informИнформатикаInformatics1816-03012617-6963UIIP NASB10.37661/1816-0301-2020-17-2-71-85inform-900Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯCOMPUTER AIDED DESIGNСхема коррекции сигналов для комбинационных устройств автоматики на основе логического дополнения с контролем вычислений по паритетуSignal correction for combinational automation devices on the basis of Boolean complement with control of calculations by parityСапожниковВ. В.SapozhnikovV. V.

Сапожников Валерий Владимирович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»

SPIN-код: 7302-9226

Санкт-Петербург

Valery V. Sapozhnikov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of "Automation and Remote Control on Railways" Department

Saint Petersburg

port.at.pgups@gmail.comСапожниковВл. В.SapozhnikovVl. V.

Сапожников Владимир Владимирович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»

SPIN-код: 5606-0847

Санкт-Петербург

Vladimir V. Sapozhnikov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of "Automation and Remote Control on Railways" Department

Saint Petersburg

at.pgups@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4563-6411ЕфановД. В.EfanovD. V.

Ефанов Дмитрий Викторович, доктор технических наук, доцент, руководитель направления комплексных систем управления; профессор кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»

SPIN-код: 1663-0900

Москва

Dmitry V. Efanov, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head  of  Integrated  Control  Systems  Division; Professor of "Automation, Remote Control and Communication on Railway Transport" Department

Moscow

TrES-4b@yandex.ruПетербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра IEmperor Alexander I St. Petersburg State Transport UniversityООО «ЛокоТех-Сигнал»; Российский университет транспорта"LocoTech-Signal" LLC; Russian University of Transport2020030320201727185Copyright © Сапожников В.В., Сапожников В.В., Ефанов Д.В., 20202020Сапожников В.В., Сапожников В.В., Ефанов Д.В.Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov V.V., Efanov D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://inf.grid.by/jour/article/view/900

Предложена более простая структура системы с коррекцией ошибок в вычислениях, чем известные структуры, основанные на дублировании и троировании блоков с мажоритарным принципом выбора значений сигналов. Новую отказоустойчивую структуру целесообразно использовать для устройств автоматики с комбинационной логикой. При синтезе отказоустойчивой структуры применяется метод паритета для установления факта возникновения неисправности в контролируемом объекте и метод логического дополнения для определения неправильно вычисленных выходных функций и формирования сигналов для их коррекции. Приведена структурная схема системы с коррекцией ошибок и дано ее описание. Представлен алгоритм синтеза контрольного оборудования с минимизацией сложности его технической реализации. Результаты экспериментов с контрольными комбинационными схемами подтверждают высокую эффективность применения предложенной структуры системы с коррекцией ошибок.

Simpler than known structure of the system with error correction in calculations is proposed based on duplication and triplication of blocks with majority principle of choosing the values of signals. It is advisable to use the new fault-tolerant structure for automation devices with combinational logic. In fault-tolerant structure synthesis, the parity method is used to establish the fact of a fault in the main logic unit and the logical complement method is used determine incorrectly calculated output functions and to generate signals for their correction. The method also allows to adjust the values of incorrectly calculated functions. Structural diagram and description of error correction system are given. The synthesis algorithm of control equipment is described with minimization of the technical implementation complexity. The experiment results with control combinational circuits are given, confirming the high efficiency of proposed system structure with error correction.

