Российский университет транспорта (МИИТ) (Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», Профессор)
ООО «НИПИ «ТрансСтройбезопасность» (Заместитель генерального директора по научно-исследовательской работе)
Ташкентский государственный транспортный университет (Кафедра «Автоматика и телемеханика», Профессор)
Россия
Россия
УДК 004.052.32 Контроль неисправностей
Рассматривается задача синтеза самопроверяемых цифровых устройств, в которых для обеспечения свойства обнаружения ошибок в вычислениях используются временнáя избыточность и импульсное представление сигналов. Предложена структура организации самопроверяемых комбинационных устройств со схемами встроенного контроля, основанная на использовании модифицированных кодов Хэмминга с самодвойственными функциями, описывающими проверочные символы. Описаны принципы построения модифицированных кодов Хэмминга. Доказано, что проверочные символы модифицированных кодов Хэмминга будут описываться самодвойственными функциями только для случаев значений числа информационных символов (k > 1), где k — число проверочных символов. Приведена «базовая» структура организации контроля вычислений в комбинационных устройствах на основе модифицированных кодов Хэмминга с числом информационных символов m = 6, проверочные символы которых описываются самодвойственными булевыми функциями. При контроле вычислений устройствами с числом выходов, большим шести, производится разбиение множества выходов на подмножества, для выходов каждого из которых синтезируется отдельная схема контроля; выходы схем контроля для различных групп выходов объединяются на входах самопроверяемого компаратора для получения одного контрольного сигнала. Таким образом, предложена структура организации контроля вычислений по двум диагностическим параметрам — принадлежности кодовых слов модифицированным кодам Хэмминга и вычисляемых функций, описывающих проверочные символы, классу самодвойственных булевых функций. Такой подход, как показано в статье, позволяет повысить показатели контролепригодности и увеличить число тестовых комбинаций по сравнению с контролем вычислений только на основе модифицированного кода Хэмминга. Приводятся результаты моделирования самодвойственных комбинационных цифровых устройств в среде Multisim. Освещены особенности реализации блоков схемы встроенного контроля и их функционирования. Применение предложенного способа организации цифровых устройств перспективно в практике реализации надежных и безопасных систем управления в широком спектре отраслей науки и техники.
самопроверяемое устройство, самодвойственные цифровые устройства, контроль вычислений на выходах цифровых устройств, временнáя избыточность, контроль самодвойственности, контроль вычислений по модифицированным кодам Хэмминга
1. Theeg G. Railway Signalling & Interlocking: 3ed Edition / G. Theeg, S. Vlasenko. - Ger-many: Leverkusen PMC Media House GmbH, 2020, 552 p.
2. Сапожников В. В. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: учеб. пособие / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов и др.; под ред. Вл. В. Сапожникова. - М.: ФГБУ ДПО «Учебно-методический центр по образо-ванию на железнодорожном транспорте», 2017, 318 с.
3. Efanov D. Fundamentals of Implementation of Safety Movement of Trains under Integra-tion of Control Systems with Hardware for Railway Infrastructure Facilities Monitoring / D. Efanov, G. Osadchy, I. Aganov // Proceedings of 11th IEEE International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applica-tions (IDAACS’2021), Cracow, Poland, September 22-25, 2021. - Vol. 1. - Pp. 391-396. - DOI:https://doi.org/10.1109/IDAACS53288.2021.9660985.
4. Fujiwara E. Code Design for Dependable Systems: Theory and Practical Applications / E. Fujiwara. - John Wiley & Sons, 2006. - 720 p.
5. Дрозд А. В. Рабочее диагностирование безопасных информационно-управляющих систем / А. В. Дрозд, В. С. Харченко, С. Г. Антощук и др.; под ред. А. В. Дрозда и В. С. Харченко. - Харьков: Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «ХАИ», 2012, 614 с.
6. Согомонян Е. С. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы / Е. С. Согомонян, Е. В. Слабаков. - М.: Радио и связь, 1989. - 208 с.
7. Ярмолик В. Н. Контроль и диагностика вычислительных систем / В. Н. Ярмолик. - Минск: Бестпринт, 2019. - 387 с.
8. Сапожников В. В. Самопроверяемые дискретные устройства / В. В. Сапожников, В. В. Сапожников. - СПб.: Энергоатомиздат, 1992. - 224 с.
9. Piestrak S. J. Design of Self-Testing Checkers for Unidirectional Error Detecting Codes / S. J. Piestrak. - Wrocław: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocłavskiej, 1995. - 111 p.
10. Сапожников В. В. Коды с суммированием для систем технического диагностирова-ния / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов. - Т. 1: Классические ко-ды Бергера и их модификации. - М.: Наука, 2020. - 383 с.
11. Сапожников В. В. Коды с суммированием для систем технического диагностирова-ния / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов. - Т. 2: Взвешенные коды с суммированием. - М.: Наука, 2021. - 455 с.
