CN111602125A - 电压诊断电路 - Google Patents

Abstract

示出用于监控电压供应部的输出电压的电路。该电路包括用于控制设备的微控制器、移位寄存器和诊断电路。微控制器具有用于接收移位寄存器的串行输出数据的输入端，其中输入端与移位寄存器的串行输出端连接。诊断电路被构造用于诊断电压供应部并且具有诊断输出端，该诊断输出端与移位寄存器的数据输入端连接以用于输入诊断比特。

Description

电压诊断电路

技术领域

本发明涉及一种用于监控电压供应部的电路。

背景技术

为了监控电压供应部，由现有技术已知微控制器，其具有单独的诊断输入引脚以用于与诊断电路连接，其中所述微控制器设置用于通过所述单独的诊断输入引脚读入和评估由所述诊断电路提供的关于电压供应部的状态信号。

发明内容

与此相关，本发明使现有技术充实，不需要单独的诊断输入引脚作为根据本发明的电路的微控制器来读入由诊断电路提供的状态信号。取而代之，根据本发明通过微控制器的串行输入端来读入状态信号，其中所述串行输入端联接到移位寄存器的串行输出端。移位寄存器具有至少一个数据输入端，所述数据输入端与诊断电路的诊断输出端连接，以用于输入状态信号。

在此，概念“串行输入端”，如其在说明书和权利要求中所使用的那样，尤其应理解为端子(或输入引脚)，通过该端子可以以确定的时间时钟相继地读入数据。在此，概念“串行输出端”，如其在说明书和权利要求中所使用的那样，尤其应理解为端子(或输出引脚)，通过该端子可以以确定的时间时钟相继地读取数据。

此外，在说明书和权利要求中使用的概念“移位寄存器”尤其理解为具有多个串联连接的存储单元(例如正反器)的电路，其存储内容(例如各1比特)在每个工作时钟的情况下被进一步移位一个存储单元。此外，概念“诊断电路”如其在说明书和权利要求中所使用那样尤其应理解为如下电路，该电路检验电路的功能的正确性或其前提条件并且以信号表示所识别的实际的或可能的损害。

优选地，数据输入端是移位寄存器的并行接口的组成部分。

在此，在说明书和权利要求中使用的概念“并行接口”尤其应理解为这样的接口，通过该接口可以并行地(并且因此尤其同时)采样多个(尤其彼此独立的)信号。

优选地，移位寄存器的数据输入端被设置用于将诊断比特存储在如下存储位置中，该存储位置的内容在串行输出时首先被输出。

在此，在说明书和权利要求中使用的概念“诊断比特”尤其应理解为表示两个不同的值中的一个值的信号，其中这些值表征电压供应部的状态，例如电压供应部“无故障”和电压供应部“有故障”。此外，在说明书和权利要求中所使用的表述“首先输出”尤其理解为在时间上在输出同样存储在移位寄存器中的另外的比特之前进行的输出。

优选地，移位寄存器被设置用于在不将时钟信号施加到移位寄存器的时钟输入端上和/或施加到移位寄存器上的逻辑电压上的情况下将相应于诊断比特的值施加到微控制器的输入端上。

在此，在说明书和权利要求中所使用的表述“不施加时钟信号”尤其可理解为，在微控制器的输入端上施加与诊断比特相应的值和施加时钟信号之间不存在正因果关系。

优选地，所述电路还包括一个或多个传感器，所述传感器被构造用于连接到第二电压供应部上，其中所述移位寄存器的一个或多个数据输入端与所述一个或多个传感器连接以用于输入传感器数据。

在此，在说明书和权利要求中所使用的概念“传感器”尤其应理解为一种单元，其设置用于从环境变化中导出电信号，所述电信号表征在测量精度范围内的环境变化。

优选地，诊断电路被构造用于连接到第二电压供应部上。

在此，在说明书和权利要求中所使用的概念“电压供应部”尤其理解为在输出侧提供(基本上)恒定的供应电压或具有基本上恒定的有效值的供应电压的电路。

优选地，诊断电路被设置用于通过比特值以信号表示第二电压供应部的欠压或者过压。

在此，在说明书和权利要求中所使用的概念“欠压/过压”尤其应理解为这样的电压，即该电压或其有效值低于或超过规定的阈值，该阈值低于或高于标称值。

根据本发明的微控制器(或包括微控制器的电路，其可以包括前述元件中的一些或全部)可以进一步用在用于监控电压供应部的输出电压的方法中。例如可以(通过诊断电路)监控，输出电压是否位于额定电压范围中并且将符号表示结果的比特值写入移位寄存器的读取位置中，该读取位置可以由微控制器通过移位寄存器的串行接口首先读取。

