МАЖОРИТАРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК G06F11/18 H05K10/00 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, и может быть использовано при построении высоконадежных устройств и систем, например резервированных систем для обработки число-импульсных кодов, устройств для анализа и сравнения импульсных последовательностей и т.д.

Известны устройства мажоритарного резервирования [1]. Они содержат мажоритарный элемент, который позволяет при появлении сигналов на двух входах формировать сигнал на выход и таким образом выделять момент появления второго (среднего из трех поступающих на вход) сигнала.

Однако эти устройства не могут самостоятельно восстанавливать истинное логическое состояние в канале, потерпевшем сбой, что в дальнейшем не позволяет выделять среднюю по числу импульсов последовательность.

Известно мажоритарное устройство (прототип) [2]. В данном решении происходит выбор из трех число-импульсных последовательностей той, в которой содержится среднее количество импульсов. Устройство содержит резервируемые блоки, реверсивные счетчики, элементы ИЛИ, элементы И, восстанавливающий блок. Входы блоков соединены с входами соответствующих счетчиков, выходы всех разрядов, кроме знакового, счетчиков соединены через элементы ИЛИ с входами элементов И, другой вход которых соединен с выходами знаковых разрядов тех же счетчиков. Выходы элементов И соединены через восстанавливающий блок с входами вычитания реверсивных счетчиков.

Однако прототип, в случае сбоя, связанного с изменением информации в любом счетчике - сбой "нулевого" счетчика (счетчика, находящегося в нулевом состоянии) или потеря знака у других счетчиков, перестает формировать импульсы на выход устройства до переполнения счетчиков, приводящего к восстановлению рабочего состояния устройства. В результате часть информации может быть потеряна, что неприемлемо, т.к., например, большинство акселерометров имеет выходные блоки, формирующие число-импульсные коды. При использовании информации об ускорении, обработанной мажоритарным устройством, для решения задач сближения объектов, потеря последней просто опасна.

Задача изобретения - повышение надежности за счет увеличения помехоустойчивости устройства.

Эта задача достигается тем, что в устройство, содержащее первый мажоритарный элемент и m каналов, каждый из которых включает элемент ИЛИ, элемент И и реверсивный счетчик, выходы всех, кроме старшего, разрядов которого соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с прямым входом элемента И, а выход последнего - с соответствующими входами первого мажоритарного элемента, дополнительно введены второй мажоритарный элемент, релейный элемент задержки и (m+1)-ый элемент ИЛИ, при этом выходы старших разрядов реверсивных счетчиков каждого канала соединены с инверсными входами элементов И этих каналов и с соответствующими входами второго мажоритарного элемента, выход которого является выходом устройства и соединен с суммирующими входами реверсивных счетчиков каждого канала и через релейный элемент задержки с вторым входом (m+1)-го элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого мажоритарного элемента, а выход - с R-входами реверсивных счетчиков каждого канала, входы устройства соединены с вычитающими входами реверсивных счетчиков каждого канала.

На чертеже приведена блок-схема мажоритарного устройства, где 1 - первый мажоритарный элемент, 2 - элемент ИЛИ 1-го канала, 3 - элемент ИЛИ 2-го канала, 4 - элемент ИЛИ m-го канала, 5 - элемент И 1-го канала, 6 - элемент И 2-го канала, 7 - элемент И m-го канала, 8 - реверсивный счетчик 1-го канала, 9 - реверсивный счетчик 2-го канала, 10 - реверсивный счетчик m-го канала, 11 - второй мажоритарный элемент, 12 - релейный элемент задержки, 13 - (m+1)-ый элемент ИЛИ.

Мажоритарное устройство содержит, m каналов, каждый из которых включает элемент ИЛИ 2, 3, 4, элемент И 5, 6, 7 и реверсивный счетчик 8, 9, 10. В каждом канале выходы всех, кроме старшего, разрядов реверсивных счетчиков 8, 9, 10 соединены с соответствующими входами элементов ИЛИ 2, 3, 4, выходы которых соединены с прямыми входами элементов И 5, 6, 7 этих каналов. Выходы элементов И 5, 6, 7 соединены с соответствующими входами первого мажоритарного элемента 1. Выходы старших разрядов реверсивных счетчиков 8, 9, 10 каждого канала соединены с инверсными входами элементов И 5, 6, 7 этих каналов и с соответствующими входами второго мажоритарного элемента 11, выход которого является выходом устройства и соединен с суммирующими входами реверсивных счетчиков 8, 9, 10 каждого канала и через релейный элемент задержки 12 - с вторым входом (m+1)-го элемента ИЛИ 13. Первый вход (m+1)-го элемента ИЛИ 13 соединен с выходом первого мажоритарного элемента 1, а выход - с R-входами реверсивных счетчиков 8, 9, 10 каждого канала. Входы мажоритарного устройства соединены с вычитающими входами реверсивных счетчиков 8, 9, 10, каждого канала.

