Многоканальный элемент выбора медианного сигнала Российский патент 2024 года по МПК G06G7/25 H03H17/02 

Изобретение относится к автоматике и цифровой вычислительной технике и может быть использовано для построения функциональных узлов высоконадежных технических систем автоматического регулирования и управления, в том числе резервированных систем электропитания на базе унифицированных модулей с повышенными требованиями к их живучести, работающих в космосе и рассчитанных на количество отказов более одного.

К многоканальным элементам выбора медианного сигнала, используемым в указанных областях техники, часто предъявляют еще и дополнительные требования: высокое быстродействие выбора сигнала; возможность выполнения устройства на микросхемах с высокой степенью интеграции, например, на ПЛИС и сохранение работоспособности систем электропитания при изменяющемся числе входных сигналов (в связи с отключением модулей, их выходом из строя или подключением резервных модулей) в процессе функционирования системы электропитания.

Из уровня техники известен «Медианный идентификатор» (Патент РФ №2204164, дата публикации 10.05.2003, Бюл. № 13, МПК G06G 7/25) - аналог 1. Устройство по аналогу 1 представляет собой медианный идентификатор, позволяющий определить медианный сигнал из трех входных аналоговых сигналов путем их сравнения при помощи трех компараторов с линейно изменяющимся опорным сигналом. Аналог 1 содержит три информационных входа x₁, x₂, x₃, три идентифицирующих входа у₁, у₂, у₃, настроечный вход f, вход u(t) для подключения линейно возрастающего напряжения и выходы z₁, z₂, z₃. Аналог 1 состоит из трех компараторов, двух регистров, мажоритарного логического элемента, логического элемента И, двух логических элементов ИЛИ, трех логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и трех замыкающих ключей.

Устройство по аналогу 1 можно применить для выбора медианного сигнала из 3 входных сигналов. Однако его быстродействие будет ограничено периодом изменения опорного сигнала. Медианный сигнал может быть определен с помощью данного устройства не чаще, чем один раз за период изменения опорного сигнала. Кроме того, аналог 1 имеет функциональные ограничения, заключающиеся в том, что он обеспечивает возможность обработки только трех аналоговых сигналов (N=3). При этом аналог 1 обеспечивает работу системы электропитания только до отказа одного из ее модулей, выходной сигнал которого поступает на вход медианного идентификатора, и не может работать при изменяющемся числе входных сигналов, например, при реализации систем ненагруженного резерва модулей.

Из уровня техники известен «Ранговый фильтр» (Аналог 2: Патент РФ на изобретение № 2172516, опубликован 20.08.2001, Бюл. № 23, МПК G06G 7/52). Данное устройство, в зависимости от комбинации управляющих сигналов, позволяет осуществлять быстродействующий выбор сигналов, которые имеют различные ранги: ранг минимального, ранг максимального или ранг медианного сигнала (ранг сигнала - это его номер в упорядоченном (ранжированном по величине сигнала) списке из N входных сигналов). Устройство по аналогу 2 содержит n информационных входов {x₁, x₂, …, x_n} (n - нечетное число), 2 управляющих входа f₁ и f₂ и выход Z. Кроме того, аналог 2 содержит N+1 селекторов. Селекторы {1, 2, …, N} содержат m+1 информационных входов, управляющий вход и выход. Селектор (N+1) содержит N информационных входов, управляющий вход и выход. При этом все селекторы построены на основе реляторов, каждый из которых состоит из компаратора, булевого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, замыкающего и размыкающего ключей. Величины N и m определяются следующими выражениями:

где n - количество информационных входов, N - количество селекторов, m - количество реляторов в составе каждого из селекторов {1, 2, …, N}, количество неповторяющихся сочетаний из n элементов по m+1 элементов в каждом сочетании.

Устройство по аналогу 2 можно применить для выбора медианного сигнала из N входных сигналов. Однако реализация аналога 2 на ПЛИС требует большого количества логических ячеек, число которых увеличивается по факториальному закону (например, при N=7 для реализации требуется более 4 тыс. логических ячеек, а при N=25 - более 5 млн). Таким образом, реализация устройства по аналогу 2 с достаточно большим количеством входов (11 и более) не представляется возможной ввиду отсутствия на рынке ПЛИС, обладающих требуемым количеством логических ячеек, что является недостатком аналога 2. Кроме того, аналог 2 обеспечивает работоспособность системы электропитания до отказа только половины ее модулей, выходные сигналы которых поступают на соответствующие входы селекторов в устройстве по аналогу 2. Это не позволяет применить аналог 2 для реализации систем электропитания с ненагруженным резервированием модулей, то есть систем электропитания, обладающих повышенной живучестью, обеспечивающих работоспособность при отказе более половины модулей.

Из уровня техники известен «Многоканальный элемент выбора одного из входных сигналов» (Аналог 3: Патент РФ на изобретение № 2804599, опубликован 02.10.2023 Бюл. № 28, МПК G06G 7/25 (2006.01), H03H 17/02 (2006.01), СПК H03H 17/0263 (2023.08), H03H 17/0291 (2023.08). Аналог 3 является наиболее близким к заявляемому устройству по технической сути и достигаемому техническому результату и взят за прототип.

Прототип представляет собой многоканальный элемент выбора одного из входных сигналов, реализуемый на ПЛИС средней степени интеграции, который позволяет осуществлять быстродействующий выбор сигнала заданного ранга: ранг медианного, минимального, максимального или ранг любого другого сигнала с номером от 0 до N-1 из упорядоченного списка, содержащего N входных сигналов.