在此，在说明书和权利要求中所使用的概念“微控制器”尤其应理解为集成电路，该集成电路包括处理器并且其壳体具有多个配属于输入端的用于将微控制器与其他电路部分连接的连接引脚。

表示在移位寄存器的第一读取位置中存储的比特值的电压可以持续地施加到与串行接口连接的信号线，该信号线将微控制器与移位寄存器连接，从而在没有时间时钟信号的情况下也能够为微控制器提供状态值。

例如，信号线可以(必要时通过电位隔离装置，例如光耦合器)与微控制器壳体的连接引脚连接，由此在读取暂停期间在信号线上给出的、与诊断比特值相应的电平通过微控制器的串行输入端持续地(以更新的形式)可供使用，并且可以由微控制器在任意时间点读入和评估，以检验供应电压。

该方法还可以包括基于从该移位寄存器读取的测量数据来控制设备，其中通过传感器产生测量数据，在所述传感器处施加输出电压或者由输出电压导出的(产生的)电压。

在此，在说明书和权利要求中所使用的概念“设备”尤其理解为自动化系统，其包括被供应有现场电源(例如24V)的传感器和执行器。因此，检验供应电压的可能性允许识别测量数据在不利条件下完成并且因此(可能)更高可能性是不正确的情况。

附图说明

下面借助示例性实施例在详细描述中解释本发明，其中参考附图，其中：

图1是用于监控电压供应部的输出电压的示例电路的框图；

图2a是根据第一示例的在图1的示例性电路中在所选择的输入端/输出端上的电压变化曲线的示意图；

图2b是根据第二示例的在图1的示例性电路中在所选择的输入端/输出端上的电压变化曲线的示意图；

图2c是根据另一个示例的在图1的示例性电路中在所选择的输入端/输出端上的信号的示意图；

图3是图1的示例电路的附加元件的框图；

图4是图3的示例电路的附加元件的框图；并且

图5是用于监控电压供应部的输出电压的流程图。

在此，附图中相同的元件由相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出用于监控电压供应部12的输出电压的示例电路10的框图。电路10包括用于控制设备(图1中未示出)的微控制器14、多个移位寄存器16a-16c和诊断电路18。诊断电路18用于监控电压供应部12(例如24V的现场电源)的输出电压U1的欠压。如果如图2a和2b所示，电压供应部12的输出电压U1降到阈值U_GRENZ以下，则诊断电路18通过状态信号的变化(例如通过状态信号电平的变化)在诊断输出端22上以信号表示这一点。

诊断电路18的诊断输出端22与移位寄存器16a的数据输入端D7连接，以用于输入诊断比特。微控制器14具有输入端，用于接收移位寄存器16a-16c的串行输出数据，其中所述输入端通过(可选的)电位隔离装置24(例如光耦合器或数字隔离器)与所述移位寄存器16a的串行输出端Q7连接。由此，状态信号可以通过移位寄存器16a和微控制器14的串行输入端作为诊断比特被读入。

例如(如图2a和2b中所示)，可以通过输出确定的逻辑电平，例如通过在诊断输出端22上输出低电平或高电平以信号表示欠压(U1＜U_GRENZ)。此外，诊断电路18不限于识别欠压。例如，代替监控输出电压U1的欠压或者除了监控输出电压的欠压之外，诊断电路18可以被构造成监控输出电压U1的过压。此外，如果诊断电路18被构造用于监控输出电压U1的欠压和过压，则可以输出状态信号，该状态信号的电平以信号表示是存在欠压还是存在过压。

此外，代替单个的状态信号，可以输出两个状态信号，其中例如，状态信号的电平与欠压的信号表示相关联，并且剩余状态信号的电平与过压的信号表示相关联。备选地，状态信号的电平可以用信号表示是否存在欠压或者过压(或者既没有欠压也没有过压)并且在欠压或者过压的情况下剩余的状态信号的电平用信号表示是否存在欠压或者是否存在过压。例如，状态信号可以经由诊断输出端22串行地输出，或者经由两个诊断输出端(未示出)并行地输出。

通过输出用于用信号表示电压供应问题(即欠压或过压)的低电平，在其中诊断电路18的供应电压U2(逻辑电压)由所监控的电压供应部12的输出电压U1(通过电压转换器20)生成的实施方式中可以避免，在输出电压U1完全垮掉的情况下，例如在图2a中在时间点t₄开始的情况下，在诊断电路18的诊断输出端22上输出由电压降引起的歪曲的状态信号。

