JPH0656949B2 - 論理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は論理方式の改良に関し、特に、フエイルセイフ
論理方式に係る。

〔従来の技術〕

システム内に万一故障が生じてもシステムの出力が確実
に安全側に向かう様な特性をフエイルセイフという。例
えばＡＴＣ（自動列車制御装置）では装置内に故障が生
じた場合ブレーキ指令が確実に出されることを意味す
る。

従来はこの様な機能を得るためにＡＴＣを含め多くのシ
ステムで電磁リレー論理回路が用いられている。しか
し、交通や化学プラント等、人命と重大災害に係わるシ
ステムの規模が大きくなり、フエイルセイフ回路もまた
大規模化している。

このため、電磁リレーと同等以上のフエイルセイフを半
導体で実現しフエイルセイフシステムの無接点化を図る
方式が種々発表されている。これらは、いずれも３値論
理方式である。

従来、２値論理の電磁リレー接点が故障時にはほぼ確実
にオフ側になることを利用してフエイルセイフを得てい
るのに対し、半導体ではオン，オフ故障の発生確立が等
しい為に「１」，「０」の組合わせのみではフエイルセ
イフ性は得られない。そこで一般的には「１」，「０」
に加え「故障」を示す信号レベルを設定し３値論理とし
ている。

ある論理素子の「故障」信号を受取つた次の素子は自動
的にそれ自体の出力も又「故障」とする様になつてい
る。

ところがこの特性のためには、この種素子で構成した回
路では後段の信号が前段にループバツクされる接続があ
ると、電源投入時にうまく立上ることができない。

すなわち、電源投入時、信号が確立していないため、
「故障」信号と判断されるような信号がループバツクさ
れると、これを受取つた以降の素子は、すべて、「故
障」信号を出力する。従つて、前記ループ内で「故障」
信号が固定されてしまい、正常な起動が不可能となる。
この結果、他の部分から「１」または「０」の正常な論
理信号が与えられても、この状態は解けず結局システム
は起動出来ない。この事情を第１１図にて説明する。

今、オアおよびアンド論理素子３３と３５は３値論理素
子でありその出力モードは「１」「０」「Ｅ」である。
（「Ｅ」は故障を表す）。また、これらの素子は入力端
子のいずれかに「Ｅ」入力があると出力を「Ｅ」にす
る。

この回路は入力端子３１から「１」が入力された状態
で、ホールド指令端子３２から「１」が入力された時に
セルフホールドして端子３４に出力しようというもので
ある。

ところが電源が投入された時に、入力端子に与えられる
信号が正常な信号レベルに確立していなければ、出力は
「Ｅ」となる。論理素子３３の出力「Ｅ」が論理素子３
５の入力端子Ｂに与えられる結果その出力は「Ｅ」に保
持され結局論理素子３３の出力も「Ｅ」の状態が続いて
しまう。

従つて、セルフホールド指令端子３２に「１」が与えら
れ引き続き端子３１から「１」が与えられても各論理素
子の「Ｅ」状態は解除されない。

この問題の簡単な解決策の一例は論理素子３３から論理
素子３３に帰還する線の途中に、論理素子３３の「Ｅ」
出力を無視するような素子を挿入することである（例え
ば、特開昭55−10280 号公報参照。）。

第１２図において３６は、その入力Ａが「０」と「Ｅ」
の時に出力が「０」、入力が「１」の時には「１」、自
己の故障時には「Ｅ」を出力するような論理素子であ
る。この構成では論理素子３５のＢ入力が電源投入時か
ら「０」であるから故障「Ｅ」がラツチされることはな
く、端子１，２に正常な論理値が与えられた時点から、
正常なセルフホールド機能を発揮できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところがこの方式は論理素子３３から論理素子３６に接
続するライン３７が故障した場合には回路の機能が変つ
てしまう。すなわち、論理素子３６が「Ｅ」を出力しな
いため論理素子３５，３３を介して端子３４にはこの故
障が反映されず、この回路は、端子３１の正常入力
「１」あるいは「０」を、そのまま出力端子３４へ出力
してしまう。

このように、故障を知ることはできない。

勿論、「０」側を安全な制御方向に用いている場合には
フエイルセイフと言えるがシステムの信頼性が低下す
る。

ここでは簡単なセルフホールド回路を例に採つて説明し
たが、一般的に「Ｅ」信号を無視するような素子を帰還
回路に導入すると、どのような回路においても同様のこ
とが起こる。