12. Ефанов Д. В. Отказоустойчивые структуры цифровых устройств на основе логиче-ского дополнения / Д. В. Ефанов, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников // Автомати-ка и телемеханика. - 2021. - № 8. - С. 140-158. - DOI:https://doi.org/10.31857/S0005231021080079.
13. Hamming R. W. Error Detecting and Correcting Codes / R. W. Hamming // Bell System Technical Journal. - 1950. - Iss. 29(2). - Pp. 147-160. - DOI:https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1950.tb00463.x.
14. Berger J. M. A Note on Error Detection Codes for Asymmetric Channels / J. M. Berger // In-formation and Control. - 1961. - Vol. 4. - Iss. 1. - Pp. 68-73. - DOI:https://doi.org/10.1016/S0019-9958(61)80037-5.
15. Freiman C. V. Optimal Error Detection Codes for Completely Asymmetric Binary Channels / C. V. Freiman // Information and Control. - 1962. - Vol. 5. - Iss. 1. - Pp. 64-71. - DOI:https://doi.org/10.1016/S0019-9958(62)90223-1.
16. Sapozhnikov V. Weighted Sum Code Without Carries - is an Optimum Code with Detec-tion of Any Double Errors in Data Vectors / V. Sapozhnikov, Vl. Sapozhnikov, D. Efanov et al. // Proceedings of 14th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2016), Ye-revan, Armenia, October 14-17, 2016. - Pp. 134-141. - DOI:https://doi.org/10.1109/EWDTS.2016.7807686.
17. Сапожников В. В. Взвешенный код с суммированием без операций переноса для за-дач технической диагностики дискретных систем / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапож-ников, Д. В. Ефанов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2018. - Т. 61. - № 4. - С. 323-335. - DOI:https://doi.org/10.17586/0021-3454-2018-61-4-323-335.
18. Сапожников В. В. Коды Хэмминга в системах функционального контроля логиче-ских устройств: монография / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов. - СПб.: Наука, 2018. - 151 с.
19. Drozd A. Checkability of the Digital Components in Safety-Critical Systems: Problems and Solutions / A. Drozd, V. Kharchenko, S. Antoshchuk et al. // Proceedings of 9th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2011), Sevastopol, Ukraine, 2011. - Pp. 411-416. - DOI:https://doi.org/10.1109/EWDTS.2011.6116606.
20. Сапожников Вл. В. Синтез систем управления движением поездов на железнодорож-ных станциях с исключением опасных отказов / Вл. В. Сапожников. - М.: Наука, 2021. - 229 с.
21. Ефанов Д. В. Обнаружение неисправностей в комбинационных схемах на основе са-модвойственного дополнения до равновесных кодов / Д. В. Ефанов, В. В. Сапожни-ков, Вл. В. Сапожников и др. // Труды Института системного программирования РАН. - 2019. - Т. 31. - № 1. - С. 115-132. - DOI:https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2019-31(1)-8.
22. Efanov D. Self-Dual Complement Method up to Constant-Weight Codes for Arrangement of Combinational Logical Circuits Concurrent Error-Detection Systems / D. Efanov, V. Sapozhnikov, Vl. Sapozhnikov et al. // Proceedings of 17th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2019), Batumi, Georgia, September 13-16, 2019. - Pp. 136-143. - DOI:https://doi.org/10.1109/EWDTS.2019.8884398.
23. Efanov D. V. The Hybrid Structure of a Self-Dual Built-In Control Circuit for Combina-tional Devices with Pre-Compression of Signals and Checking of Calculations by Two Diag-nostic Parameters / D. V. Efanov, D. V. Pivovarov // Proceedings of 19th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2021), Batumi, Georgia, September 10-13, 2021. - Pp. 200-206. - DOI:https://doi.org/10.1109/EWDTS52692.2021.9581019.
24. Ефанов Д. В. Синтез самопроверяемых комбинационных устройств с контролем вы-числений по двум диагностическим параметрам / Д. В. Ефанов, Д. В. Пивоваров // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2022. - Т. 65. - № 7. - С. 461-477. - DOI:https://doi.org/10.17586/0021-3454-2022-65-7-461-477.
25. Ефанов Д. В. Самодвойственный контроль комбинационных схем с применением кодов Хэмминга / Д. В. Ефанов, Т. Погодина // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). - 2022. - № 3. - С. 113-122. - DOI:https://doi.org/10.31114/2078-7707-2022-3-113-122.
26. Сагалович Ю. Л. Обнаружение неисправностей в схемной реализации системы моно-тонных булевых функций / Ю. Л. Сагалович, В. Ю. Соломенников // Проблемы пере-дачи информации. - 1997. - Vol. 33. - Iss. 2. - Pp. 81-93.