Прототип содержит управляемый переключатель, блок для обработки входных сигналов, блок для задания ранга выбираемого входного сигнала. Информационные входы управляемого переключателя соединены с соответствующими информационными входами блока обработки входных сигналов. Блок для обработки входных сигналов содержит модуль ранжирования, N каналов сравнения, шифратор с функцией выявления ошибочной комбинации (далее по тексту шифратор) с основным и дополнительным выходами. Модуль ранжирования содержит N усилителей, N сумматоров, N блоков задания сигналов ранжирования. Каждый канал сравнения включает блок компараторов, состоящий из N-1 компараторов, сумматор единиц и блок сравнения, один из выходов которого образует управляющий вход канала сравнения, соединенный с выходом блока задания ранга выбираемого сигнала. Выход каждого из каналов сравнения соединен с соответствующим входом шифратора, информационный выход которого образует информационный выход блока обработки входных сигналов и соединен с управляющим входом управляемого переключателя. Выход ошибки шифратора образует дополнительный выход многоканального элемента и блока обработки входных сигналов. Неинвертирующие входы N-1 компараторов объединены и образуют опорный вход канала сравнения. Инвертирующие входы этих компараторов образуют входы сравнения каждого из каналов сравнения.

Недостаток прототипа (как и аналога 2) заключается в том, что он обеспечивает работоспособность системы электропитания только до отказа не более половины ее модулей, сигналы управляющего воздействия с которых поступают на соответствующие входы модуля ранжирования (у прототипа) и селекторов (в устройстве по аналогу 2). При отказе еще одного или более модулей вся система электропитания теряет работоспособность, что приводит к снижению ее живучести. В связи с этим прототип не может быть применен для реализации систем электропитания с ненагруженным резервированием модулей, то есть систем электропитания, обладающих повышенной живучестью и обеспечивающих работоспособность при отказе более половины модулей. Кроме того, элемент выбора медианного сигнала по прототипу не является универсальным, потому что не позволяет строить системы электропитания с любым количеством модулей от 1 до N, а также системы электропитания, рассчитанные на отказ более половины модулей в своем составе. Указанные недостатки не позволяют использовать устройство по прототипу для построения систем электропитания, работающих в космосе, например, для построения резервированных систем электропитания модульного типа с изменяемым числом модулей, с повышенными требованиями к их живучести, которые должны быть рассчитаны на количество отказов более одного.

Таким образом, указанные выше недостатки позволяют сформулировать техническую проблему, связанную с необходимостью создания многоканального универсального элемента выбора медианного сигнала, обеспечивающего реализацию высоконадежных, быстродействующих систем электропитания, обладающих повышенной живучестью, работающих в космосе, и обеспечивающих работоспособность при максимальном количестве отказов модулей, а также при изменении числа этих модулей.

Технический результат, достигаемый при решении указанной выше технической проблемы, заключается в создании быстродействующего, многоканального универсального элемента выбора медианного сигнала, осуществляющего выбор входного сигнала, имеющего медианный ранг среди набора входных сигналов, реализуемого с использованием цифровой схемотехники высокой степени интеграции, в том числе на ПЛИС, и обеспечивающего работоспособность модульных систем электропитания при изменяющемся числе входных сигналов от 1 до N, что в целом обеспечивает повышенную живучесть системы электропитания.

Для решения технической проблемы и достижения технического результата многоканальный элемент выбора медианного сигнала, как и прототип, содержит: управляемый переключатель, блок обработки входных сигналов, который включает N-канальный модуль ранжирования, N каналов сравнения и шифратор. Управляемый переключатель имеет N входов, управляющий вход и один выход, являющийся также информационным выходом многоканального элемента выбора медианного сигнала. Входы управляемого переключателя являются информационными входами многоканального элемента выбора медианного сигнала. Они соединены с N информационными входами блока обработки входных сигналов. Выход управляемого переключателя образует информационный выход многоканального элемента выбора медианного сигнала. Управляющий вход управляемого переключателя соединен с информационным выходом блока обработки входных сигналов. Блок обработки входных сигналов имеет управляющий вход и N каналов сравнения, каждый из которых включает блок компараторов. Неинвертирующие входы компараторов каждого из блоков компараторов объединены и образуют их соответствующие опорные входы. Инвертирующие входы компараторов каждого из блоков компараторов образуют входы сравнения блоков компараторов. Каждый из каналов сравнения, как и у прототипа, содержат блок компараторов, состоящий из N-1 компараторов, сумматор единиц с N-1 входами и одним выходом, а также блок сравнения с двумя входами и одним выходом. При этом выходы N-1 компараторов подключены к соответствующим входам сумматора единиц. Выход сумматора единиц каждого из каналов сравнения подключен к первому входу блока сравнения, выход которого является выходом соответствующего канала сравнения. При этом выходы всех каналов сравнения соединены соответственно со входами шифратора. Вторые входы блоков сравнения каждого канала сравнения объединены и образуют первый управляющий вход многоканального элемента выбора медианного сигнала. При этом информационный выход шифратора является информационным выходом блока обработки входных сигналов, а выход ошибки шифратора является дополнительным выходом многоканального элемента выбора медианного сигнала и блока обработки входных сигналов.

Входы блока компараторов каждого из каналов сравнения являются одноименными входами каналов сравнения. Каждый выход модуля ранжирования соединен со входами каждого канала сравнения таким образом, что первый выход модуля ранжирования подключен к опорному входу первого канала сравнения, второй выход модуля ранжирования подключен к опорному входу второго канала сравнения и далее соответственно, то есть i-тый выход модуля ранжирования подключен к опорному входу i-того канала сравнения. К остальным входам каждого из каналов сравнения подключены все оставшиеся выходы модуля ранжирования за исключением выхода, который подключен к опорному входу соответствующего канала сравнения. Каждый из входов модуля ранжирования соединен с соответствующими входами блока обработки входных сигналов.