комбинационные устройства автоматикисистемы с обнаружением неисправностейсистемы с коррекцией ошибок в вычисленияхотказоустойчивые системыдублированиетроированиемажоритарный принцип контроляметод логического дополнениякод паритетаcombinational automation devicesfault-detection systemssystems with error correction in calculationsfault-tolerant systemsfailure redundancytriplicationmajority control principleBoolean complement methodparity codeReferencesСогомонян, Е. С. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы / Е. С. Согомонян, Е. В. Слабаков. – М. : Радио и связь, 1989. – 208 с.Sogomonyan E. S., Slabakov E. V. Samoproveryaemye ustrojstva i otkazoustojchivye sistemy. Self-checking Devices and Fault-tolerance Systems. Moscow, Radio i svyaz', 1989, 208 p. (in Russian).Методы построения безопасных микроэлектронных систем железнодорожной автоматики / В. В. Сапожников [и др.] ; под ред. Вл. В. Сапожникова. – М. : Транспорт, 1995. – 272 с.Sapozhnikov V. V., Sapozhnikov Vl. V., Hristov H. A., Gavzov D. V., Sapozhnikov Vl. V. (ed.). Metody postroeniya bezopasnyh mikroehlektronnyh sistem zheleznodorozhnoj avtomatiki. Methods of Synthesis Safety Microelectronic Railway Automation Systems. Moscow, Transport, 1995, 272 p. (in Russian).Харченко, В. С. Модели и свойства многоальтернативных отказоустойчивых систем / В. С. Харченко // Автоматика и телемеханика. – 1992. – № 12. – С. 140–147.Kharchenko V. S. Modeli i svojstva mnogoal'ternativnyh otkazoustojchivyh system [Models and properties of multialternative fault-tolerant systems]. Avtomatika i telemekhanika [Automation and Remote Control], 1992, no. 12, рp. 140–147 (in Russian).Скляр, В. В. Отказоустойчивые компьютерные системы управления с версионно-пороговой адаптацией: способы адаптации, оценка надежности, выбор архитектур / В. В. Скляр, В. С. Харченко // Автоматика и телемеханика. – 2002. – № 6. – С. 131–145.Sklyar V. V., Kharchenko V. S. Otkazoustojchivye komp'yuternye sistemy upravleniya s versionno-porogovoj adaptaciej: sposoby adaptacii, ocenka nadezhnosti, vybor arhitektur [Fault-tolerant computer-aided control systems with multiversion-threshold adaptation: adaptation methods, reliability estimation, and choice of an architecture]. Avtomatika i telemekhanika [Automation and Remote Control], 2002, no. 6, рp. 131–145 (in Russian).Гаврилов, М. А. Надежность дискретных систем / М. А. Гаврилов, В. М. Остиану, А. И. Потехин // Итоги науки и техники. Сер. «Теория вероятностей. Математическая статистика. Теоретическая кибернетика». – 1969, 1970. – C. 7–104.Gavrilov M. A., Ostianu V. M., Potekhin A. I. Nadezhnost' diskretnyh sistem [Reliability of discrete systems]. Itogi nauki i tekhniki. Seriya "Teoriya veroyatnostej. Matematicheskaya statistika. Teoreticheskaya kibernetika" [Results of Science and Technology. Series "Probability Theory. Math statistics. Theoretical Cybernetics"], 1969, 1970, рр. 7–104 (in Russian).Goessel, M. Error Detection Circuits / M. Goessel, S. Graf. – London : McGraw-Hill, 1994. – 261 p.Goessel M., Graf S. Error Detection Circuits. London, McGraw-Hill, 1994, 261 p.Fujiwara, E. Code Design for Dependable Systems: Theory and Practical Applications / E. Fujiwara. – John Wiley & Sons, 2006. – 720 p.Fujiwara E. Code Design for Dependable Systems: Theory and Practical Applications. John Wiley & Sons, 2006, 720 p.Кодирование информации (двоичные коды) / Н. Т. Березюк [и др.] ; под ред. Н. Т. Березюка. – Харьков : Вища школа, 1978. – 252 с.Berezyuk N. T., Andrushchenko A. G., Moshchickij S. S., Glushkov V. I., Benesha M. M., Gavrilov V. A., N. T. Berezyuk (ed.). Kodirovanie informacii (dvoichnye kody). Information Coding (Binary Codes). Kharkiv, Vishcha shkola, 1978, 252 p. (in Russian).Nikolos, D. Self-testing embedded two-rail checkers / D. Nikolos // J. of Electronic Testing: Theory and Applications. – 1998. – Vol. 12, no. 1–2. – P. 69–79.Nikolos D. Self-testing embedded two-rail checkers. Journal of Electronic Testing: Theory and Applications, 1998, vol. 12, no. 1–2, рp. 69–79.