CN103971441A - 用于三输入表决的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于三输入表决的系统和方法。本文描述的实施例包括一种用于输入通道表决的方法。该方法包括按幅度将三个输入值分类成高输入值、中输入值以及低输入值的步骤。然后，测试所述三个输入值。所述测试包括从高输入值中减去中输入值，以计算第一差值，以及将第一差值的绝对值与失败阈值相比较。基于第一差值与失败阈值的比较来确定第一中间值。所述测试还包括从低输入值中减去中输入值，以计算第二差值，以及将所述第二差值与失败阈值相比较。基于该比较来确定第二中间值。将第一中间值和第二中间值求平均，以产生基于所述三个输入值的输出。

Description

用于三输入表决的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于三输入表决的系统和方法。

背景技术

高完整性的传感系统必须提供“信任”数据，其中该数据具有存在错误和／或存在误导的极低概率。为了确保正确识别出不精确的数据以及只将经过测试和验证的数据作为“信任”数据呈现给数据用户，进行了多种独立的数据度量。这些度量通过数据比较和表决例程而被相互比较。由于比较两个数据源可能暴露出问题，因此往往使用最少三个独立的数据源，但往往不太可能确定哪一个是正确的。对于大多数的系统，三个独立源足以检测并隔离任何单个的违规者，使得只要针对二次故障的暴露时间小于1／(故障率)，则可以继续正常的操作。

常使用两种方法。第一种方法是中间值或中值选择。中值选择在其最简单的实施方式中，选择三个值中的中间值，并且使用该值作为选定输出。如果输入数据有噪声，则由于所述输出将总是针对每组三个读数的中间值，因此，该输出也可以在各输入通道之间阶跃。只要各输入通道之间的偏移差很小，且个别通道上的任何噪声的幅度很小并是周期的，则这导致了平滑的输出。然而，如果3个输入通道之间存在显著偏移并且出现周期的噪声，则这可能导致阶跃变化(切换)。

在更复杂的实施方式中，通过基于与最后的有效中间值的差值来生成针对每个输入的误差信号，可以克服切换。然后，这些误差信号被用于校正随后的输入信号，以迫使3个通道收敛在中间值周围。纠正信号还被幅度检查，以检测过多的输入误差，并且其还会被限制和累积，以用于信号收敛例程。在稳定的环境中，所有输入通道最终将收敛到中间输入值，而与其他两个通道的任何影响无关。

这种中值选择技术需要复杂的数据处理，并且在稳定环境中，导致了与简单的实施方式相同的输出。然而，在不太稳定的环境中和／或在存在输入通道故障的情况下，当中间值改变成来自相同输入通道或具有不同值的不同输入通道的新值时，该技术导致了平滑转变的输出值。

第二种方法是限度测试和平均方法。该限度测试和平均方法对三个输入A、B和C执行比较。其将A和B；A和C；以及B和C之间的差值与指定限度相比较。如果这些输入之间的差值小于该指定值，那么限度测试处于通过条件。如果所有三个限度测试都通过，则将这三个输入一起求平均值来提供输出值。如果三个限度测试中的两个限度测试失败，那么可以将该失败隔离到与这两个限度测试所共有的通道。但是，如果只有一个限度测试失败，那么需要附加的比较测试来确定失败的通道。这是因为高通道与低通道之间正常差值始终大于高通道与中通道之间以及低通道与中通道之间的差值。这种正常的差值并不被这种简单的三路比较技术所适应。为了解决这个问题，对于单个失败情况而言，可以将较高的失败阈值用于任何单个比较测试失败。然而，这需要附加的测试逻辑和增加的复杂度。通过阈值测试的所有输入数据都被用于产生平均输出。

发明内容

本文所描述的实施例包括一种用于输入通道表决的方法。该方法包括用于按幅度来将三个输入值分类成高输入值、中输入值和低输入值的步骤。然后，测试所述三个输入值。所述测试包括从高输入值中减去中输入值来计算第一差值，以及将所述第一差值的绝对值与失败阈值相比较。基于所述第一差值与所述失败阈值的比较将来确定第一中间值。所述测试还包括从所述低输入值中减去所述中输入值来计算第二差值，以及将所述第二差值与所述失败阈值相比较。基于该比较来确定第二中间值。对所述第一中间值和所述第二中间值求平均值来产生基于所述三个输入值的输出。

