Информационные технологии в электронике

168

4.Компьютеры, прерывающие говорящего, как и люди, поступают бестактно. «Идеально воспитанный» компьютер должен вступать в разговор, лишь когда в помещении тишина.

5.Короткая, неожиданно сказанная компьютером фраза потеряется в шуме обычного разговора.

6.Если компьютер намерен сообщить что-то важное, он должен заранее оповестить об этом сигналом или каким-либо звуком, привлекающим внимание слушателей.

7.Говорящий компьютер похож на ребенка: он знает, как говорить, но не знает когда.

8.Компьютер, говорящий слишком много, будет выключен.

9.Компьютер, говорящий слишком мало, останется без внимания.

10.Слушатель должен быть готов услышать искусственный голос компьютера, если, конечно, последний не обладает натуральным голосом.

Эти правила особенно важны, когда вы только начинаете «выводить» ваш компьютер в общество.

Метод непосредственного кодирования-восстановления

Этот простейший метод похож на цифровую запись. Одной из задач здесь ставится выборка аналоговых сигналов. В процессе преобразования звуков речи микрофоном генерируется электрический сигнал, который содержит как медленно, так и весьма быстро меняющиеся компоненты. Если бы мы стали делать выборки из этого сигнала с относительно низкой частотой, то самое большое, что нам бы удалось установить, — это то, что в сигнале действительно существуют медленно меняющиеся компоненты. Если же мы начнем осуществлять выборку электрических сигналов микрофона со все возрастающей частотой, то будем обнаруживать все более высокочастотные компоненты сигнала. Этот пример иллюстрируется рисунком 6.9.

Процесс удвоения частоты можно проводить до тех пор, пока дальнейшее повышение ничего более не добавит к выборке. Далее для обработки сигнала компьютером используются АЦП и далее для вывода на динамик — ЦАП.

169

t, мс

Рисунок 6.9 — Увеличение частоты выборки сигнала

Аналоговый синтез формантных частот

В отличие от предыдущего метода синтез формантных частот представляет собой способ выражения той же речи искусственным путем.

Блок-схема расширенного формантного синтезатора приведена на рис. 6.10

171

Изменение давления воздуха

Рисунок 6.11 — Принцип линейного предиктивного кодирования

7 ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ

Достижение высокой надёжности электронных систем требует использования специальных компонентов и методов проектирования, соответствующих конечным условиям эксплуатации оборудования.

К сожалению, истинную причину отказа выяснить удаётся далеко не всегда. Выход из строя компонента подразумевает, что он не функционирует должным образом или его параметры больше не соответствуют изначальным техническим требованиям. Это может произойти по целому ряду причин, в том числе из-за перегрузок по току или напряжению, чрезмерного нагревания, воздействия агрессивных химических веществ или повышенной влажности, а также некоторых других условий, встречающихся в процессе производства и использования оборудования.

Постоянно увеличивающаяся сложность компонентов электронного оборудования и потребность в портативных маломощных устройствах, способных работать в жёстких условиях эксплуатации, — вот основные причины, заставляющие разработчиков создавать новые высоконадёжные

172

устройства. Ключом к достижению повышенной надёжности даже в чрезвычайно жёстких условиях эксплуатации является использование такого оборудования и программного обеспечения, в основе которых лежит специальная, защищённая от ошибок философия проектирования. Всесторонний обзор различных типов отказов и профилактических методов проектирования, позволяющих их избежать, поможет разработчикам значительно повысить надёжность оборудования.

7.1 Источники бесперебойного питания (ИБП)

ИБП — устройство, предназначенное для поддержания бесперебойного питания приборов и оборудования, а также обеспечения качества подаваемой энергии.

ИБП выбирается исходя из видов неисправности электросети, исключаемых с помощью ИБП; суммарной мощности техники, подключаемой к ИБП; наличия дополнительных функциональных возможностей ИБП. Источники бесперебойного питания подразделяются на несколько типов.