Устройство работает следующим образом. Для наглядности примем m = 3 и что все реверсивные счетчики находятся в нулевом состоянии. Импульс, поступив на один из входов (например, первый) устройства, попадет на вычитающий вход реверсивного счетчика 1-го канала 8, переведет его в состояние "минус 1" (во всех разрядах единицы). В результате высокий уровень с его старшего разряда поступит на первый вход второго мажоритарного элемента 11. После того, как на любой другой вход мажоритарного устройства поступит импульс, он также будет воспринят реверсивным счетчиком своего канала, например второго. В результате высокий уровень со старшего разряда реверсивного счетчика 2-го канала 9 попадет на второй вход второго мажоритарного элемента 11. При наличии двух единиц на входах трехразрядного мажоритарного элемента, каковым является второй мажоритарный элемент 11, на его выходе появится высокий уровень, который поступит на выход устройства, на вход релейного элемента задержки 12 и на суммирующие входы всех реверсивных счетчиков, в результате чего их состояние увеличится на единицу - реверсивный счетчик 1-го канала 8 и реверсивный счетчик 2-го канала 9 будут обнулены, а реверсивный счетчик 3-го канала 10 перейдет в состояние "+1" (единица в младшем разряде). Т.е. устройство, как и прототип, выберет среднюю последовательность - на выход будет поступать такое же количество импульсов, что и в последовательности, содержащей их среднее количество. В результате записи единицы в младший разряд реверсивного счетчика 3-го канала 10 эта единица (высокий уровень) с первого выхода счетчика поступит через элемент ИЛИ 3-го канала 4 на прямой вход элемента И 3-го канала 7, на инверсном входе которого находится низкий уровень. На выходе элемента И 3-го канала 7 появится высокий уровень, который поступит на третий вход первого мажоритарного элемента 1. Таким образом, на входы первого мажоритарного элемента 1 будет поступать высокий уровень из тех каналов, в которых реверсивные счетчики находятся в положительном состоянии. При поступлении на входы устройства трех импульсных последовательностей, содержащих разное количество импульсов, один реверсивный счетчик, на входы которого поступает максимальное количество импульсов, будет находиться в некотором отрицательном состоянии. Счетчик, на входы которого поступает среднее количество импульсов, будет находиться в нулевом состоянии и реверсивный счетчик, на входы которого поступает минимальное количество импульсов, будет находиться в некотором положительном состоянии.

Рассмотрим работу мажоритарного устройства в случае сбоя (несанкционированного изменения состояния реверсивных счетчиков). Пусть, например, реверсивный счетчик 1-го канала 8 находится в некотором отрицательном состоянии (в его старшем разряде 1), реверсивный счетчик 2-го канала 9 находится в нулевом состоянии, а реверсивный счетчик 3-го канала 10 находится в некотором положительном состоянии (в его старшем разряде 0). В случае сбоя, приводящего к изменению состояния реверсивного счетчика 1-го канала 8 или реверсивного счетчика 3-го канала 10 без изменения их знака, устройство, как и прототип, этого не заметит, и на его выход будет поступать истинная информация. В случае сбоя, приводящего к записи отрицательного числа в реверсивный счетчик 2-го канала 9, с выхода старшего разряда последнего поступит высокий уровень на второй вход второго мажоритарного элемента 11 (на его первом входе высокий уровень), и с его выхода - на выход устройства, на суммирующие входы всех реверсивных счетчиков и на вход релейного элемента задержки 12. Таким образом будет сформирован один ложный импульс на выход устройства. Через время Т высокий уровень с выхода релейного элемента задержки 12 поступит на второй вход (m+1)-го элемента ИЛИ 13, а с его выхода - на R-входы всех реверсивных счетчиков. Счетчики будут обнулены, а мажоритарное устройство приведено в исходное состояние. Аналогичным образом сработает устройство, и при сбое, приводящем к изменению знака у реверсивного счетчика 3-го канала 10, с выхода старшего разряда последнего поступит высокий уровень на третий вход второго мажоритарного элемента 11 (на его первом входе высокий уровень), и с его выхода - на выход устройства, на суммирующие входы всех реверсивных счетчиков и на вход релейного элемента задержки 12. Через время T высокий уровень с выхода релейного элемента задержки 12 поступит на второй вход (m+1)-го элемента ИЛИ 13, а с его выхода - на R-входы всех реверсивных счетчиков. Счетчики будут обнулены. В случае сбоя, приводящего к записи положительного числа в реверсивный счетчик 2-го канала 9, ненулевая информация с его выходов через элемент ИЛИ 2-го канала 3 поступит на прямой вход элемента И 2-го канала 6, нулевой уровень со старшего (знакового) разряда реверсивного счетчика 2-го канала пропустит на инверсный вход элемента И 2-го канала 6. В результате этого высокий уровень с выхода элемента И 2-го канала 6 поступит на второй вход первого мажоритарного элемента 1 (на его третьем входе высокий уровень), и с его выхода - на первый вход (m+1)-го элемента ИЛИ 13, а с выхода последнего - на R-входы всех реверсивных счетчиков. Счетчики будут обнулены, а мажоритарное устройство приведено в исходное состояние. Аналогичным образом сработает устройство и при сбое, приводящем к изменению знака у реверсивного счетчика 1-го канала 8: с выхода элемента И 1-го канала 5 высокий уровень поступит на первый вход первого мажоритарного элемента 1 (на его третьем входе высокий уровень), и с его выхода - на первый вход (m+1)-го элемента ИЛИ 13, а с выхода последнего - на R-входы всех реверсивных счетчиков. Счетчики будут обнулены.