附图说明

所理解的是，附图仅仅描绘了示例性实施例，以及并不因此将其视为在范围上进行限制，示例性实施例将与附加特异性和细节一起通过使用附图来描述，其中：

图1图示出根据包括三输入表决设备的系统的一个实施例的高级别功能块；

图2A图示出根据图1的三输入表决设备的一个实施例的功能块图；

图2B图示出根据图1的三输入表决设备的替换实施例的功能块图；

图2C图示出根据图1的三输入表决设备的另一个实施例的功能块图；

图3A图示出图2A的三输入表决设备的示例性操作的方法；

图3B图示出图2B的三输入表决设备的示例性操作的方法；

图3C图示出图2C的三输入表决设备的示例性操作的方法；以及

图4图示出根据图1的三输入表决设备的一个实施例的硬件块图。

具体实施方式

本文所描述的一些实施例涉及用于简化的容错三输入通道表决的系统和方法。在此情境中，“简化”指的是这样的事实，即对于三通道系统而言，仅使用两次比较测试和一个失败阈值。此外，通过中值偏置来使输出平滑。

图1图示出包括三输入通道表决设备110的系统100的一个实施例的高级别功能块。系统100包括被馈送到三输入通道表决设备110中的三个输入105。这三个输入105可以从被配置成对三个输入提供冗余数据度量的一组(三个)传感器所接收。任何类型的传感器均可被用于该传感器，包括但不限于压力传感器、加速度计或陀螺仪。所述输入105馈送到三输入通道表决设备110的分类模块120。该分类模块120按幅度将三个输入105分类成低信号、中信号和高信号。在此阶段，系统追踪每个输出信号的输入源。在一个实施例中，追踪可以由软件来完成。然后，将所述低信号、中信号和高信号发送至测试模块130。测试模块130将高信号与中信号之间以及低信号与中信号之间的差值与失败阈值相比较。在一个实施例中，这可以通过取高信号减去中信号的差值的绝对值以及将所述绝对值与失败阈值相比较来完成，并且还可以通过取中信号减去低信号的差值的绝对值以及将所述绝对值与失败阈值相比较来完成。

如果该差值大于失败阈值，则非中信号未能通过测试，并且将失败位进行置位。如果高和低信号没有通过阈值比较测试，则发出指示该结果的信号作为与高信号相对应的第一中间值，以及与低信号相对应的第二中间值。在一个实施例中，如果非中信号失败，则可以使用中信号作为中间值。在另一个实施例中，最后的有效输出可被用作第一或第二中间值。换句话说，最后的有效输出是来自先前周期的最近的有效中间值。例如，如果高信号未能通过测试，则使用最近有效的第一中间值。如果低信号未能通过测试，则使用最近有效的第二中间值。在又一实施例中，最后的有效输出可以是来自先前度量周期的平均模块输出。

如果差值小于失败阈值，则认为信号已通过。在该情况下，发生信号的中信号偏置。例如，在一个实施例中，如果高信号通过测试，则可以将高信号与中信号求平均作为第一中间值。如果低信号通过测试，则可以将低信号与中信号求平均作为第二中间值。

然后，将第一和第二中间值发送至平均模块140。平均模块对第一中间值和第二中间值一起求平均。然后，所产生的信号被发送至控制系统。在一个实施例中，该控制系统可以是飞行控制系统。本领域技术人员将认识到，该控制系统可以是依靠使用了多个输入或度量的“信任”数据的任何高完整性传感系统。

图2A是根据容错三输入通道表决设备200的一个实施例的示例性功能块图。向第一模块220提供了三个输入205。第一模块220按幅度将这些输入205分类成三个输出信号：高信号、中信号和低信号。设备200可以追踪用于每个输出信号的输入源。在一个实施例中，这是通过软件追踪来完成的。高信号、中信号和低信号被连接到第二模块230。所述第二模块230将高信号和中信号之间以及低信号和中信号之间的差值与失败阈值相比较。如果高信号和中信号之间的差值的绝对值大于失败阈值，则将失败位进行置位，以指示高信号失败，并且输出中信号作为对第三模块的第一输出。如果高信号和中信号之间的差值的绝对值小于失败阈值，则将高信号与中信号求平均并输出，作为对第三模块240的第一输出。

