ 5 и второй вход второго элемента И-НЕ 6 соответственно. В результате на их выходах будет высокий уровень, который и поступит на первые входы первого 3 и второго 4 элементов И. Входной импульс, например X₁, появляется на выходе D-триггера 8 по переднему фронту импульса с прямого выхода генератора 7 (период следования импульсов Т_Г генератора 7 выбирается меньше длительности Т_И входного импульса X₁). Импульс с выхода D-триггера 8 поступает на второй вход второго элемента И 4 и формирует на его выходе высокий уровень, который, поступая на вычитающий вход реверсивного счетчика 2, переводит его в состояние "минус единица" (во всех разрядах единицы). В результате высокий уровень с его прямого выхода старшего разряда m поступит на первый вход мажоритарного устройства 1 первого канала 15 и соответствующие входы остальных каналов. Нулевые уровни с инверсных выходов (m-1)-го и m-го разрядов реверсивного счетчика 2 поступят на первый вход первого элемента И-НЕ 5 и второй вход второго элемента И-НЕ 6, в результате чего на их выходах останется высокий уровень. После того как на любой другой вход устройства, например на второй, поступит импульс X₂, он также будет воспринят реверсивным счетчиков второго канала 16. В результате высокий уровень с прямого выхода его старшего разряда попадает на вход мажоритарного устройства 1 своего канала и соответствующие входы мажоритарного устройства других каналов. При наличии двух высоких уровней на входах мажоритарного элемента 1 всех каналов на его выходе появится высокий уровень, который поступает на вход С второго D-триггера 9 всех каналов. На входе D этого триггера постоянно присутствует высокий уровень U, в результате чего D-триггер 9 устанавливается в единичное состояние по переднему фронту выходного импульса мажоритарного элемента 1. Выходной сигнал второго D-триггера 9 всех каналов поступает на выходную шину 14 и вход D третьего D-триггера 10. Далее последовательно будут устанавливаться в единичное состояние третий D-триггер 10 по переднему фронту импульса с инверсного выхода генератора 7, четвертый D-триггер 11 по переднему фронту импульса с прямого выхода генератора 7, пятый D-триггер 12 по переднему фронту импульса с инверсного выхода генератора 7. Выходной импульс третьего D-триггера 10 всех каналов поступает на второй вход первого элемента И 3 и формирует на его выходе высокий уровень, который поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 2. В результате состояние всех реверсивных счетчиков увеличится на единицу - реверсивный счетчик 2 первого канала 15 и реверсивный счетчик 2 второго канала 16 будут обнулены, а реверсивный счетчик 2 третьего канала 17 перейдет в состояние "+1" (единица в младшем разряде). Если далее на вход третьего канала 17 поступит импульс Х₃, то в соответствии с приведенным описанием этот импульс проходит на вычитающий вход реверсивного счетчика 2 своего канала и переводит реверсивный счетчик 2 третьего канала 17 в нулевое состояние.

После установки пятого D-триггера 12 в единичное состояние его выходной сигнал устанавливает второй D-триггер 9 в нулевое состояние, после чего происходит последовательная установка в нулевое состояние третьего 10, четвертого 11 и пятого 12 D-триггеров и схема приходит в исходное состояние.

Таким образом, устройство выбирает среднюю по числу импульсов последовательность и все выходные сигналы устройства формируются синхронно.

Оценим устойчивость к сбоям предлагаемого и известного [2] устройства. Как следует из приведенного описания устройства для мажоритарного выбора сигналов, вычитание импульсов реверсивным счетчиком 2 производится по переднему фронту импульса с прямого выхода генератора 7, суммирование импульсов производится по переднему фронту импульса с инверсного выхода генератора 7. Это означает, что совпадение моментов суммирования и вычитания импульсов в предлагаемой схеме невозможно, а значит, невозможно "противоборство" фронтов входного импульса на вычитающем входе и импульса с выхода третьего D-триггера 10 на суммирующем входе реверсивного счетчика 2.

В известном [2] устройстве возможно совпадение фронтов входного импульса на вычитающем входе и импульса с выхода мажоритарного элемента на суммирующем входе реверсивного счетчика. Такое совпадение приводит к сбою устройства. Оценим частоту такого события. Пусть период T₁ входных импульсов X₁ первого канала отличается от периода Т₂ входных импульсов Х₂ второго канала на величину ΔТ. Число периодов n, по истечении которых входные импульсы совпадут, будет равно

Время t, по истечении которого будет повторяться совпадение входных импульсов X₁ и Х₂, можно определить в виде

Частоту f появления сбоев можно определить в виде

Если, например, T₁=10 мс, ΔT=10^-2 мс, то f=0,1 с^-1. Иначе говоря, через каждые 10 секунд возможен сбой устройства, который сопровождается потерей либо прохождением лишнего импульса. В течение некоторого времени число этих сбоев станет недопустимым, и это состояние рассматривается как отказ устройства.