本発明の目的は、フエイルセイフ論理回路において、信
頼性を損うことなく、電源投入時の確実な起動を行い得
る論理装置を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の特徴とするところは、ある一面において、複数
の論理素子を接続したものにおいて、 ．正常な論理値「Ｈ」と「Ｌ」のみを入力したとき正
常な論理値「Ｈ」または「Ｌ」を出力し、正常な論理値
「Ｈ」と「Ｌ」以外を入力したとき異常を表わす論理値
「Ｅ」を出力する第１の論理素子と、 ．後段から前段へ帰還する論理信号を入力する少なく
ともひとつの論理素子であつて、入力の異常を表わす論
理値「Ｅ」を無視し、故障を表わす論理値「Ｋ」を入力
したときまたは自己故障のときのみ異常あるいは故障を
表わす論理値「Ｅ」また「Ｋ」を出力する第２の論理素
子 を備えた論理装置にある。

また、他の一面においては、正常な論理値「Ｈ」と
「Ｌ」、「異常」を表わす論理値「Ｅ」および「故障」
を表わす論理値「Ｋ」を入力または出力する４値論理素
子で、前記第１または第２の論理素子を構成することで
ある。

〔作用〕

このような構成によれば、後段から前段へ帰還する論理
信号を入力する第２の論理素子は、この素子を含む帰還
回路の故障に対して、「異常」または「故障」を表わす
論理値「Ｅ」または「Ｋ」を出力するので、これを受取
る前向きの論理素子の出力も「Ｅ」または「Ｋ」となつ
て、システムの異常を検知できる。また、電源投入時に
は、後段から前段へ帰還する論理信号が確立せず「異
常」を表わす「Ｅ」の状態であつても、前段の前向き論
理素子に正常な論理値「Ｈ」または「Ｌ」のみを伝達す
ることによつて、各論理素子の出力が確立して正常な論
理値となつた時点で、システムは正常に起動する。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図〜第５図を用いて説明する。

ここでは第１図の３および５は、夫々オアおよびアンド
の３値論理素子であつてよい。本発明では論理素子は２
つのタイプに分れ、論理素子６は非反転バツフア機能の
タイプの異る論理素子である。第３図に４種の入力論理
値の解釈の仕方がタイプ１とタイプ２で異なる様子を示
している。

タイプ１，２共に「Ｈ」，「Ｌ」入力はそのまま正常の
論理値として解釈するが、タイプ１が「Ｅ」，「Ｋ」入
力をどちらも前段からの異常情報「Ｅ」と解釈するのに
対し、タイプ２では「Ｅ」入力は少なくとも前段が正常
に機能していることを示しているのであるからこれも
「Ｌ」入力として取扱い、「Ｋ」入力の時のみ前段と当
該論理素子までの間に異常が発生したと解釈する。

この第２のタイプを、非反転バツフア機能の論理素子を
例にとり、第４図に出力の様子を示す。

タイプ１は「Ｅ」，「Ｋ」両入力に対し「Ｅ」を、タイ
プ２（例えば論理素子６）は「Ｋ」入力の時のみ「Ｅ」
あるいは「Ｋ」を出力する。又、論理素子自体に故障が
生じた時にはどちらも「Ｋ」を出力する。

次にＡＮＤ論理を例にとり２入力論理素子の動作を述べ
る。第５図に入出力関係を示す。ここで２つの入力うち
一方のＡ端子は説明の簡単の為「Ｈ」に固定する。する
と端子Ｂ，Ｙ間は第４図の非反転バツフアと同様になる
ので出力はタイプ１，２共に夫々第５図の如くなる。こ
こでNAND論理素子ならばタイプ１，２共に「Ｈ」と
「Ｌ」が入替わり「Ｅ」，「Ｋ」入力に対しては第５図
と同じである。

このような２つのタイプを第１図や第２図の回路に適用
する。第１図では論理素子３と５がタイプ１，論理素子
６が第４図に示したタイプ２の非反転バツフアである。

入力端子２には既に「Ｈ」が与えられているものとす
る。電源を投入した直後では、論理素子３はまだ正常で
なく、自己が不安定のため「Ｋ」を出力する。これを受
けて論理素子６は、例えば、「Ｋ」を出力する。論理素
子５がこの時点で安定であるとすると、「Ｅ」を出力
し、論理素子３は、自己が安定し一方の入力が「Ｅ」で
あるので、「Ｅ」を出力する。論理素子６は、例えば、
「Ｌ」を出力する。ここで初めて論理素子５の両入力は
正常値となり、「Ｌ」を論理素子３に与える。この状態
で端子１に「Ｌ」が入るとＯＲである論理素子３は入力
Ａ，Ｂが共に「Ｌ」であるから出力を「Ｅ」から「Ｌ」
に変える。このとき論理素子６の出力は変化しない。