В отличие от прототипа многоканальный элемент выбора медианного сигнала дополнительно снабжен блоком идентификации неиспользуемых входов с N входами и двумя выходами, при этом каждый из N входов подключен соответственно к N входам многоканального элемента выбора медианного сигнала. Первый выход блока идентификации неиспользуемых входов соединен со вторым управляющим входом блока обработки входных сигналов, который образован объединенными вторыми входами каждого из каналов сравнения, причем вторые входы каждого из каналов сравнения образованы дополнительно введенными вычитающими входами сумматоров всех каналов сравнения. А второй выход блока идентификации неиспользуемых входов соединен с первым управляющим входом блока обработки входных сигналов.

В частном случае блок идентификации неиспользуемых входов содержит N блоков сравнения сигналов с нулем, сумматор, блок округления до ближайшего меньшего или равного четного числа, блок задающей константы, равной количеству входов элемента выбора, сумматор-вычитатель и блок деления на два. Входы каждого блока сравнения с нулем образуют соответственно входы блока идентификации неиспользуемых входов, а их выходы подключены ко входам сумматора. Выход сумматора подключен ко входу блока округления до ближайшего меньшего или равного четного числа, выход которого образует первый выход блока идентификации неиспользуемых входов и подключен к вычитающему входу сумматора-вычитателя, суммирующий вход которого подключен к выходу блока задающей константы, а выход сумматора-вычитателя подключен ко входу блока деления на два, выход которого образует второй выход блока идентификации неиспользуемых входов.

В частном случае управляемый переключатель многоканального элемента выбора медианного сигнала выполнен в виде мультиплексора.

В частном случае все блоки многоканального элемента выбора медианного сигнала реализованы с использованием цифровой схемотехники высокой степени интеграции, например, на ПЛИС.

В известных авторам источниках научно-технической и патентной информации не обнаружен универсальный многоканальный элемент выбора медианного сигнала, обеспечивающий реализацию высоконадежных, быстродействующих технических систем автоматического регулирования и управления, обладающих повышенной живучестью, работающих в космосе и обеспечивающих сохранение работоспособности системы при отказе до N-1 модулей, входящих в эту систему.

Техническая суть заявляемого изобретения поясняется, чертежами, где на фиг. 1 показана функциональная схема многоканального элемента выбора медианного сигнала. На фиг. 2 показаны диаграммы входных и выходных сигналов 25-канального элемента выбора медианного сигнала поясняющие его работу при отказе 12 модулей в составе системы. На фиг. 3 показаны диаграммы входных и выходных сигналов 25-канального элемента выбора медианного сигнала поясняющие его работу при отказе 22 модулей в составе системы. На фиг. 4 показаны диаграммы входных и выходных сигналов 25-канального элемента выбора медианного сигнала поясняющие его работу при отказе 24 модулей в составе системы. На фиг. 5 показаны диаграммы входных и выходных сигналов 25-канального элемента выбора медианного сигнала, поясняющие его работу при отключении 16 модулей и последующем включении 5 модулей.

На представленных фигурах приняты следующие обозначения:

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1 - управляемый переключатель;

2 - блок обработки входных сигналов;

3 - блок идентификации неиспользуемых входов;

4 - модуль ранжирования;

5₁, 5₂, …, 5_i, …, 5_N - каналы сравнения;

6₁, 6₂, …, 6_i, …, 6_N - усилители модуля ранжирования;

7₁, 7₂, …, 7_i, …, 7_N - сумматоры модуля ранжирования;

8₁, 8₂, …, 8_i, …, 8_N - блоки задания сигналов модуля ранжирования;

9 - шифратор с функцией выявления ошибочной комбинации;

10₁, 10₂, …, 10_i, …, 10_N - блоки компараторов в соответствующих каналах сравнения 5₁, 5₂, …, 5_i, …, 5_N (блоки компараторов 10₂, …, 10_i, …, 10_N соответствующих каналам сравнения, 5₂, …, 5_i, …, 5_N; на фиг.1 не показаны);

11₁, 11₂, …, 11_i, …, 11_N-1 - компараторы соответствующих блоков компараторов 10₁, 10₂, …,10_i, …, 10_N;

12₁, 12₂, …, 12_i, …, 12_N - сумматоры-вычитатели каналов сравнения 5₁, 5₂, …, 5_i, …, 5_N (сумматоры-вычитатели 12₂, …, 12_i, …, 12_N на фиг.1 не показаны);

13₁, 13₂, …, 13_i, …, 13_N - блоки сравнения каналов сравнения 5₁, 5₂, …5_i, …, 5_N (блоки сравнения 13₂, …, 13_i, …, 13_N на фиг.1 не показаны);

14 - шина, образованная соединительными проводниками in1, in2, …, ini,…, inN;

15 - шина, образованная соединительными проводниками rs1, rs2, …, rsi, …, rsN;

16₁, 16₂, …, 16_i, …, 16_N - блоки сравнения сигнала с нулем блока идентификации 3;

17 - сумматор блока идентификации 3;

18 - блок округления до ближайшего меньшего или равного четного числа;

19 - константа, равная количеству входов элемента выбора;

20 - сумматор-вычитатель;

21 - блок деления на 2;

In1, In2, …, Ini,…, InN - информационные входы многоканального элемента выбора медианного сигнала, на которые подаются соответственно входные сигналы Xc1, Xc2, …, Xci,…, XcN многоканального элемента выбора медианного сигнала (входные сигналы на чертеже не показаны);

Err - дополнительный выход многоканального элемента выбора медианного сигнала и блока обработки входных сигналов 2;

Inf1, Inf2, …, Infi, …, InfN - информационные входы управляемого переключателя 1;

Is1, Is 2, …, Is i, …, IsN - входы блока идентификации неиспользуемых входов 3;

Add - управляющий (адресный) вход управляемого переключателя 1;

Out - выход управляемого переключателя 1и информационный выход многоканального элемента выбора медианного сигнала;

