УСТРОЙСТВО СМЕШАННОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G06F11/18 H05K10/00 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при построении высоконадежных устройств и систем, проектируемых по методу смешанного резервирования.

Известны устройства для горячего резервирования каналов по мажоритарному принципу, описанные в [1], [2] и [3]. Недостатком всех этих устройств является отсутствие возможности автоматического выключения питания одного из предполагаемых резервных каналов, выходные сигналы которых поступают на входы указанных мажоритарных устройств, и использования ресурса выключенного канала при отказе одного или двух резервных каналов для экономии электроэнергии и увеличения надежности резервируемой системы.

Однако наиболее простым является мажоритарное устройство, описанное в [1], которое выбрано в качестве прототипа. Устройство имеет первый, второй и третий входы для аналоговых сигналов и один выход, сигнал с которого сформирован по принципу голосования «два из трех» для входных сигналов устройства. Устройство содержит первый, второй и третий вычитающие усилители, инвертирующие входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства, первый, второй и третий ключи, первый, второй и третий релейные элементы, входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего вычитающих усилителей, неинвертирующие входы которых подключены соответственно ко второму, третьему и первому входам устройства, соединенным соответственно с сигнальными входами второго, третьего и первого ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно второго, третьего и первого релейных элементов, а выходы первого, второго и третьего ключей соединены с выходом устройства.

Недостатком указанного устройства является довольно высокое потребление электроэнергии и недостаточно высокая надежность.

Техническим результатом предлагаемого устройства является уменьшение потребления электроэнергии (приблизительно на 30%) и повышение надежности резервируемой системы за счет автоматического выключения питания одного из каналов резервируемой системы и совмещения преимуществ мажоритарной и дублирующей схем резервирования.

Технический результат достигается тем, что в мажоритарное устройство, содержащее первый и второй вычитающие усилители, первый и второй релейные элементы, первый, второй и третий ключи, сигнальные входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства и с первым, вторым и третьим выходами резервных каналов, первый из которых соединен с инвертирующим входом первого вычитающего усилителя, второй - с неинвертирующим входом первого вычитающего усилителя и с инвертирующим входом второго вычитающего усилителя, а третий - с неинвертирующим входом второго вычитающего усилителя, при этом выходы первого и второго вычитающих усилителей соединены соответственно со входами первого и второго релейных элементов, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами первого и второго ключей, сигнальные выходы которых соединены с сигнальным выходом третьего ключа и с выходом устройства, дополнительно введены четвертый ключ и логический элемент НЕ, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа, а вход - с выходом первого релейного элемента, выходом сигнала отказа резервного канала и с управляющим входом четвертого ключа, сигнальный вход которого соединен с шиной питания Uпит, а сигнальный выход - со входом питания третьего канала. Введение указанных элементов и связей позволяет выключать питание одного резервного канала системы при отсутствии отказов, т.е. экономить около 30% электроэнергии резервируемой системы и экономить ресурс одного резервного канала, а при наличии одного или двух отказов использовать ресурс ранее выключенного резервного канала в отличие от аналогов и прототипа.

Суть изобретения поясняется функциональной схемой, на которой приведено устройство смешанного резервирования с предполагаемыми резервными каналами, где 1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий входы устройства, 4, 5 - первый и второй вычитающие усилители, 6, 7 - первый и второй релейные элементы, 8, 9, 10 - первый, второй и третий ключи, 11 - четвертый ключ, 12 - логический элемент НЕ, 13 - выход устройства, служащий выходом резервируемой системы, 14, 15, 16 - первый, второй и третий предполагаемые резервные каналы, 17 - шина питания Uпит, 18 - выход сигнала наличия отказа резервного канала, Vcc - выводы питания предполагаемых резервных каналов.