次に端子１が「Ｈ」に変わると論理素子３の端子Ｙが
「Ｈ」、論理素子６の端子Ｙも「Ｈ」、論理素子５の端
子Ｙもまた「Ｈ」となつて端子４の出力は以後、端子１
が「Ｌ」に落ちても「Ｈ」を保つている。

線路７に故障が生じると、これは論理素子６に対する
「Ｋ」入力であるからその出力は直ちに「Ｅ」となり、
結局端子４は「Ｅ」となつてこの回路の次段に故障情報
が伝達される。勿論、これ以外の部分の総ての故障に対
しても「Ｅ」が出力されることは当然である。

第２図は、論理素子５１がタイプ２のアンド論理素子で
あり、論理素子６を省略している。これも同様の動作が
得られる。この様に２つのタイプの論理素子を用いると
先に述べた３値論理素子のような欠点を除くことが出来
る。

この方式は第１図や第２図の様な簡単な回路よりさらに
複雑な回路において効果が大きい。例えば第６図の様に
２入力２出力のセツト・リセツト回路では、従来の３値
論理方式では仮にＮＯＲ論理素子１５の端子Ｙから、非
反転バツフア論理素子１２の端子Ａに至る線路に故障が
生じてもその情報は出力端子側からは直ちには判定出来
ない。即ち、今仮に端子１０に「Ｈ」，端子１１に
「Ｌ」がセツトされており入力端子８と９はともに
「Ｌ」であるとする。ここで入力端子８が「Ｈ」に立上
がつたとすると本来は端子１０は「Ｌ」，１１は「Ｈ」
にリセツトされる。しかし、ここで、上記の故障により
論理素子１２の端子Ｙは「Ｌ」に固定されているので、
端子８が「Ｈ」である間は出力はその様になるものの、
端子８が「Ｌ」に復帰すると直ちに元のセツト状態に戻
る。ところが出力端子側からはこの動作が故障によるも
のか端子９からのセツト信号によるものかの見分けがつ
かない。従つて、システムとしての信頼性に欠ける。

ところが本方式を採用し、１２と１３をタイプ２の論理
素子とすれば論理素子１２の出力が「Ｅ」となるのであ
るから論理素子１４，１３，１５の順に各出力Ｙが
「Ｅ」となつて両出力ともに異常の発生を次段に伝える
ことができる。

この簡単な例からも理解できる様に、本実施例で帰還信
号を有するどの様なシステムでもすべての出力端に一箇
所の故障を反映させることができ、信頼性を損うことな
く、システム全体の起動容易性，フエイルセイフ性を実
現することができる。

ここで、本発明に用いる論理素子は、第３図〜第５図か
ら明らかなように、原理的には、出力論理値は「Ｈ」，
「Ｌ」および「ＥあるいはＫ」の３値であつてよい。但
し、入力としては、「Ｈ」，「Ｌ」，「Ｅ」の外に
「Ｋ」も有り得、これらを、内部にて、３値のみに判断
している。また、好ましい実施例においては、出力とし
ても、４値を用いることができる。

このような意味において、以下の説明では、これらの論
理素子を４値論理素子と呼ぶこととするが、これに限る
ものではない。

本発明を実施するには以上述べたような２つのタイプの
４値論理素子が必要である。望ましくは、素子の内部に
故障が生じた場合に確実に「Ｋ」出力が得られることで
ある。

このような機能を論理素子に与える方式として、各論理
値毎に異なる周波数のパルスを割当て論理入力端子間の
周波数関係を判定して出力パルスの周波数を決定する
「周波数論理方式」がある。

この方式に関連するものとして例えば米国特許第456477
4 号、日本国公開特許昭59−28725 号、社団法人電子通
信学会技術研究報告Ｒ８３−１６などがある。

この方式では入力周波数、又は複数の入力の周波数の和
の周波数の値が予め用意した複数の参照周波数群のどの
２つの周波数間に入つているかを論理素子が判定し、論
理値として定められた周波数のパルスを発生するととも
に、回路内部に常に自己故障診断して、正常であれば一
定の周期のパルス信号が別途出力され「故障がどの場所
で発生してこのパルスが必ず停止するフエイルセイフ
性」を論理素子に備えることができる。