P1, P2, …, Pi, …, PN - входы блока обработки входных сигналов 2;

in1, in2, …, ini,…, inN - обозначения соединительных проводников, образующих шину 14, для соединения информационных входов In1, In2, …, Ini,…, InN и входов P1, P2, …, Pi, …, PN блока обработки входных сигналов 2;

Cn - информационный (адресный) выход блока обработки входных сигналов 2 и многоканального элемента выбора медианного сигнала;

A1, A2, …, Ai, …, AN - входы модуля ранжирования 4;

R1, R2, …, Ri, …, RN - выходы модуля ранжирования 4;

rs1, rs2, …, rsi, …, rsN - соединительные проводники, образующие шину 15 для соединения выходов модуля ранжирования 4 с соответствующими входами каналов сравнения 5₁, 5₂, …5_i, …, 5_N;

S1_i (i ∈ {1, 2, …, N}) - опорные входы i-ого канала сравнения 5₁, 5₂, …5_i, …, 5_N;

S2_i, S3_i, …, SN_i (i ∈ {1, 2, …, N}) - входы сравнения i-ого канала сравнения 5₁, 5₂, …5_i, …, 5_N;

f_i1 (i ∈ {1, 2, …, N}) - первые управляющие входы f11, f21, …, fi1, …, fN1, i-ого канала сравнения 5₁, 5₂, …5_i, …, 5_N;

f_i2 (i ∈ {1, 2, …, N}) - вторые управляющие входы f12, f22, …, fi2, …, fN2, i-ого канала сравнения 5₁, 5₂, …5_i, …, 5_N;

f₁ - первый управляющий вход блока обработки входных сигналов 2;

f₂ - второй управляющий вход блока обработки входных сигналов 2;

Q_i (i ∈ {1, 2, …, N}) - выход i-ого канала сравнения 5₁, 5₂, …5_i, …, 5_N;

D1, D2, …, Di, …, DN - входы шифратора 9 с функцией выявления ошибочной комбинации;

U - выход блока идентификации неиспользуемых входов 3, несущий информацию о количества неиспользуемых входов;

M - выход блока идентификации неиспользуемых входов 3, несущий информацию о ранге медианного сигнала;

Y - информационный выход шифратора 9 с функцией выявления ошибочной комбинации;

E - выход ошибки шифратора 9 с функцией выявления ошибочной комбинации.

На фиг. 2-5 приняты следующие обозначения:

Xc1, Xc2, …, Xci, …, Xc25 - входные синусоидальные сигналы 25-канального элемента выбора медианного сигнала с фазовым сдвигом друг относительно друга, равным и постоянной составляющей. Сигналы показаны пунктирными линиями.

Out - выходной сигнал 25-канального элемента выбора на выходе управляемого переключателя 1; Сигнал выделен жирной линией.

Время по оси Х обозначено в секундах.

Работа многоканального элемента выбора медианного сигнала рассмотрена на примере конкретного выполнения 25-канального элемента выбора медианного сигнала из 25 входных сигналов - Xc1, Xc2, …, Xci, …, Xc25. Все блоки функциональной схемы многоканального элемента фиг. 1 реализованы на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) типа Altera Cyclone IV EP4CE115F29C7.

Работа заявляемого устройства заключается в следующем.

Входные сигналы Xc1, Xc2, …, Xci, …, Xc25, поступающие на информационные входы In1, In2, …, Ini, …, InN многоканального элемента выбора медианного сигнала (элемента выбора), одновременно поступают на информационные входы Inf1, Inf2, …, Infi, …, InfN управляемого переключателя 1, на входы P1, P2, …, Pi, …, PN блока обработки входных сигналов 2 и на входы Is1, Is 2, …, Is i, …, IsN блока 3 идентификации неиспользуемых входов.

Блок идентификации неиспользуемых входов 3 вычисляет округленное до ближайшего меньшего или равного четного числа количество неиспользуемых входов элемента выбора и передает результат на выход U. На выходе M данного блока формируется число, равное рангу сигнала, занимающего медианное положение среди оставшихся используемых входов. Вход блока 3 считается неиспользуемым, если на него подается отрицательное число (например, -1).

Блок 2 обработки входных сигналов, в соответствии со значением сигнала на его управляющем входе f1, подключенном к выходу M блока 3 идентификации неиспользуемых входов, выбирает из входных сигналов тот сигнал, ранг которого совпадает с рангом, вычисленным с помощью блока 3 (блока идентификации неиспользуемых входов), и формирует на информационном (адресном) выходе Cn сигнал, который поступает на управляющий вход Add управляемого переключателя 1. Управляемый переключатель 1 обеспечивает подключение к своему выходу Out того входного сигнала, ранг которого совпадает с рангом, заданным на выходе M блока 3. Ранг сигнала в упорядоченной по величине выборке из N сигналов определяется числом сигналов выборки, меньших этого сигнала по величине. Таким образом, для минимального сигнала ранг r_min = 0, для максимального r_max = N-1. Ранг медианного сигнала для N-канального элемента выбора, имеющего X неиспользуемых входов, рассчитывается по следующей формуле:

где искомый ранг медианного сигнала, N - количество входных сигналов элемента выбора, число X неиспользуемых входов, округленное до ближайшего меньшего или равного четного числа, операция округления до целого в меньшую сторону. Таким образом, при выборе медианного сигнала из 25 произвольно меняющихся входных сигналов Xc1, Xc2, …, Xci, …, Xc25 ранг медианного сигнала в соответствии с формулой (3) равен r_med = 12, если число неиспользуемых входов элемента равно нулю. Вычисленное значение r_med формируется на выходе M блока 3.