Новые структуры систем функционального контроля логических схем / В. В. Сапожников [и др.] // Автоматика и телемеханика. – 2017. – № 2. – С. 127–143.Sapozhnikov V. V., Sapozhnikov Vl. V., Efanov D. V., Dmitriev V. V. Novye struktury sistem funkcional'nogo kontrolya logicheskih skhem [New structures of the concurrent error detection systems for logic circuits]. Avtomatika i telemekhanika [Automation and Remote Control], 2017, no. 2, рp. 127–143 (in Russian).Hamamatsu, M. Finding the optimal configuration of a cascading TMR system / M. Hamamatsu, T. Tsuchiya, T. Kikuno // 14th IEEE Pacific Rim Intern. Symp. on Dependable Computing, 15–17 Dec. 2008, Taipei, Taiwan. – Taipei, 2008. – P. 329–350. https://doi.org/10.1109/PRDC.2008.12Hamamatsu M., Tsuchiya T., Kikuno T. Finding the optimal configuration of a cascading TMR system. 14th IEEE Pacific Rim International Symposium on Dependable Computing, 15–17 December 2008, Taipei, Taiwan. Taipei, 2008, pp. 329–350. https://doi.org/10.1109/PRDC.2008.12Matsumoto, K. Evaluating the fault tolerance of stateful TMR / K. Matsumoto, M. Uehara, H. Mori // 13th Intern. Conf. on Network-Based Information Systems, 14–16 Sept. 2010, Takayama, Japan. – Takayama, 2010. – P. 332–336. https://doi.org/10.1109/NBiS.2010.86Matsumoto K., Uehara M., Mori H. Evaluating the fault tolerance of stateful TMR. 13th International Conference on Network-Based Information Systems, 14–16 September 2010, Takayama, Japan. Takayama, 2010, pp. 332–336. https://doi.org/10.1109/NBiS.2010.86Останин, С. А. Синтез отказоустойчивых комбинационных схем / С. А. Останин // Прикладная дискретная математика (приложение № 1). – 2009. – № 1. – С. 71–72.Ostanin S. A. Sintez otkazoustojchivyh kombinacionnyh skhem [Synthesis of fail-safe combinational circuits]. Prikladnaya diskretnaya matematika (prilozhenie № 1) [Applied Discrete Mathematics (Appendix No. 1)], 2009, no. 1, рр. 71–72 (in Russian).Методы синтеза сбоеустойчивых комбинационных КМОП-схем, обеспечивающих автоматическое исправление ошибок / А. Л. Стемпковский [и др.] // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2017. – № 7(192). – С. 197–210. https://doi.org/10.23683/2311-3103-2017-7-197-210Stempkovskij A. L., Tel'puhov D. V., Zhukova T. D., Gurov S. I., Solov'ev R. A. Metody sinteza sboeustojchivyh kombinacionnyh KMOP-skhem, obespechivayushchih avtomaticheskoe ispravlenie oshibok [Synthesis methods for fault-tolerant combinational CMOS circuits providing automatic error correction]. Izvestiya Juzhnogo federal'nogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Proceedings of the Southern Federal University. Technical Science], 2017, no. 7(192). pp. 197–210. https://doi.org/10.23683/2311-3103-2017-7-197-210 (in Russian).Enhanced duplication method with TMR-like masking abilities / J. Borecký [et al.] // Euromicro Conf. on Digital System Design (DSD), 31 Aug. – 2 Sept. 2016, Limassol, Cyprus. – Limassol, 2016. – P. 690–693. https://doi.org/10.1109/DSD.2016.91Borecký J., Kohlík M., Vít P., Kubátová H. Еnhanced duplication method with TMR-like masking abilities. Euromicro Conference on Digital System Design (DSD), 31 August – 2 September 2016, Limassol, Cyprus. Limassol, 2016, pp. 690–693. https://doi.org/10.1109/DSD.2016.91Krcma, M. Triple modular redundancy used in field programmable neural networks / M. Krcma, Z. Kotasek, J. Lojda // Proc. of 15th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS 2017), 29 Sept. – 2 Oct. 2017, Novi Sad, Serbia. – Novi Sad, 2017. – P. 372–377. https://doi.org/10.1109/EWDTS.2017.8110128Krcma M., Kotasek Z., Lojda J. Triple modular redundancy used in field programmable neural networks. Proceedings of 15th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS 2017), 29 September – 2 October 2017, Novi Sad, Serbia. Novi Sad, 2017, pp. 372–377. https://doi.org/10.1109/EWDTS.2017.8110128Sogomonyan, E. S. Self-Correction Fault-Tolerant Systems / E. S. Sogomonyan. – Preprint, Oct. 2018. – 30 p.Sogomonyan E. S. Self-Correction Fault-Tolerant Systems. Preprint, October 2018, 30 p.