さら参照周波数値，出力周波数値のいずれもメモリのデ
ータとして自由に設定できるため理論上は極めて多値の
論理システムでも作ることができる、上述のような２つ
のタイプの４値論理素子を実現する手段として好適であ
る。

第７図は論理素子の実施例を示す図であり１６は論理素
子の全体、１７は上述の周波数論理を実行する素子、１
８と１９はＤタイプフリツプフロツプ、ＬＩＡとＬＩＢ
は素子１７の論理周波数入力端子、ＬＯは論理周波数出
力端子、ＣＰは自己故障診断結果表示パルス（高周波）
の出力端子である。

フリツプフロツプ１８において、端子ＬＯの出力を端子
ＣＰの出力でサンプリングすることによつて、素子１７
内部に故障が生じた場合にはフリツプフロツプ１８，１
９の出力パルスが停止し周波数が０となる。

この状態を論理値「Ｋ」とする。

これ以外の論理値「Ｈ」，「Ｌ」，「Ｅ」については、
夫々零ではない周波数ｆＨ，ｆＬ，ｆＥを割当てる。

論理素子１６全体の入出力関係及び素子１７の出力周波
数をタイプ１は第８図、タイプ２については第９図に示
す。

ここで「Ｈ」，「Ｌ」，「Ｅ」，「Ｋ」と記述した信号
は実際にはｆＨ，ｆＬ，ｆＥ，０（Hz）の周波数をもつ
パルス信号である。

第３，４，５図で説明した様な各タイプ毎の機能を得る
ため素子１７の出力周波数をこの様に定めている。素子
１７の入出力関係が第７図では省略した素子１７内部の
メモリに容易に設定できることは先述の公知資料から明
らかである。

端子ＣＰの出力周波数は端子ＬＯの出力周波数のどれよ
りも高く設定してフリツプフロツプ１８の端子Ｑの出力
では周波数が変わらない様にし、フリツプフロツプ１９
で２分の一分周と波形整形を行つてこの様な論理出力の
組合わせを得ている。

なお、ここでは第４図に示した様な非反転バツフアや、
ＮＯＴに相当する反転バツフアの実施例の説明を省略し
たが、これらは素子１７を一入力として、参照周波数値
と出力周波数値を内部メモリに適当に設定すればよい。

これら２つのタイプの論理素子の使用方法を、やや一般
化して第１０図にて説明する。２０は対象となるシステ
ムで左側が入力端，右側が出力端である。システム内に
後段から前段に図のごとく戻る信号がある場合、前段で
これを受取る論理素子２１や２２にはタイプ２を適用
し、その他の順方向の信号を扱う論理素子２３〜２７等
にはタイプ１を適用することにより、第２図，第５図で
説明したと同様の信頼性，起動性およびフエイルセイフ
性のすべてが可能となる。

本来、フエイルセイフ多値論理はシステムの機能とフエ
イルセイフ論理を独立に設計できるという利点があるが
本発明によつてシステム設計上の制限がほぼ解消され、
最近の各種システムの複雑化，高機能化に対応すること
が可能になつた。

なお以上の説明ではＡＮＤなどの論理素子を例に用いた
がこれ以外にはＮＡＮＤ，ＮＯＲ，イクスクルーシブＮ
ＯＲや多入力の多数決論理などの複合形論理機能を有す
るあらゆる論理素子にも本発明が適用できる。また周波
数論理素子はデジタル半導体プロセスで生産するに適し
ているが、本発明は少なくとも４値論理を実行できるあ
らゆる製造プロセスの素子に有効である。