Нормальная работа устройства обеспечивается модулем ранжирования 4, который для корректного определения сигнала, имеющего нужный ранг, доопределяет ранг входных сигналов в случае поступления на входы равных сигналов. Для этого необходимо обеспечить, чтобы значения всех сигналов, поступающих на входы S1, S2, …, Si, …, SN каналов сравнения 5₁, 5₂, …, 5_i, …, 5₂₅ отличались друг от друга. Это обеспечивается путем ранжирования. Под ранжированием будем понимать добавление к величине входного сигнала величины равной номеру канала, на который поступает этот сигнал. Для того, чтобы данная добавка не влияла на ранг сигнала, необходимо масштабировать сигнал по величине, увеличив его в раз. Ранжирование осуществляется путем выполнения следующих математических операций (4)-(6):

где i - номер канала элемента выбора (i=1.. N), Xc_ini - i-ый входной сигнал элемента выбора, 2^K - коэффициент масштабирования (коэффициент усиления каждого усилителя 6₁, 6₂, …, 6_i, …, 6_N модуля ранжирования 4), необходимый для обеспечения несущественности вносимой добавки (значения выходного сигнала блока задания сигнала ранжирования 8_i) обеспечивающей строгое неравенство ранжированных сигналов, не влияя при этом на их ранги, K - количество двоичных разрядов, необходимых для добавления несущественной добавки ко входным сигналам элемента выбора, Xc_rsi - i-ый ранжированный сигнал (поступает на соответствующий выход Ri модуля ранжирования 4), операция округления до целого в большую сторону.

При N=25 коэффициенты усиления всех усилителей 6₁, 6₂, …, 6_i, …, 6₂₅, в соответствии с формулами (4) и (6), устанавливаются равными 2⁵ = 32. На выходах блоков задания сигналов ранжирования 8₁, 8₂, …, 8_i, …, 8₂₅ устанавливаются значения констант рассчитанных по выражению (5) и соответственно равных: 0, 1, 2, …24. Таким образом, многоканальный элемент выбора сможет определить медианный сигнал даже при равных величинах всех входных сигналов.

Ранжированные выходные сигналы Xc_rsi с выходов R1, R2, …, Ri, …, R25 модуля ранжирования 4 поступают соответственно на опорные входы S1_i, каждого i-того из каналов сравнения 5₁, 5₂, …, 5_i, …, 5₂₅, определяя тем самым опорные сигналы каждого из каналов сравнения. На входы сравнения S2_i, S3_i, …, SN_i каждого i-ого канала сравнения 5₁, 5₂, …5_i, …, 5₂₅ поступают соответственно выходные сигналы Xc_rsi с тех же выходов R1, R2, …, Ri, …, R25, за исключением выходов, соответственно подключенных к опорному входу S1_i каждого из каналов сравнения 5_i, определяя тем самым сигналы, которые будут сравниваться с опорным сигналом соответствующего канала сравнения. Благодаря такому подключению в первом канале сравнения 5₁ ранжированный выходной сигнал Xc_rs1 с выхода R1 сравниваются с остальными ранжированными выходными сигналами Xc_rsi (кроме сравнения с самим собой при i = 1), которые поступают с выходов R2, …, Ri, …, R25. Во втором канале сравнения 5₂ ранжированный выходной сигнал Xc_rs2 с выхода R2 сравнивается с остальными ранжированными выходными сигналами X_Crsi (кроме сравнения с самим собой при i = 2), которые поступают с выходов R1, R3…, Ri, …, R25. И так далее во всех каналах сравнения, реализуя тем самым сравнение каждого из ранжированных сигналов модуля ранжирования 4, с опорным, обеспечивая при этом неповторяющиеся сочетания оставшихся сигналов и реализуя определение ранга сигнала, выступающего в качестве опорного в соответствующем канале сравнения 5_i. Таким образом первый канал сравнения 5₁ определяет ранг ранжированного сигнала с выхода R1 модуля ранжирования 4, второй канал сравнения 5₂ определяет ранг ранжированного сигнала с выхода R2 модуля ранжирования 4 и так далее до 25 канала сравнения 5₂₅, который определяет ранг ранжированного сигнала с выхода R25 модуля ранжирования 4.