Выход первого предполагаемого резервного канала 14 соединен с первым входом 1 устройства, который соединен с сигнальным входом первого ключа 8 и инвертирующим входом первого вычитающего усилителя 4, выход второго предполагаемого резервного канала 15 соединен со вторым входом 2 устройства, который соединен с сигнальным входом второго ключа 9, инвертирующим входом второго вычитающего усилителя 5 и неинвертирующим входом первого вычитающего усилителя 4, выход третьего предполагаемого резервного канала 16 соединен с третьим входом устройства, с сигнальным входом третьего ключа 10 и неинвертирующим входом второго вычитающего усилителя 5. Выход первого вычитающего усилителя 4 соединен со входом первого релейного элемента 6, выход второго вычитающего усилителя 5 соединен со входом второго релейного элемента 7. Выход первого релейного элемента 6 соединен с управляющим входом первого ключа 8, выходом 18 сигнала наличия отказа канала, управляющим входом четвертого ключа 11 и входом логического элемента НЕ 12, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа 10. Выход второго релейного элемента 7 соединен с управляющим входом второго ключа 9. Сигнальные выходы ключей 8, 9, 10 соединены с выходом устройства 13, являющегося выходом резервируемой системы. Сигнальный вход четвертого ключа 11 соединен с шиной питания Uпит 17, а его сигнальный выход соединен с выводом питания Vcc третьего предполагаемого резервного канала 16.

Устройство смешанного резервирования работает следующим образом.

При нормальном функционировании первого 14 и второго 15 резервного каналов на инвертирующий и неинвертирующий входы вычитающего усилителя 4 поступают практически одинаковые сигналы, абсолютное значение разности которых, формируемое на выходе вычитающего усилителя 4 и поступающее на вход релейного элемента 6, не превышает заданного порога h срабатывания релейного элемента 6. Сигнал низкого уровня с выхода релейного элемента 6 поступает на управляющий вход электронного ключа 11, что соответствует разомкнутому аналоговому каналу электронного ключа 11 и отсутствию питания третьего резервного канала 16, при этом на выходе третьего резервного канала 16 будет нулевой сигнал. Одновременно сигнал низкого уровня с выхода релейного элемента 6 поступает на выход 18 и информирует об отсутствии отказа канала. Выходные сигналы нормально функционирующих каналов 14 и 15 поступают на входы 1 и 2 устройства смешанного резервирования, нулевой выходной сигнал выключенного канала 16 поступает на вход 3 устройства смешанного резервирования, при этом на выходе 13 устройства, являющегося выходом резервируемой системы, формируется выходной сигнал по принципу голосования «два из трех».

При отказе каналов 14 или 15 разность их выходных сигналов на выходе вычитающего усилителя 4 и на входе релейного элемента 6 превышает заданный порог срабатывания П релейного элемента 6, который срабатывает, и на выходе последнего появляется сигнал высокого уровня, поступающий на управляющий вход электронного ключа 11 и соответствующий замыканию аналогового канала электронного ключа, т.е. подаче питания на третий исправный резервный канал 16, находившийся ранее в холодном резерве. Одновременно сигнал высокого уровня с выхода релейного элемента 6 поступает на выход 18 и информирует о наличии сигнала отказа канала, который может быть использован для коррекции работы резервируемой системы, и включении канала, находившегося в холодном резерве. Выходной сигнал включенного исправного резервного канала 16 поступает на вход 3 устройства смешанного резервирования, второй нормальный сигнал поступает либо с выхода канала 14, либо с выхода канала 15 в зависимости от того, какой канал исправен, на вход 1 или 2 устройства смешанного резервирования. Если неисправен первый канал 14, то устройство сохраняет свойства мажоритара и приобретает свойства дублирования, при этом на выходе 13 устройства смешанного резервирования, являющегося выходом резервируемой системы, формируется выходной сигнал по принципу голосования «два из трех»: из двух нормальных и одного ложного входных сигналов. Если неисправен второй канал 15 или одновременно первый 14 и второй 15 каналы, то на выходах релейных элементов 6 и 7 установятся логические единицы, и выходные сигналы первых двух резервных каналов 14 и 15 отключаются от выхода 13 устройства смешанного резервирования, а сигнал на выходе формируется из выходного сигнала третьего резервного канала 16, то есть схема из мажоритарной становится дублирующей. В случае отказов первого 14, или второго 15, или одновременно первого 14 и второго 15 резервных каналов используется ресурс третьего резервного канала 16, его сигнал принимается за исправный, учитывая, что он находился до этого в холодном резерве. В случае восстановления работоспособности отказавшего канала, о чем будет информировать нулевой сигнал на выходе 18 устройства, питание третьего канала вновь будет выключено, и он будет находиться в холодном резерве.