Один из самых распространенных типов бесперебойников — так называемый ИБП Line Interactive. Работают они по следующему принципу: когда с напряжением в сети никаких проблем нет, бесперебойник, по сути, бездействует. Системный блок питается напрямую от розетки, но стоит ситуации измениться — например, скачок напряжения или, наоборот, резкое его падение — как в действие вступает стоящая на входе ИБП триада из инвертора, выпрямителя и автотрансформатора. Выпрямитель передает ток из сети на трансформатор, который, в свою очередь, преобразовывает его из постоянного в переменный. Автотрансформатор же все время отслеживает скачки напряжения, чтобы вовремя подключить к работе пару «инвертор/выпрямитель».

Когда перепадов напряжения нет и компьютер работает напрямую от сети, выпрямитель работает еще и как зарядник батареи аккумулятора, обеспечивая достаточный заряд для обеспечения работы компьютера, если вдруг напряжение в сети исчезнет. Все в данном типе бесперебойников было бы хорошо, если бы не одно «но»... Дело в том, что, когда ИБП переключает компьютер с работы от сети на работу от аккумулятора или наоборот, неизбежно возникает скачок напряжения. Нельзя быть уверенным, что в момент переключения компьютер не перезагрузится. После этого вы сможете запитать системник от ИБП, даже если электричество еще не включилось, но данные будут потеряны. Вероятность такого исхода очень мала, чаще Line Interactive ИБП справляются со своей работой нормально, но шанс все же есть.

Еще один тип источников бесперебойного питания — так называемые онлайновые феррорезонансные (Ferroresonant). В данные приборы встроен трансформатор большой индуктивности, который не обязательно постоянно держать подключенным к сети питания. Во

173

включенном состоянии он накапливает в себе большое количество энергии, которая в случае сбоев в сети идет на поддержание работоспособности системного блока. Такие ИБП хороши тем, что в момент переключения с питания от сети на питание от бесперебойника нет скачка напряжения. Переход происходит плавно и незаметно для компьютера. Единственный недостаток такого вида приборов — необходимость их периодически переключать в различные режимы работы: накопления заряда и поддерживающий.

Но при всей надежности феррорезонансных ИБП они все же уступают самому продвинутому типу бесперебойников — онлайновым с двойным преобразованием (Online Double Conversion). Данный тип ИБП, когда скачков напряжения в сети нет, питает компьютер переменным током, который получается в результате действия инвертора. Постоянный ток от выпрямителя обеспечивает зарядку батареи аккумуляторa, если она разряжена. Во время нормального напряжения в сети подобный ИБП участвует в преобразовании тока для питания компьютера, когда же в сети происходит сбой, то подключается аккумулятор, который и питает системник до стабилизации напряжения.

Данный тип бесперебойников — самый надежный. Будучи подключенными к сети, они постоянно поддерживают максимальный заряд аккумулятора, который в случае неполадок в электропитании обеспечивает стабильную работу компьютера на протяжении нескольких минут или даже часов.

Еще один распространенный тип ИБП — Stand By. Работают они по тому же принципу, что и Line Interactive: когда в сети все спокойно, занимаются только тем, что подзаряжают батарею, когда же напряжение начинает шалить, начинают питать компьютер от встроенного аккумулятора. В схеме также есть выпрямитель и инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный. В отличие от бесперебойников типа LI у Stand By нет встроенного автотрансформатора, так что в работе они еще менее надежны, чем Line Interactive. Зато дешевы.

7.2 Метод резервирования

Мажоритарное резервирование используют для повышения надежности устройств. Устройство имеет три или более идентичных канала. Результаты вычислений в каждом канале сравниваются между собой. С помощью мажоритарного логического элемента путем голосования выбирается наиболее достоверный результат. В простейшем случае этот результат представлен единственным сигналом, который используется, например, для выключения-включения электродвигателя [8].

Проблема заключается в том, что мажоритарный элемент и выходной транзистор с точки зрения надежности составляют наиболее слабое звено схемы — их отказы приводят к потере работоспособности всей системы. Вероятнее всего, при таком отказе электродвигатель будет

174

либо постоянно выключен, либо постоянно включен. В зависимости от требований к системе наиболее нежелательно либо ложное (несанкционированное) включение электродвигателя, либо его ложное выключение. В первой ситуации можно применить дублированный выходной каскад с последовательно соединенными выходными транзисторами, во второй — с параллельно включенными транзисторами.