Определение ранга сигнала, который играет роль опорного сигнала в соответствующем i-том канале сравнения 5_i реализуется, например, для первого канала сравнения с помощью блока компараторов 10₁ и компараторов 11₁, 11₂, …, 11_i, …, 11₂₄. На объединенные неинвертирующие входы данных компараторов поступает соответствующий опорный сигнал с выхода R1 модуля ранжирования 4, а на входы сравнения (инвертирующие входы компараторов 11₁, 11₂, …, 11_i, …, 11₂₄) - остальные сигналы R2, R3 …, Ri, …, R25 модуля ранжирования 4. На выходе каждого из компараторов 11₁, 11₂, …, 11_i, …, 11₂₄ формируется сигнал «0», если опорный сигнал меньше соответствующего сравниваемого сигнала, и сигнал «1», если опорный сигнал больше сравниваемого. Сигналы компараторов 11₁, 11₂, …, 11_i, …, 11₂₄ суммируются с помощью сумматора-вычитателя 12₁, на вычитающий вход которого поступает сигнал f₁₂ с выхода U блока 3 идентификации неиспользуемых входов. Значение этого сигнала равно количеству неиспользуемых входов (входов, на которые поступает сигнал, имеющий отрицательное значение) элемента выбора. Так как на неиспользуемые входы элемента выбора поступают сигналы, имеющий отрицательное значение, в упорядоченной по величине выборке входных сигналов эти сигналы будут иметь наименьший ранг (ранг любого из X неиспользуемых входов N-канального элемента выбора не может быть больше, чем X-1. При этом ранг сигнала, имеющего наименьшее значение среди используемых, равен X). При этом, значение сигнала на выходе U равно либо X, если Х - четное число, либо X-1, если X - нечетное число. Таким образом, при вычитании значения сигнала на выходе U, поступающего через управляющий вход f₁₂ на все каналы сравнения 5_i, из суммы единиц на входах сумматора-вычитателя 12₁ будет либо отрицательное число, либо 0, если вход In1 элемента выбора является неиспользуемым. Если на выходе сумматора-вычитателя 12₁ формируется 0, это свидетельствует о том, что соответствующий входной сигнал либо имеет минимальный ранг, а не медианный, либо, что все остальные сигналы на входах элемента выбора также являются неиспользуемыми. В случае, если вход In1 является используемым (на него подается неотрицательное число), на выходе сумматора-вычитателя 12₁ формируется число, равное числу используемых сигналов, которые меньше опорного сигнала, что равносильно по определению рангу опорного сигнала среди используемых сигналов. Далее это число, определяющее ранг опорного сигнала среди используемых сигналов, сравнивается в блоке сравнения 13₁ с числом, заданным с помощью сигнала на выходе M блока 3 идентификации неиспользуемых входов. Это число, равное рангу медианного сигнала среди используемых сигналов, поступает через управляющий вход f₁₁ на второй вход блока сравнения 13₁ канала сравнения 5₁ и через соответствующие управляющие входы f_i1 на все каналы сравнения 5_i. Если ранг опорного сигнала в любом из каналов сравнения равен рангу, заданному блоком 3, то на соответствующем выходе Q_i канала сравнения 5_i формируется сигнал «1», а если ранг опорного сигнала не равен рангу, заданному блоком 3 (больше или меньше), то на соответствующем выходе Q_i формируется сигнал «0». Число каналов сравнения, равное числу входных сигналов и их параллельная (одновременная) работа обеспечивает быстродействие, зависящее только от параметров ПЛИС.

Выходные (цифровые) сигналы «0» или «1» с выходов Q₁, Q₂, …, Q_i, …, Q₂₅ (несущие информацию о соответствии ранга опорного сигнала канала сравнения рангу, заданному с помощью блока 3) каналов сравнения 5₁, 5₂, …, 5_i, …, 5₂₅ поступают на входы D1, D2, … Di, …, D25 шифратора 9 с функцией определения ошибочной комбинации. На информационном выходе Y шифратора 9 с функцией выявления ошибочной комбинации формируется сигнал, несущий информацию о номере канала сравнения 5_i, на который поступает сигнал, имеющий заданный ранг. Этот сигнал передается через информационный выход Cn блока обработки входных сигналов 2, на управляющий (адресный) вход Add управляемого переключателя 1. Этот сигнал обеспечивает подключение входа Ini многоканального элемента выбора, соответствующий каналу сравнения 5_i, на опорный вход которого поступает сигнал, имеющий заданный ранг, на выход Out многоканального элемента выбора. Кроме того, в случае возникновения ошибок при работе каналов сравнения, например, выявление нескольких сигналов, имеющих заданный ранг, на выходе E шифратора 9 генерируется сигнал ошибки, передаваемый на выход Err элемента выбора. Логика работы шифратора 9 с функцией выявления ошибочной комбинации поясняется таблицей истинности (таблица 1).

Таблица 1 - Таблица истинности шифратора 9 с функцией определения ошибочной комбинации

Вход Di шифратора Выход Y Выход E D1 D2 D3 D4 D5 … DN 1 1 0 0 0 0 0 1 0 2 0 1 0 0 0 0 2 0 3 0 0 1 0 0 0 3 0 4 0 0 0 1 0 0 4 0 5 0 0 0 0 1 0 5 0 … … N 0 0 0 0 0 1 N 0 Все остальные (неверные) комбинации X 1

X - выходной сигнал не имеет значения, т.к. выявлена ошибка при работе устройства

Таблица истинности шифратора 9 условно разделена на две части - верные и неверные комбинации. Верными комбинациями сигналов на входах D1, D2, … Di, …, D25 шифратора 9 с функцией определения ошибочной комбинации назовем такие комбинации, при которых только на одном из названных входов существует сигнал «1», а на остальных входах только сигналы «0». Тогда таблица истинности верных комбинаций шифратора на N входов будет представлять собой единичную матрицу, что будет соответствовать поступлению на i-ый вход шифратора логической единицы, а на все остальные - логических нулей. При этом i-ый номер входа шифратора будет совпадать с i-ым номером комбинации. Неверными комбинациями будут являться все оставшиеся случаи (комбинации), в которых логическая единица будет присутствовать на более, чем одном входе, или отсутствовать вовсе. В соответствии с таблицей истинности при поступлении на входы шифратора верной комбинации, на выходе Y формируется сигнал, представление которого в десятичной системе счисления равно номеру i-того канала сравнения 5_i, на который поступил сигнал, имеющий заданный блоком 3 ранг среди всех входных сигналов. Ошибочными являются все комбинации, при которых на входы шифратора приходит не одна логическая единица, что свидетельствует о том, что сигнал заданного ранга не был найден, или было найдено несколько сигналов заданного ранга. Это утверждение является верным для любого набора сигналов, в котором исключены сигналы одного ранга, что обеспечивается введением модуля ранжирования 4 и его настройкой. Поэтому можно утверждать, что существует только один сигнал каждого ранга (даже для равных сигналов), а нахождение нескольких сигналов одного ранга или не нахождение ни одного сигнала искомого ранга свидетельствует об ошибке, возникшей при работе устройства. При поступлении на входы D1, D2, …, Di, …, D25 шифратора 9 неверной комбинации сигналов, на его втором (дополнительном) выходе E формируется логическая единица, информирующая о возникшей ошибке.