对低信号执行相同的过程。如果中信号和低信号之间的差值的绝对值大于失败阈值，则将失败位进行置位以指示低信号失败，以及输出中信号作为对第三模块的输出。如果中信号和低信号之间的差值的绝对值小于失败阈值，则将低信号与中信号求平均并输出至第三模块240。然后，所述第三模块240将来自第二模块230的第一输出和第二输出一起求平均。

根据应用，可以按照多种方式来实施第一、第二和第三模块。在一些实施例中，三个模块中的所有或一些模块可以按照软件、FPGA中的固件或者其他片上系统应用来实施。在其他实施例中，所有或一些模块可以被实施为模拟电路。

图2B是根据容错三输入通道表决设备201的另一个实施例的示例性功能块图。向第一模块220提供三个输入205。第一模块220按幅度将这些输入205分类成三个输出信号：高信号、中信号和低信号。然后，将这些信号馈送至第二模块230。与先前一样，可为每个输出追踪输入源。第二模块230将高信号和中信号之间以及低信号和中信号之间的差值与失败阈值相比较。

如果高信号和中信号之间的差值的绝对值大于失败阈值，则将失败位进行置位来指示高信号失败，并且使用最后的有效输入作为当前的第一输出。在图2B中，最后的有效输出是来自平均模块的最近的先前输出。在另一个实施例中，最后的有效输出可以是最近的有效第一输出信号，其中将有效的高信号与中信号求平均。

如果高信号和中信号之间的差值的绝对值小于失败阈值，则将高信号与中信号求平均并输出作为对第三模块的第一输出。

第二模块230对低信号执行相同的过程。如果中信号与低信号之间的差值的绝对值大于失败阈值，则将最后的有效输出用作第二输出。如果中信号与低信号之间的差值的绝对值小于失败阈值，则将低信号与中信号求平均并且输出作为对第三模块240的第二输出。然后，第三模块240将来自第二模块230的第一一和第二输出一起求平均。

图2C是根据容错三输入通道表决设备202的替换实施例的示例性功能块图。向第一模块220提供三个输入205。所述第一模块220按幅度来将这些输入205分类成三个输出信号：高信号，中信号和低信号。然后，这些信号被输出至第二模块230。第二模块230将高信号和中信号之间以及低信号和中信号之间的差值与失败阈值相比较。如果高信号和中信号之间的差值的绝对值大于失败阈值，则将失败位进行置位来指示高信号失败。在高值和中间值之间的差值的绝对值小于失败阈值的失败情况和通过情况两者中，第一输出将始终是中间值和向中间信号偏置的高信号的平均值。在一个实施例中，将高信号以高信号和中信号之间的差值所表示的失败阈值的百分比为基础而朝着中间值进行偏置。例如，如果高信号减去中信号共计是失败阈值的一半，那么偏置的高信号将是：(高信号-(50％的(高信号-中信号)))。由此，高信号与中信号之间的差值越大，在第一输出中使用的高输入就越少。如果超出失败阈值，则第一输出将是中信号。本领域普通技术人员将认识到，其他偏置方案可以被用于适应不同应用的需要。在第二输出是中信号与向中信号偏置的低信号求平均的情况下，对于低信号比较测试重复相同的过程。在一个实施例中，低信号可以是以中信号与低信号之间的差值所表示的失败阈值的百分比为基础而被偏置的。在该差值是失败阈值的一半的情况下，偏置的低信号将是：(低信号+(50％的(中信号一低信号)))。然后，第一输出和第二输出被耦合到第三模块240。所述第三模块240将第二模块230的第一和第二输出求平均。