Как видно из описания работы устройства, положительный эффект заключается в том, что при появлении положительной или отрицательной информации от сбоя в реверсивных счетчиках более чем у М каналов (М - мажоритарное число, M = (m+1):2), первым 1 или вторым 11 мажоритарным элементом будет сформирован сигнал на обнуление реверсивных счетчиков, чем будет компенсирован сбой. При любом сбое устройство не сформирует более одного ложного импульса на свой выход, т.е. ошибка составит одну единицу младшего разряда число-импульсного кода, что соизмеримо с погрешностью любого преобразователя аналогового сигнала в число-импульсный код.

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 логические элементы цифровых микросхем любых серий, например 564 и т.д. Релейный элемент задержки 12 передает сигнал (высокий уровень) с входа к выходу с задержкой T. При снятии высокого уровня с входа элемента задержки низкий уровень на его выходе появляется без задержки (в практической схеме соизмеримо с временем срабатывания логических элементов), т.е. импульс, имеющий длительность меньше чем T, через данный релейный элемент задержки не пройдет. При этом время T определяется как:
T > t₁ + t₂,
где t₁- время срабатывания реверсивных счетчиков от сигнала на их суммирующих входах, t₂ - время срабатывания второго мажоритарного элемента 11.

В качестве релейного элемента задержки можно использовать реле времени, например, РДВ-11.

Изобретение может быть использовано при построении высоконадежных устройств и систем, например резервированных систем для обработки число-импульсных кодов, устройств для анализа и сравнения импульсных последовательностей. В устройстве происходит контроль состояния реверсивных счетчиков каждого канала при помощи первого или второго мажоритарных элементов 1 и 11. Так, при появлении положительной или отрицательной информации от сбоя в реверсивных счетчиках 5-7 более чем у М каналов (М - мажоритарное число, М= (m+1): 2), первым или вторым мажоритарным элементом будет сформирован сигнал на обнуление реверсивных счетчиков чем будет компенсирован сбой. Изобретение позволяет повысить надежность за счет увеличения помехоустойчивости, при любом сбое и переходе устройства в произвольное состояние элементов памяти оно само перейдет в исходное состояние. 1 ил.

Мажоритарное устройство, содержащее первый мажоритарный элемент и m каналов, каждый из которых включает элемент ИЛИ, элемент И и реверсивный счетчик, выходы всех, кроме старшего, разрядов которого соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с прямым входом элемента И, а выход последнего - с соответствующим входом первого мажоритарного элемента, отличающееся тем, что в устройство введены второй мажоритарный элемент, релейный элемент задержки и (m + 1)-й элемент ИЛИ, при этом выходы старших разрядов реверсивных счетчиков каждого канала соединены с инверсными входами элементов И этих каналов и соответствующими входами второго мажоритарного элемента, выход которого является выходом устройства и соединен с суммирующими входами реверсивных счетчиков каждого канала и через релейный элемент задержки - с вторым входом (m + 1)-го элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого мажоритарного элемента, а выход - с R-входами реверсивных счетчиков каждого канала, входы устройства соединены с вычитающими входами реверсивных счетчиков каждого канала.