В соответствии с таблицей истинности при поступлении на i-ый вход шифратора 9 логической единицы, а на все остальные - логических нулей (верная комбинация, что свидетельствует о том, что сигнал Xci, поступающий на вход Ini элемента выбора, имеет ранг, соответствующий заданному блоком 3), на выходе Y формируется сигнал, представление которого в десятичной системе счисления соответствует номеру соответствующего i-ого канала сравнения 5_i. Сигнал с выхода Y поступает на управляющий вход Add управляемого переключателя 1, который подключает на свой выход Out, тот из входов Ini, сигнал которого подается на опорный вход канала сравнения 5_i, определившего заданный ранг. По выполняемой функции управляемый переключатель 1 фиг. 1 реализован в виде мультиплексора.

Для проверки работоспособности предлагаемого 25-канального элемента выбора медианного сигнала при изменяющихся входных сигналах на его информационные входы были поданы 25 входных сигналов Хс1-Хс25 (см. фиг. 2-5). Входные сигналы 25-канального элемента выбора медианного сигнала представляют собой дискретные (цифровые) синусоиды Xc1, Xc2, …, Xci, …, Xc25 (обозначены прерывистыми линиями), с фазовым сдвигом друг относительно друга, равным и постоянной составляющей. Амплитуда синусоиды каждого входного сигнала составляет 2¹⁴-1, а постоянная составляющая 2¹⁴=16384 (относительных единиц). Максимальная величина сигнала равна 32767 относительных единицы. Частота входных сигналов составляет 1 кГц (период 1 миллисекунда). При заданном фазовом сдвиге величина, а значит и ранг, каждого из входных сигналов изменяется с частотой 25 раз за период входного сигнала, что явно отражается на временной диаграмме выхода Out управляемого переключателя 1 (фиг. 1). Временная диаграмма выхода Out показана на фиг. 2-5 жирной сплошной линией.

На фиг. 2 представлены диаграммы входных и выходных сигналов элемента выбора медианного сигнала при имитации отказа 12 из 25 модулей в составе системы. На фиг. 3 представлены диаграммы входных и выходных сигналов элемента выбора медианного сигнала при имитации отказа 22 из 25 модулей в составе системы. На фиг. 4 представлены диаграммы входных и выходных сигналов элемента выбора медианного сигнала при имитации отказа 24 из 25 модулей в составе системы. По представленным диаграммам видно, что предложенный элемент выбора медианного сигнала корректно определяет медианный сигнал при отказе модулей в составе системы. В отличие от рассмотренных аналогов и прототипа предложенный элемент выбора позволяет сохранить работоспособность системы при отказе более половины модулей в составе системы (система остается работоспособной при отказе вплоть до N-1 модулей).

На фиг. 5 показаны диаграммы входных и выходных сигналов 25-канального элемента выбора медианного сигнала, поясняющие его работу при отключении и включении модулей в составе системы (имитация ввода и вывода модулей в режим ненагруженного резерва). Начиная с 0,2 мс (фиг. 5) через равные промежутки времени по очереди отключаются 16 модулей в составе системы (имитация их ввода в ненагруженный резерв, отключения от системы или выхода из строя). Затем, начиная с 0,8 мс через равные промежутки времени 5 модулей по очереди включаются (имитация их вывода из ненагруженного резерва или подключения к системе, например, в случае замены вышедших из строя модулей). При этом, в каждый момент времени выходным сигналом элемента выбора является тот сигнал, который среди оставшихся имеет ранг медианного.

Таким образом, многоканальный элемент выбора медианного сигнала, согласно заявляемого изобретения, позволяет решить поставленную техническую проблему и достигнуть технического результата, заключающегося в создании быстродействующего, многоканального элемента выбора медианного сигнала, осуществляющего выбор входного сигнала, имеющего медианный ранг среди набора входных сигналов, реализуемого с использованием цифровой схемотехники высокой степени интеграции, в том числе на ПЛИС, и обеспечивающего работоспособность технических систем автоматического регулирования и управления (модульных систем электропитания) при изменяющемся числе входных сигналов от 1 до N, что в целом обеспечивает живучесть технической системы и универсальность элемента выбора при применении в технических системах с разным числом модулей (входных сигналов). Предложенная реализация элемента выбора с двадцатью пятью входами, предназначенного для определения медианного сигнала, занимает 8583 логических ячейки на ПЛИС Altera Cyclone IV EP4CE115F29C7 (7,4% от общего числа доступных логических ячеек). Схема собрана на доступных (серийно выпускаемых) комплектующих, с возможностью многократного воспроизведения. Для выбранной ПЛИС была установлена тактовая частота, равная 200 МГц. При этом время вычисления медианного сигнала не превышает одного периода тактового сигнала - 5 нс, что обеспечивает высокое быстродействие заявляемого многоканального элемента выбора медианного сигнала.

Особенно важны такие устройства (многоканальные элементы выбора) при построении конфигурируемых систем автоматического управления, например, систем стабилизации выходных параметров в модульных источниках электропитания с несколькими первичными источниками и накопителями электроэнергии, когда количество модулей, первичных источников и накопителей изменяется в зависимости от изменения внешних условий и технического состояния модулей, например, при включении и отключении модулей, находящихся в холодном резерве, или при уменьшении их количества по мере выхода из строя. При изменении числа модулей, естественно, изменяется и число входных сигналов, которые обрабатываются многоканальными элементами выбора медианного сигнала. Такие устройства позволяют также отказаться от деления модулей на ведущего и ведомых и сделать все модули равноправными. Кроме обеспечения необходимого количества отказов при сохранении заданной мощности, существует также необходимость повышения живучести технических систем при большем количестве отказов, в том числе и с уменьшением ее выходной мощности, что опять приводит к изменению числа входных сигналов, обрабатываемых устройствами выбора медианного сигнала. Кроме того, на базе таких устройств могут быть построены универсальные системы автоматического управления, рассчитанные на любое количество подключенных модулей от 1 до N (при использовании N-канального элемента выбора медианного сигнала). В случае, если в технических системах используется разное число модулей, например, 3, 5, 7, 9,..., N и так далее, то часто удобнее в них использовать универсальный элемент выбора с максимальным числом входов (равным максимальному числу N модулей в системе, объявив незадействованные входы, как неиспользуемые.