Эффект от использования предлагаемого устройства смешанного резервирования в следующем. В известном устройстве [1] выходной сигнал устройства S, являющийся выходным сигналом предполагаемой резервируемой системы, формируется по принципу голосования «два из трех» выходных сигналов трех непрерывно работающих резервных каналов, которые являются входными сигналами S1, S2 и S3 устройства. В рассматриваемом случае выходной сигнал S устройства, являющийся выходным сигналом предполагаемой резервируемой системы, при нормальном функционировании первого и второго резервного каналов формируется по принципу голосования «два из трех» выходных сигналов первого и второго нормально работающих резервных каналов и нулевого выходного сигнала выключенного (находящегося в холодном резерве) третьего канала, которые являются входными сигналами S1, S2 и S3 устройства. При отказе первого резервного канала выходной сигнал S устройства формируется по принципу голосования «два из трех» выходных сигналов трех работающих резервных каналов, первый из которых неисправен. При отказе второго или одновременно первого и второго резервных каналов выходной сигнал S устройства формируется из сигнала третьего резервного канала по принципу дублирования выходных сигналов первого и второго работающего каналов, которые неисправны, сигналом третьего, принимающегося исправным, канала. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществить смешанное резервирование с использованием резервирования замещением и постоянного резервирования по принципам мажоритирования и дублирования.

В качестве элементов для реализации устройства смешанного резервирования можно использовать операционные усилители и аналоговые ключи микросхем любых серий. В качестве электронного ключа коммутирующего питание третьего резервного канала могут быть использованы интеллектуальные ключи фирмы "Siemens".

Литература

1. Патент РФ №2141130, кл. G06F 11/18 от 10.11.99 г. Мажоритарное устройство.

2. Патент РФ №2173876, кл. G06F 11/18, Н05К 10/00 от 20.09.01 г. Мажоритарное устройство.

3. Патент РФ №2174703, кл. G0F 11/18, Н05К 10/00 от 10.10.01 г. Мажоритарное устройство.

Изобретение относится к области электронной техники. Технический результат заключается в уменьшении потребления электроэнергии и повышении надежности резервируемой системы. Технический результат достигается за счет применения устройства смешанного резервирования каналов резервируемой системы. Устройство построено на базе мажоритарного устройства, но, в отличие от него, мажоритируются сигналы двух включенных нормально работающих каналов и одного выключенного рабочего канала, находящегося в холодном резерве. При наличии отказа в одном из работающих каналов автоматически включается третий рабочий канал, находившийся в холодном резерве, и сигналы этих трех работающих каналов, один из которых отказал, мажоритируются, формируя выходной сигнал резервируемой системы. При наличии отказа в другом или в обоих работающих каналах также автоматически включается третий рабочий канал, находившийся в холодном резерве, и сигналы этих трех работающих каналов, один или два из которых отказали, дублируются, формируя выходной сигнал резервируемой системы из сигнала третьего ранее выключенного резервного канала. 1 ил.

Устройство смешанного резервирования, содержащее первый и второй вычитающие усилители, первый и второй релейные элементы, первый, второй и третий ключи, сигнальные входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства и с первым, вторым и третьим выходами резервных каналов, первый из которых соединен с инвертирующим входом первого вычитающего усилителя, второй - с неинвертирующим входом первого вычитающего усилителя и с инвертирующим входом второго вычитающего усилителя, а третий - с неинвертирующим входом второго вычитающего усилителя, при этом выходы первого и второго вычитающих усилителей соединены соответственно со входами первого и второго релейных элементов, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами первого и второго ключей, сигнальные выходы которых соединены с сигнальным выходом третьего ключа и с выходом устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены четвертый ключ и логический элемент НЕ, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа, а вход - с выходом первого релейного элемента, выходом сигнала отказа резервного канала и с управляющим входом четвертого ключа, сигнальный вход которого соединен с шиной питания U_пит, а сигнальный выход - со входом питания третьего канала.