图3A图示出根据容错三输入通道表决设备300的一个实施例的示例性方法。在块301处，该例程以读取三个输入通道值开始。在块302处，按幅度将三个输入通道分类成低信号、中信号和高信号。在判定框303处，将高信号和中信号之间的差值的绝对值与失败阈值相比较。如果高信号和中信号之间的差值的绝对值小于失败阈值，则在块304处使用中信号与高信号的平均值作为第一中间值。如果高信号与中信号之间的差值的绝对值大于失败阈值，则第一中间值是M，并且如块305处所指示的为高信号将失败位进行置位。在条件框306处，将低信号和中信号之间的差值的绝对值与失败阈值相比较。在块307处，如果低信号与中信号之间的差值的绝对值小于失败阈值，则将第二中间值确定为低信号与中信号的平均值。在块308处，如果低信号和中信号之间的差值的绝对值大于失败阈值，则第二中间值是中信号，并且为低信号将失败位进行置位。在块309处，将第一和第二输出一起求平均，以在块310处提供输出。

在一些替换实施例中，块303-305以及块306-308处的步骤可以按照先执行块303-305，随后执行块306-308的方式来执行或是按照先执行块306-308，随后执行块303-305的方式来执行，或者替换地，这两组步骤303-305以及306-308可以同时被执行。

图3B图示出根据本发明的替换实施例的示例性方法。在块321处，该例程以读取三个输入通道值开始。在块322处，按幅度来将三个输入通道分类成低信号、中信号和高信号。在判定框323处，将高信号与中信号之间的差值的绝对值与失败阈值相比较。在块324处，如果高信号与中信号之间的差值的绝对值小于失败阈值，则第一中间值是中信号与高信号的平均值。如果高信号和中信号之间的差值的绝对值大于失败阈值，则第一中间值是最后的有效输出，并且如块325处所指示的为高信号将失败位进行置位。在条件框326处，将低信号和中信号之间的差值的平均值与失败阈值相比较。在块327处，如果低信号与中信号之间的差值的绝对值小于失败阈值，则第二中间值是低信号与中信号的平均值。如果低信号和中信号之间的差值的平均值大于失败阈值，则在块328处，第二中间值是最后的有效输出，并且为低信号将失败位进行置位。在块329处，将第一和第二中间值一起求平均，以在块330处提供输出。

在其他实施例中，块323-325以及块326-328处的步骤可以按照先执行块323-325，随后执行块326-328的方式来执行，或是按照先执行块326-328，随后执行块323-325的方式来执行，或者替换地，这两组步骤323-325以及326-328可以同时被执行。

图3C图示出根据本发明的另一个实施例的示例性方法。在块341处，该例程以读取三个输入通道值开始。在块342处，按幅度来将三个输入通道分类成低信号、中信号和高信号。在块344处，将第一中间值计算为中信号和中间偏置的高信号的平均值。在块346处，将第二中间值计算为中信号和中间偏置的低信号的平均值。在块348处，将第一和第二中间值一起求平均，以在块350处提供输出。

图4图示出根据用于容错三输入通道表决的系统400的一个实施例的硬件块图。输入405被耦合到计算机系统450，所述计算机系统450最低限度包含中央处理器(CPU)410和计算机存储器420。在存储器420中存储指令，所述指令包括用于三输入通道表决的算法和进程。存储器420被耦合到CPU410。在一些实施例中，存储器为CPU410提供用于三输入通道表决算法的指令。在一些实施例中，存储器可以采用随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存的形式或者本领域技术人员已知的其他存储器形式。在其他实施例中，CPU410或CPU410和存储器420两者可以被不同种类的微处理器取代，例如专用集成电路或片上系统。计算机可读介质460被连接到CPU410。计算机可读介质460包含软件指令465。软件指令465包括分类功能420、测试功能430以及平均功能440。计算机可读介质460被配置成使得CPU410从计算机可读介质460中检索软件指令。在一些实施例中，计算可读介质可以被实现到系统存储器中，其中系统存储器是非易失性ROM、闪存。CPU410接收输入405，并且通过在分类功能420、测试功能430和平均功能440中找到的指令来将其运行。由CPU执行的测试功能430是以上结合图3A、3B或3C所论述的测试和比较例程之一。然后，将由CPU410运行的平均功能440的输出耦合到控制系统490。

虽然本文已经说明和描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将认识到，为了实现相同目的而被考虑的任何布置都可以代替所示出的具体实施例。因此，明显意在的是，本发明只由权利要求及其等价方式所限制。