〔発明の効果〕

以上述べた如く本発明によれば多値論理回路システムの
起動が容易となり、しかもあらゆる形の回路構成におい
て一箇所の故障の発生を確実に全てのシステム出力端ま
でリアルタイムに反映させることができフエイルセイフ
性と信頼性を充分に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による論理方式の一実施例を示すセルフ
ホールド論理回路図、第２図は同じく他の実施例図、第
３図〜第５図は本発明による２つのタイプの論理素子の
入出力状態を示す図、第６図は本発明による論理方式の
他の実施例を示すセツトリセツト回路図、第７図は本発
明の望ましい他の実施例を示す周波数論理回路図、第８
図および第９図はその入出力関係をアンド，オアおよび
排他論理和を例に採つて示す図、第１０図は本発明によ
る論理方式におけるタイプ１とタイプ２の使い分けを例
示する図、第１１図および第１２図は従来の論理回路図
である。 ３，５……タイプ１の論理素子（オア，アンド）、５
１，６，１２，１３……タイプ２の論理素子（アンド，
非反映バツフア）。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の論理素子を接続した装置であって、
   この装置の後段から前段に帰還する回路を有する論理装
   置において、 ａ；正常な論理値「Ｈ」と「Ｌ」のみ入力したとき正常
   な論理値「Ｈ」または「Ｌ」を出力し、正常な論理値
   「Ｈ」と「Ｌ」以外を入力したときの異常を表す論理値
   「Ｅ」を出力する第１の論理素子と、 ｂ；論理装置の後段側から出力される信号を前段側へ帰
   還する回路を構成する少なくとも一つの論理素子であっ
   て、正常な論理値「Ｈ」と「Ｌ」のみ入力したとき正常
   な論理値「Ｈ」または「Ｌ」を出力し、前記異常を表す
   論理値「Ｅ」を入力したとき前記正常な論理値「Ｈ」ま
   たは「Ｌ」のうち一方の論理値を出力し、前記「Ｈ」、
   「Ｌ」または「Ｅ」以外の論理値である故障を表す論理
   値「Ｋ」を入力したとき異常を表す論理値「Ｅ」または
   故障を表す論理値「Ｋ」を出力する第２の論理素子 を備えた論理装置。
2. 【請求項２】前記第２の論理素子を、異常を表す論理値
   「Ｅ」を入力したとき、前記正常な論理値「Ｈ」または
   「Ｌ」のうち、安全側の出力論理値である一方の論理値
   を出力するように構成した第１項記載の論理装置。
3. 【請求項３】前記第２の論理素子は、論理装置の入力端
   から出力端へ向かう論理信号と、帰還された論理信号と
   を入力する論理素子である第１項または第２項記載の論
   理装置。
4. 【請求項４】前記第２の論理素子を、後段から前段へ帰
   還するライン中に挿入してなる第１項または第２項記載
   の論理装置。
5. 【請求項５】前記正常な論理値「Ｈ」と「Ｌ」、及び異
   常を表す論理値「Ｅ」は、夫々異なる周波数を持つ交番
   信号である第１項、第２項、第３項または第４項記載の
   論理装置。
6. 【請求項６】前記第１または第２の論理素子は、自己故
   障診断機能を有する第１項、第２項、第３甲第４項また
   は第５項記載の論理装置。
7. 【請求項７】複数の論理素子を接続した装置であって、
   この装置の後段から前段に帰還する回路を有する論理装
   置において、 ａ；正常な論理値「Ｈ」と「Ｌ」のみ入力したとき正常
   な論理値「Ｈ」または「Ｌ」を出力し、正常な論理値
   「Ｈ」と「Ｌ」以外の論理値を入力したときの異常を表
   す論理値「Ｅ」を出力する第１の論理素子と、 ｂ；論理装置の後段側の論理信号を入力して前段側へ帰
   還する論理素子であって、入力の異常を表す前記論理値
   「Ｅ」を無視し、「Ｈ」、「Ｌ」または「Ｅ」以外の論
   理値である故障を表す論理値「Ｋ」を入力したときまた
   は自己故障のときのみ異常あるいは故障を表す論理値
   「Ｅ」または「Ｋ」を出力する第２の論理素子 を備えた論理装置。
8. 【請求項８】少なくとも一つの第１の４値論理素子と、
   少なくとも一つの第２の４値論理素子を有する論理装置
   であって、 論理装置は、正常な論理値「Ｈ」と「Ｌ」、これら正常
   な論理値「Ｈ」または「Ｌ」と異なる論理値である異常
   を表す論理値「Ｅ」および故障を表す論理値「Ｋ」の４
   値を入力または出力するものであり、 第１の論理素子は、論理値「Ｈ」と「Ｌ」のみ入力した
   とき論理値「Ｈ」または「Ｌ」を出力し、論理値「Ｅ」
   および「Ｋ」を入力したとき論理値「Ｅ」を出力するも
   のであり、 第２の４値論理素子は、論理装置の後段側の論理信号を
   前段側へ帰還する回路に挿入され、論理値「Ｈ」、
   「Ｌ」または「Ｅ」を入力したとき論理値「Ｈ」または
   「Ｌ」を出力し、調理値「Ｈ」、「Ｌ」または「Ｅ」以
   外の論理値である「Ｋ」を入力したとき論理値「Ｅ」ま
   たは「Ｋ」を出力するものである 論理装置。