электродвигатель

Рисунок 7.1 — Резервированная система

Самоконтролируемый выходной каскад

Мажоритарно-резервированное устройство содержит три идентичных канала, к которым подключен выходной каскад на элементах D1—D7 (рис. 7.2) [8]. Мажоритарный элемент D1 формирует на выходе сигнал V = 1, если на его входах две или три единицы, и сигнал V = 0, если на входах два или три нуля (голосование по большинству). Компаратор D2

175

вырабатывает сигнал U = 1 при взаимном равенстве входных сигналов, т.е.

при Q1 = = Q2 = Q3 = 0 или Q1 = Q2 = Q3 = 1.

Сумматор по модулю два D3 формирует сигнал W = 1, если число единиц, поданных на его входы, нечетно, и W = 0 при четном числе единиц. Последовательная цепь из элементов Исключающее ИЛИ D4—D6 суммирует по модулю два сигналы V, U, W и тестовый сигнал Т, элемент НЕ D7 инвертирует выходной сигнал. Результирующие сигналы Т’ и U отображают состояние устройства (нет ошибки — есть ошибка), причем обнаруживаются неисправности элементов D1—D7. Трехканальное резервирование позволяет исправлять все одиночные и некоторые двойные ошибки.

а

Qi

T

T’

б

Рисунок 7.2 — Самоконтролируемый выходной каскад (а) мажоритарнорезервированного устройства и временные диаграммы (б)

его работы в отсутствие ошибок

При отсутствии неисправностей аппаратуры и безошибочных вычислениях сигналы Q1—Q3 одинаковы (см. строки табл. 7.1) [8]. Тестовый сигнал Т, подаваемый на контрольный вход устройства, суммируется по модулю два с нечетным числом единиц, поэтому с учетом инвертирования результата получим, что Т’ = Т, U = 1. Внешняя система контроля (на рисунке не показана) в каждом такте работы (при Т = 0 и Т = 1, см. рис. 7.2, б) принимает к сведению, что ошибок на выходах каналов 1—3 нет (U = 1), а сам выходной каскад (элементы D1—D7) исправен

(Т’ = Т).

176

Таблица 7.1

Таким образом, исключается неконтролируемое накопление ошибок в устройстве. Если бы не было цепи D3—D7, то, например, при U = 1 (изза отказа элемента D2) внешняя система контроля оставалась бы в неведении при отказе канала 1 и т.п.

7.3 Однокристальная (ИЛИ одноплатная) микроЭВМ, «создающая себя» при включении напряжения питания из имеющихся исправных блоков [9]

МикроЭВМ (рис. 7.3) содержит несколько одинаковых процессоров ЦП, ПЗУ и ОЗУ.

Процессор ЦП включает «собственный процессор» ЦП* и схему распространения стартового сигнала Sвх (рис. 7.4). При подаче стартового сигнала Sвх триггер D1 устанавливается в 1 и ЦП* начинает процедуру тестирования. Условие Е = 1 соответствует подключению данного процессора к общей магистрали. Если за приемлемое время получен положительный результат тестирования, то сигнал Финиш равен 1, триггер D2 устанавливается в 1, элемент И закрывается, так что сигнал с выхода элемента задержки не сможет пройти к следующему процессору. Если же тестирование не завершилось успехом к моменту прохождения сигнала Sвx через элемент задержки, то срабатывает элемент И, триггер D1 устанавливается в 0, отключая данный процессор от магистрали, а стартовый сигнал передается в следующий процессор.

177

Рисунок 7.3 — Резервированная микроЭВМ

Порядок тестирования.

1. При включении напряжения питания микроЭВМ вырабатывается сигнал Sвx, поступающий на первый процессор. Этот процессор считывает содержимое первого ПЗУ и сравнивает полученную контрольную сумму с кодом, записанным в последней ячейке этого ПЗУ (действия по п. 1 выполняются под управлением микропрограммы, хранящейся в процессоре). Если коды не совпали, процессор переходит к проверке следующего ПЗУ, и т.д. Кодировка всех ПЗУ одинакова. Если работающее ПЗУ не найдено данным процессором, то запускается следующий процессор.