Сапожников, В. В. Основы теории надежности и технической диагностики / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов. – СПб. : Лань, 2019. – 588 с.Sapozhnikov V. V., Sapozhnikov Vl. V., Efanov D. V. Osnovy teorii nadezhnosti i tekhnicheskoj diagnostiki. Fundamentals of the Theory of Reliability and Technical Diagnostics. Saint Petersburg, Lan, 2019, 588 p. (in Russian).Организация функционального контроля комбинационных схем методом логического дополнения / В. В. Сапожников // Электронное моделирование. – 2002. – Т. 24, № 6. – С. 51–66.Sapozhnikov V. V., Sapozhnikov Vl. V., Dmitriev A. V., Morozov A. V., Gessel' M. Organizaciya funkcional'nogo kontrolya kombinacionnyh skhem metodom logicheskogo dopolneniya [The organization of functional control of combinational circuits by the method of complement]. Electronnoe modelirovanie [Electronic Modeling], 2002, vol. 24, no. 6, рp. 51–66 (in Russian).Логическое дополнение – новый метод контроля комбинационных схем / М. Гессель [и др.] // Автоматика и телемеханика. – 2003. – № 1. – С. 167–176.Gessel' M., Morozov A. V., Sapozhnikov V. V., Sapozhnikov Vl. V. Logicheskoe dopolnenie – novyj metod kontrolya kombinacionnyh skhem [Logic complement, a new method of checking the combinational circuits]. Avtomatika i telemekhanika [Automation and Remote Control], 2003, no. 1, рp. 167–176 (in Russian).New Methods of Concurrent Checking / M. Goessel [et al.]. – 1st ed. – Dordrecht : Springer Science + Business Media B.V., 2008. – 184 p.Gessel' M., Ocheretny V., Sogomonyan E., Marienfeld D. New Methods of Concurrent Checking. Dordrecht, Springer Science + Business Media B.V., 2008, 184 p.Self-checking combinational circuits with unidirectionally independent outputs / A. Morosow [et al.] // VLSI Design. – 1998. – Vol. 5, iss. 4. – P. 333–345. https://doi.org/10.1155/1998/20389Morosow A, Saposhnikov V. V., Saposhnikov Vl. V., Goessel M. Self-checking combinational circuits with unidirectionally independent outputs. VLSI Design, 1998, vol. 5, iss. 4, pp. 333–345. https://doi.org/10.1155/1998/20389Ефанов, Д. В. Синтез самопроверяемых комбинационных устройств на основе выделения специальных групп выходов / Д. В. Ефанов, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников // Автоматика и телемеханика. – 2018. – № 9. – С. 79–94.Efanov D. V., Sapozhnikov V. V., Sapozhnikov Vl. V. Sintez samoproveryaemyh kombinacionnyh ustrojstv na osnove vydeleniya special'nyh grupp vyhodov [Synthesis of self-checking combination devices based on allocating special groups of outputs]. Avtomatika i telemekhanika [Automation and Remote Control], 2018, no. 9, рp. 79–94 (in Russian).Сапожников, В. В. Самопроверяемые дискретные устройства / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников. – СПб. : Энергоатомиздат, 1992. – 224 с.Sapozhnikov V. V., Sapozhnikov Vl. V. Samoproveryaemye diskretnye ustrojstva. Self-Checking Discrete Devises. Saint Petersburg, Energoatomizdat, 1992, 224 p. (in Russian).SIS: a system for sequential circuit synthesis / E. M. Sentovich [et al.]. – University of California, Berkeley, 1992. – 45 p.Sentovich E. M., Singh K. J., Lavagno L., Moon C., Murgai R., …, Sangiovanni-Vincentelli A. SIS: A System for Sequential Circuit Synthesis. University of California, Berkeley, 1992, 45 p.Sequential circuit design using synthesis and optimization / E. M. Sentovich [et al.] // Proc. IEEE Intern. Conf. on Computer Design: VLSI in Computers & Processors, 11–14 Oct. 1992, Cambridge, MA, USA. – Cambridge, 1992. – P. 328–333. https://doi.org/10.1109/ICCD.1992.276282Sentovich E. M., Singh K. J., Moon C., Savoj H., Brayton R. K., Sangiovanni-Vincentelli A. Sequential circuit design using synthesis and optimization. Proceedings IEEE International Conference on Computer Design: VLSI in Computers & Processors, 11–14 October 1992, Cambridge, MA, USA. Cambridge, 1992, pp. 328–333. https://doi.org/10.1109/ICCD.1992.276282

The authors declare that there are no conflicts of interest present.