Изобретение относится к автоматике и цифровой вычислительной технике и может быть использовано для построения функциональных узлов высоконадежных технических систем автоматического регулирования и управления, в том числе резервированных систем электропитания. Техническим результатом является создание быстродействующего, многоканального универсального устройства, осуществляющего выбор входного сигнала, имеющего медианный ранг среди набора входных сигналов. Устройство содержит управляемый переключатель, блок обработки входных сигналов, который содержит модуль ранжирования, состоящий из N усилителей, N сумматоров и N блоков задания сигналов ранжирования, N каналов сравнения, каждый из которых содержит блок компараторов, сумматор-вычитатель и блок сравнения, шифратор с основным и дополнительным выходами, и блок идентификации неиспользуемых входов, содержащий N блоков сравнения с нулем, сумматор с N входами, блок округления до ближайшего меньшего или равного четного числа, блок задающей константы, равной количеству входов многоканального элемента выбора, сумматор-вычитатель и блок деления на два. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Многоканальный элемент выбора медианного сигнала, содержащий управляемый переключатель и блок обработки входных сигналов, который включает N-канальный модуль ранжирования, N каналов сравнения и шифратор; при этом управляемый переключатель имеет N входов, управляющий вход и один выход, являющийся также информационным выходом многоканального элемента выбора медианного сигнала; входы управляемого переключателя являются информационными входами многоканального элемента выбора медианного сигнала сигналов и соединены с N информационными входами блока обработки входных сигналов, а управляющий вход управляемого переключателя соединен с информационным выходом блока обработки входных сигналов; блок обработки входных сигналов имеет управляющий вход и N каналов сравнения, каждый из которых включает блок компараторов, неинвертирующие входы компараторов каждого из блоков компараторов объединены и образуют их соответствующие опорные входы, а инвертирующие входы компараторов каждого из блоков компараторов образуют входы сравнения блоков компараторов; каждый из каналов сравнения содержит: блок компараторов, состоящий из N-1 компаратора, сумматор единиц с N-1 входами и одним выходом, а также блок сравнения с двумя входами и одним выходом, при этом выходы N-1 компараторов подключены к соответствующим входам сумматора единиц, а выход сумматора единиц каждого из каналов сравнения подключен к первому входу блока сравнения, выход которого является выходом соответствующего канала сравнения, при этом выходы всех каналов сравнения соединены соответственно со входами шифратора, вторые входы блоков сравнения каждого канала сравнения объединены и образуют первый управляющий вход многоканального элемента выбора медианного сигнала, при этом информационный выход шифратора является информационным выходом блока обработки входных сигналов, а выход ошибки шифратора является дополнительным выходом многоканального элемента выбора медианного сигнала и блока обработки входных сигналов, при этом входы блока компараторов каждого из каналов сравнения являются одноименными входами каналов сравнения; каждый выход модуля ранжирования соединен со входами каждого канала сравнения, таким образом, что первый выход модуля ранжирования подключен к опорному входу первого канала сравнения, второй выход модуля ранжирования подключен к опорному входу второго канала сравнения и далее соответственно, то есть i-й выход модуля ранжирования подключен к опорному входу i-го канала сравнения, к остальным входам каждого из каналов сравнения подключены все оставшиеся выходы модуля ранжирования за исключением выхода, который подключен к опорному входу соответствующего канала сравнения, кроме того, каждый из входов модуля ранжирования соединен с соответствующими входами блока обработки входных сигналов, отличающийся тем, что многоканальный элемент выбора медианного сигнала дополнительно снабжен блоком идентификации неиспользуемых входов с N входами и двумя выходами, при этом каждый из N входов подключен соответственно к N входам многоканального элемента выбора медианного сигнала, а первый выход блока идентификации неиспользуемых входов соединен со вторым управляющим входом блока обработки входных сигналов, который образован объединенными вторыми входами каждого из каналов сравнения, причем упомянутые вторые входы каждого из каналов сравнения образованы дополнительно введенными вычитающими входами сумматоров всех каналов сравнения, а второй выход блока идентификации неиспользуемых входов соединен с первым управляющим входом блока обработки входных сигналов.

2. Многоканальный элемент выбора медианного сигнала по п.1, отличающийся тем, что блок идентификации неиспользуемых входов содержит N блоков сравнения сигналов с нулем, сумматор, блок округления до ближайшего меньшего или равного четного числа, блок задающей константы, равной количеству входов элемента выбора, сумматор-вычитатель и блок деления на два; входы каждого блока сравнения с нулем образуют соответственно входы блока идентификации неиспользуемых входов, а их выходы подключены ко входам сумматора, причем выход сумматора подключен ко входу блока округления до ближайшего меньшего или равного четного числа, выход которого образует первый выход блока идентификации неиспользуемых входов и подключен к первому входу сумматора-вычитателя, второй вход которого подключен к выходу блока задающей константы, а выход сумматора-вычитателя подключен ко входу блока деления на два, выход которого образует выход блока идентификации неиспользуемых входов.

3. Многоканальный элемент выбора медианного сигнала по п.1, отличающийся тем, что управляемый переключатель многоканального элемента выбора медианного сигнала выполнен в виде мультиплексора.

4. Многоканальный элемент выбора медианного сигнала по пп.1-3, отличающийся тем, что все блоки многоканального элемента выбора медианного сигнала реализованы с использованием цифровой схемотехники высокой степени интеграции, например, на ПЛИС.