В предлагаемом устройстве для мажоритарного выбора сигналов такие сбои исключены, что повышает надежность функционирования устройства.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства можно использовать стандартные элементы: реверсивные счетчики, логические микросхемы, мажоритарные элементы, триггеры, генераторы.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №1215113, кл. G06F 11/18, Устройство для мажоритарного выбора асинхронных сигналов.

2. Патент Российской Федерации № 2110835, кл. G06F 11/18, Н05К 10/00, Устройство для мажоритарного выбора сигналов.

Устройство для мажоритарного выбора сигналов, содержащее n каналов, каждый из которых включает m-разрядный реверсивный счетчик, первый и второй элементы И, первый и второй элементы И-НЕ, подключенные своими выходами к первым входам соответственно первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика, первые входы первого и второго элементов И-НЕ соединены с прямым и инверсным выходами (m-1)-го разряда реверсивного счетчика, а вторые входы этих элементов И-НЕ соединены соответственно с инверсным и прямым выходом m-го разряда реверсивного счетчика, соединенного своим выходом с первым входом мажоритарного элемента и соответствующими входами мажоритарного элемента других каналов, отличающееся тем, что в каждый канал дополнительно введены первый D-триггер, генератор и последовательно соединенные второй, третий, четвертый и пятый D-триггеры, при этом второй вход второго элемента И соединен с выходом первого D-триггера, вход D которого подключен к входной шине, а вход С первого D-триггера соединен с прямым выходом генератора и входом С четвертого D-триггера, инверсный выход генератора соединен с входом С третьего и пятого D-триггера, выход которого подключен к входу R второго D-триггера, вход D которого соединен с его высокопотенциальной шиной питания, вход С подключен к выходу мажоритарного элемента, а выход второго D-триггера соединен с выходной шиной канала, выход третьего D-триггера соединен с вторым входом первого элемента И.

Похожие патенты:

Мажоритарное устройство // 2395161

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться для повышения надежности вычислительных и управляющих систем. .

Трехэлементное мажоритарное устройство резервирования // 2347264

Изобретение относится к области радиотехники и автоматики и может быть использовано в системах и устройствах обработки цифровой информации с резервированием. .

Способ управления отключением неисправных и/или переводимых в резерв объектов системы и система резервирования замещением для его реализации // 2342696

Изобретение относится к теории систем. .

Устройство смешанного резервирования // 2339994

Изобретение относится к области электронной техники. .

Трехэлементное мажоритарное устройство резервирования // 2336670

Изобретение относится к области радиотехники. .

Мажоритарное счетное резервированное устройство // 2310982

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться в высоконадежных цифровых синхронизирующих устройствах, построенных на быстродействующей элементной базе.

Резервированный rs-триггер // 2308147

Изобретение относится к цифровой преобразовательной технике. .

Отказоустойчивое вычислительное устройство и способ функционирования подобного устройства // 2279707

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Устройство для дистанционного управления компьютером для человека с ограниченными физическими возможностями // 2269325

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для людей с параличами верхних и нижних конечностей. .

Адаптивное резервированное устройство // 2210806

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в резервированных системах управления. .

Способ постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах (варианты) // 2475820

Изобретение относится к области вычислительной техники и электроники, а именно к способам повышения надежности дискретных электронных систем, работающих в условиях радиации, и более точно, к способам постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, находящихся под воздействием частиц излучения

Устройство восстановления работоспособности системы, резервированной с помощью мажоритарных элементов // 2493586

Изобретение относится к современным пилотажно-навигационным комплексам летательных аппаратов и их бортовой аппаратуре и может быть использовано для восстановления работоспособности систем радиоавтоматики и автоматического управления, резервированных с помощью мажоритарных элементов путем формирования сигналов управления элементами резервированных систем. Техническим результатом является повышение надежности устройства. Устройство содержит рабочий элемент, два элемента сравнения (резервных элемента), коммутируемый дополнительный элемент сравнения, шесть электронных ключей, три вычитающих устройства, три компаратора, блок управления, два логических элемента ИЛИ, три логических элемента НЕ, переключатель электронных ключей, четыре логических элемента И, три триггера. 3 ил.