示例实施例

示例1包括一种用于三输入通道表决的方法，包括以下步骤：按幅度来将三个输入值分类成高输入值、中输入值和低输入值；测试所述三个输入值，其中所述测试还包括以下步骤：从所述高输入值中减去所述中输入值，以计算第一差值；将所述第一差值的绝对值与失败阈值相比较，其中基于将所述第一差值的绝对值与所述失败阈值相比较来确定第一中间值；从所述低输入值中减去所述中输入值，以计算第二差值；以及将所述第二差值的绝对值与所述失败阈值相比较，其中基于将所述第二差值的绝对值与所述失败阈值相比较来确定第二中间值；以及将所述第一中间值和所述第二中间值求平均，以产生指示所述三个输入值的输出。

示例2包括示例1的方法，其中：如果所述中输入值和所述高输入值之间的差值的绝对值小于所述失败阈值，则将所述中输入值和所述高输入值求平均，以计算所述第一中间值；以及如果中输入和高输入之间的差值的绝对值大于所述失败阈值，则将所述中输入值用作所述第一中间值，以及为对应于所述高输入值的输入通道将失败位进行置位。

示例3包括示例1的方法，其中：如果所述中输入值和所述高输入值之间的差值的绝对值小于所述失败阈值，则将所述中输入值和所述高输入值求平均，以计算所述第一中间值；以及如果所述中输入值和所述高输入值之间的差值的绝对值大于所述失败阈值，则将最后的有效输出用作所述第一中间值。

示例4包括示例1-3的方法，其中：如果中输入值和低输入值之间的第二差值的绝对值小于失败阈值，则将所述中输入值和所述低输入值求平均，以计算为所述第二中间值；以及如果所述中输入值和所述低输入值之间的差值的绝对值大于所述失败阈值，则将所述中输入值用作所述第二中间值，以及为对应于所述低输入值的第二输入信道将第二失败位进行置位。

示例5包括示例1-3中任一项的方法，其中：如果所述中输入值和低输入值之间的第二差值的绝对值小于所述失败阈值，则将所述中输入值和低输入值求平均，以计算为所述第二中间值；以及如果所述中输入值和所述低输入值之间的差值的绝对值大于所述失败阈值，则将最后的有效输出用作所述第二中间值。

示例6包括示例1-5中任一项的方法，其中如果不存在失败条件，则所述第一和第二中间值的平均是所述三个输入通道的中输入值偏置的平均值。

示例7包括示例1-5中任一项的方法，其中如果存在一个失败，则所述第一和第二中间值的平均是基于尚未使比较测试失败的输入通道的中输入值偏置的平均值。

示例8包括示例1-5中任一项的方法，其中：将所述第一中间值计算为所述中输入值和朝向所述中输入值偏置的高输入值的平均值；以及将所述第二中间值计算为所述中输入值和朝向所述中输入值偏置的低输入值的平均值

示例9包括示例8的方法，其中基于作为所述失败阈值百分比的所述第一差值，将所述高输入值朝向所述中输入值偏置。

示例10包括示例8-9中任一项的方法，其中基于作为失败阈值的百分比的所述第二差值，将所述低输入值朝向所述中输入值偏置。

示例11包括一种用于执行简化的容错三输入通道表决的设备，包括：用于从三个度量源接收输入信号的第一模块；其中所述第一模块将所述输入信号分类成低信号、中信号和高信号；与所述第一模块耦合以用于测试所述输入信号的第二模块；其中所述第二模块通过将所述高信号和中信号之间以及所述低信号和所述中信号之间的差值与失败阈值相比较来测试所述差值；所述第二模块提供指示来自所述测试的结果的第一和第二输出；以及耦合至所述第二模块的输出以用于将来自所述第二模块的输出求平均的第三模块。

示例12包括示例11的设备，其中所述第二模块测试所述输入信号与所述失败阈值之间的差值，其中：如果所述中信号和高信号之间的差值的绝对值小于所述失败阈值，则将所述中信号和高信号一起求平均作为对所述第三模块的第一输出；否则，如果所述中信号和高信号之间的差值的绝对值大于所述失败阈值，则将所述中信号用作对所述第三模块的第一输出；以及如果所述中信号和低信号之间的差值的绝对值小于所述失败阈值，则将所述中信号和低信号一起求平均作为对所述第三模块的第二输出；否则，如果所述中信号和低信号之间的差值的绝对值大于所述失败阈值，则将所述中信号用作对所述第三模块的第二输出。