27. Matrosova A. Yu. Self-Checking Synchronous FSM Network Design with Low Overhead / A. Yu. Matrosova, I. Levin, S. A. Ostanin // VLSI Design. - 2000. - Vol. 11. - Iss. 1. - Pp. 47-58. - DOI:https://doi.org/10.1155/2000/46578.
28. Reynolds D. A. Fault Detection Capabilities of Alternating Logic / D. A. Reynolds, G. Meize // IEEE Transactions on Computers. - 1978. - Vol. C-27. - Iss. 12. - Pp. 1093-1098. - DOI:https://doi.org/10.1109/TC.1978.1675011.
29. Аксенова Г. П. Восстановление в дублированных устройствах методом инвертирова-ния данных / Г. П. Аксенова // Автоматика и телемеханика. - 1987. - № 10. - С. 144-153.
30. Гессель М. Обнаружение неисправностей в самопроверяемых комбинационных схе-мах с использованием свойств самодвойственных функций / М. Гессель, В. И. Моша-нин, В. В. Сапожников и др. // Автоматика и телемеханика. - 1997. - № 12. - С. 193-200.
31. Гессель М. Самотестируемая структура для функционального обнаружения отказов в комбинационных схемах / М. Гессель, А. В. Дмитриев, В. В. Сапожников и др. // Ав-томатика и телемеханика. - 1999. - № 11. - С. 162-174.
32. Гессель М. Исследование свойств самодвойственных самопроверяемых многотакт-ных схем / М. Гессель, А. В. Дмитриев, В. В. Сапожников и др. // Автоматика и теле-механика. - 2001. - № 4. - С. 148-159.
33. Сапожников В. В. Самодвойственные дискретные устройства / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, М. Гессель. - СПб.: Энергоатомиздат (Санкт-Петербургское от-деление), 2001. - 331 с.
34. Сапожников В. В. Синтез самодвойственных дискретных систем / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Р. Ш. Валиев. - СПб.: Элмор, 2006. - 220 с.
35. Göessel M. New Methods of Concurrent Checking: Edition 1 / M. Göessel, V. Ocheretny, E. Sogomonyan et al. - Dordrecht: Springer Science + Business Media B. V., 2008. - 184 p.
36. Гессель М. Логическое дополнение - новый метод контроля комбинационных схем / М. Гессель, А. В. Морозов, В. В. Сапожников и др. // Автоматика и телемеханика. - 2003. - № 1. - С. 167-176.
37. Гессель М. Контроль комбинационных схем методом логического дополнения / М. Гессель, А. В. Морозов, В. В. Сапожников и др. // Автоматика и телемеханика. - 2005. - № 8. - С. 161-172.
38. Сапожников В. В. Построение самопроверяемых структур систем функционального контроля на основе равновесного кода «2 из 4» / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожни-ков, Д. В. Ефанов // Проблемы управления. - 2017. - № 1. - С. 57-64.
39. Сапожников В. В. Способ построения системы функционального контроля на основе логического дополнения по равновесному коду «1 из 5» / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов и др. // Радиоэлектроника и информатика. - 2017. - № 3. - С. 15-22.
40. Nikolos D. Self-Testing Embedded Two-Rail Checkers / D. Nikolos // Journal of Electronic Testing: Theory and Applications. - 1998. - Vol. 12. - Iss. 1-2. - Pp. 69-79. - DOI:https://doi.org/10.1023/A:1008281822966.
41. Yongmao C. Control Operation Circuit System Design and Simulation Based on Multisim 13.0 / C. Yongmao, W. Jiayu, L. Tianyu // 2020 7th International Conference on Information Science and Control Engineering (ICISCE), 18-20 December, 2020, Changsha, China. - DOI:https://doi.org/10.1109/ICISCE50968.2020.00457.
42. Сапожников В. В. Основы теории надежности и технической диагностики / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов. - СПб.: Лань, 2019. - 588 с.
43. Багхдади А. А. А. Методы анализа и диагностирования цифровых устройств (анали-тический обзор) / А. А. А. Багхдади, В. И. Хаханов, Е. И. Литвинова // Автоматизи-рованные системы управления и приборы автоматики. - 2014. - № 166. - С. 59-74.
44. Пашуков А. В. Синтез устройств управления объектами напольной автоматизации железнодорожного транспорта на программируемых логических интегральных схе-мах / А. В. Пашуков // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектрон-ных систем (МЭС). - 2021. - № 1. - С. 61-69. - DOI:https://doi.org/10.31114/2078-7707-2021-1-61-69.
45. Langmann R., Stiller M. The PLC as a Smart Service in Industry 4.0 Production Systems / R. Langmann, M. Stiller // Applied Sciences. - 2019. - Vol. 18. - Iss. 9. - Pp. 1-20. - DOI:https://doi.org/10.3390/app9183815.