Устройство восстановления работоспособности резервированной системы с помощью мажоритарных элементов // 2563798

Изобретение относится к системам радиоавтоматики и автоматического управления, резервированных с помощью мажоритарных элементов. Технический результат - повышение вероятности безотказной работы. Устройство восстановления работоспособности системы, резервированной с помощью мажоритарных элементов, содержит блок управления (БУ), четыре компаратора (К), шесть электронных ключей (ЭК), три вычитающих устройства (ВУ), рабочий элемент (РЭ), два элемента сравнения (ЭС), элемент резерва (ЭР), четыре логических элемента ИЛИ (далее ИЛИ), четыре логический элемента И (далее И), три логических элемента НЕ (далее НЕ), переключатель электронных ключей (ПЭК), счетчик импульсов (Сч) и два триггера (Тр). 3 ил.

Мажоритарное устройство // 2580080

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано при построении отказоустройчивых и сбоеустойчивых, радиационно стойких самосинхронных схем. Технический результат изобретения заключается в повышении отказоустойчивости при отказах транзисторов и блока питания. Технический результат достигается за счет введения шести блоков транзисторов p-проводимости - третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого, шести блоков транзисторов n-проводимости - третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого, второго входа подключения шины «+» питания и второго входа подключения шины «Ноль вольт». 7 ил.

Устройство для мажоритарного выбора сигналов (3 варианта) // 2580791

Изобретение относится к области построения высоконадежных резервированных устройств и систем. Технический результат заключается в повышении надежности за счет формирования сигналов неисправности каждого канала (блока с число-импульсным выходом) и интегрировании сигнала неисправности каждого канала, что позволяет отключать от управления неисправно работающие блоки и в критической ситуации (при многочисленных отказах) своевременно формировать сигнал на переход на резервное управление. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

Мажоритарное устройство // 2618192

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано при построении отказо- и сбоеустойчивых радиационно-стойких самосинхронных схем. Технический результат изобретения заключается в реализации фазы гашения парафазных сигналов, поступающих с таких резервированных триггеров, выходы которых не могут принимать одинакового значения. Технический результат достигается за счет введения двух блоков транзисторов р-проводимости и двух блоков транзисторов n-проводимости, трех входов разрешения. 5 ил.

Трехканальная резервированная управляющая система с-01 // 2618365

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться при построении высоконадежных вычислительных управляющих систем, предназначенных для приема информации от абонентов, обработки принятой информации и выдачи результирующей информации абоненту. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей в части обеспечения приема и обработки внешних импульсных и потенциальных сигналов и отсчета временных интервалов. Такой результат достигается за счет того, что в трехканальную резервированную управляющую систему в каждый модуль А, В, С дополнительно введены узел интерфейса шины Q-bus, узел таймеров синхронизации, узел приема и обработки импульсных сигналов, узел приема и обработки потенциальных сигналов, узел регистров с соответствующими связями. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

Гистерезисный триггер // 2628152

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано при построении отказоустойчивых самосинхронных схем. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности использования гистерезисного триггера в резервированных самосинхронных схемах, учитывающих возможность отказа в одном из каналов. Гистерезисный триггер содержит группу из 6 транзисторов p-проводимости и группу из 6 транзисторов n-проводимости и дополнительно 15 транзисторов p-проводимости и 15 транзисторов n-проводимости, а также связи между ними. 3 ил., 3 табл.

Устройство для мажоритарного выбора сигналов // 2628890

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для построения отказоустойчивых средств автоматики, функциональных узлов систем управления и др. Техническим результатом изобретения является уменьшение сложности устройства и повышение его быстродействия. Устройство для мажоритарного выбора сигналов содержит n информационных входов 11 - 1n, первую и вторую группы элементов И 2 и 3, которые содержат по n элементов И 21 - 2n и 31 - 3n, группу элементов ИЛИ 4, которая содержит n+2 элемента 41 - 4n+2, n+1 элементов задержки 51 - 5n+1, n+2 элементов НЕ 61 - 6n+2, первый триггер 7, второй триггер 8, реверсивный двоичный счетчик 9, вход запуска 10, первый выход устройства 11, второй выход устройства 12, третий выход устройства 13, выход готовности результата 14, третий триггер 15. 1 ил., 1 табл.