示例13包括示例12的设备，其中：如果所述中信号和高信号之间的差值的绝对值大于所述失败阈值，则将最后的有效输出用作第一输出；以及如果所述中信号和低信号之间的差值的绝对值大于所述失败阈值，则将最后的有效输出用作第二输出。

示例14包括示例11的设备，其中：将所述第一输出计算为所述中信号和朝向所述中信号偏置的高信号的平均值；以及将所述第二输出计算为所述中信号和朝向所述中信号偏置的低信号的平均值。

示例15包括示例11-14中任一项的设备，其中所述第一、第二和第三模块被实现在片上系统应用中。

示例16包括一种用于简化的容错三输入通道表决的系统，包括：提供三个输入信号的多个传感器；与所述传感器耦合的表决设备，还包括：微处理器；以及计算机可读介质；其中，所述计算机可读介质被配置成向所述微处理器提供指令，以执行分类功能、测试功能以及平均功能；其中，所述分类功能按幅度将所述三个输入信号分类成高信号、中信号和低信号；所述测试功能将所述高信号和中信号之间以及所述中信号和低信号之间的差值与失败阈值相比较，并且提供指示所述比较的结果的第一中间值和第二中间值；所述平均功能将来自所述测试模块的第一中间值和第二中间值求平均；以及与所述表决设备耦合的控制系统。

示例17包括示例16的系统，其中所述控制系统是飞行控制系统。

示例18包括示例16-17的系统，其中所述传感器提供空气数据度量。

示例19包括示例18的系统，其中所述空气数据包括静压度量。

示例20包括示例16-19的系统，其中所述分类模块、测试模块和平均模块被实施在片上系统应用中。

Claims (3)

1.一种用于三输入通道表决的方法(300，320，340)，包括以下步骤：

按幅度将三个输入值分类成高输入值、中输入值和低输入值(302，322，342)；

测试所述三个输入值，其中所述测试还包括以下步骤：

从所述高输入值中减去所述中输入值，以计算第一差值(303，323)；

将所述第一差值的绝对值与失败阈值相比较，其中基于将所述第一差值的绝对值与所述失败阈值相比较来确定第一中间值(304，324)；

从所述低输入值中减去所述中输入值，以计算第二差值(306，326)；以及

将所述第二差值的绝对值与所述失败阈值相比较，其中基于将所述第二差值的绝对值与所述失败阈值相比较来确定第二中间值(307，327)；以及

将所述第一中间值和所述第二中间值求平均，以产生指示所述三个输入值的输出(309，329，348)。

2.一种用于执行简化的容错三输入通道表决的设备(200，201，202)，包括：

用于从三个度量源接收输入信号(205)的第一模块(220)；其中

所述第一模块(220)将所述输入信号分类成低信号、中信号和高信号；

与所述第一模块耦合以用于测试所述输入信号的第二模块(230)；其中

所述第二模块(230)通过将所述高信号和中信号之间以及所述低信号和中信号之间的差值与失败阈值相比较来测试所述差值；

所述第二模块(230)提供指示来自所述测试的结果的第一和第二输出；以及

耦合至所述第二模块的输出以用于将来自所述第二模块的输出求平均的第三模块(240)。

3.一种用于简化的容错三输入通道表决的系统(400)，包括：

提供三个输入信号的多个传感器(406)；

与所述传感器(406)耦合的表决设备(450)，还包括：

微处理器(410)；以及

计算机可读介质(460)；其中，

所述计算机可读介质被配置成向所述微处理器(410)提供指令(465)，以执行分类功能(420)、测试功能(430)以及平均功能(440)；其中，

所述分类功能(420)按幅度将所述三个输入信号分类成高信号、中信号和低信号；

所述测试功能(430)将所述高信号和中信号之间以及所述中信号和低信号之间的差值与失败阈值相比较，并且提供指示所述比较的结果的第一中间值和第二中间值；

所述平均功能(440)将来自所述测试模块的第一中间值和第二中间值求平均；以及

与所述表决设备耦合的控制系统(490)。