然而，也可能有利的是，通过输出高电平来用信号表示电压供应问题(也就是说，欠压或过压)。例如，(可选的)电位隔离装置24可以被设置成在电压供应部12完全失效的情况下，例如如图2b中在时间点t₄所示，生成高电平。在使用高电平用信号表示电压供应问题时，可以避免通过电位隔离装置24的状态信号电平的由电压降引起的歪曲的传输。

图2a为此示出图1的电路的所选择的输入端/输出端上的电压变化曲线的示意图，其中通过在诊断输出端22上输出低电平由诊断电路18来用信号表示欠压。在图2a中示出的图示中，在时间点t₁输出电压U1开始下降。例如，到电压供应部12的连接可能已经中断。只要输出电压U1还位于临界电压U_GRENZ之上，则在诊断电路18的诊断输出端22上产生高电平。然而，在输出电压U1下降到临界电压U_GRENZ以下之后，在诊断电路18的诊断输出端22上产生低电平，该低电平用信号表示电压供应问题。

如图2a中所示，在与诊断电路18连接的移位寄存器16a的第一比特位置上存储与状态信号的相应电平相对应的比特值(诊断比特)。此外，在移位寄存器16a的与微控制器14的输入端连接的串行输出端Q7上产生与在第一比特位置上存储的比特值相对应的电平。由此，诊断比特值可供微控制器14使用(或者允许通过微控制器14进行监控)，而不必通过微控制器14读取(完整的)移位寄存器16a。因为在LOAD信号的相应的电平的情况下连续地读入状态信号，所以在时间点t₂中所述比特值重新变化，在所述时间点输出电压U1升到超过临界电压U_GRENZ。由此，也可以向微控制器14用信号表示克服(暂时的)电压供应问题，而不必通过微控制器14读取(完整的)移位寄存器16a。

然后，可以通过将时钟信号SCLK施加到移位寄存器16a-16c的时钟输入端来实现对与微控制器14的输入端连接的移位寄存器16a的读取(在LOAD电平反转的情况下)。通过将时钟信号SCLK施加到移位寄存器16a-16c的时钟输入端，存储在移位寄存器16a-16c中的数据在时钟信号SCLK的时钟中沿移位方向被移位到与微控制器14的输入端连接的串行输出端Q7，从而存储在移位寄存器16a-16c中的比特值被相继地通过串行输出端Q7输出。

在时间点t₃输出电压U1降到临界电压U_GRENZ之下虽然不能(在所示的实施方式中)被微控制器14检测到；然而，由于在输出电压U1高于阈值电压U_GRENZ的时间点检测到存储在移位寄存器16a-16c中的数据，因此这不会对检测到的数据的完整性产生问题。然而，当由电压供应部12对移位寄存器16a-16c供电时，在时间点t₃处输出电压U1下降到临界电压U_GRENZ以下可能影响移位寄存器16a-16c的功能。

为了考虑这一点，(可选的)电位隔离装置24可以被设置用于通过输出静态电平来用信号表示在时间点t₄开始的输出电压U1的完全跌落。这可以由微控制器14检测，并且微控制器14可以被配置为响应于检测到静态电平而输出引起读入状态信号的(反转)的LOAD电平，从而在输出电压U1返回时可以检测到克服电压供应问题。

图2b示出图1的电路的所选择的输入端/输出端上的电压变化曲线的示意图，其中通过在诊断输出端22上输出高电平由诊断电路18来用信号表示欠压。在此，电位隔离装置24在时间点t₄在微控制器14的MISO输入端上产生高电平，该MISO输入端在SCLK信号停止时向微控制器14用信号表示电压供应问题。

图2c示出根据另一个示例的在图1的示例性电路中在所选择的输入端/输出端上的信号的示意图，其中通过在诊断输出端22上输出高电平由诊断电路18来用信号表示错误的输出电压U1。在此，在时间点t0进行标准运行，在所述标准运行中不存在电压供应问题并且存储在移位寄存器16a-16c中的数据通过微控制器14的MISO输入端被读入。LOAD线被定期服务，并且SCLK信号将数据以时钟式输入到微控制器14中。

在时间点t1，输出电压U1低于临界值U_Grenz。如果输出电压U1在标准运行中为24V，则该临界值例如为18V。由输出电压U1通过开关调节器/电压转换器生成逻辑供应(例如3.3V或5V逻辑供应)。逻辑供应可以由位于临界值UGrenz以下的输出电压U1(无故障)生成，只要该输出电压位于电压UMin以上即可。

微控制器14以一定的处理时间tSWCalc识别到，在用信号表示输出电压U1的状态的数据流中的诊断比特(DIAG比特)用信号表示错误的输出电压U1，并且通过微控制器14不再对SCLK线进行计时来调节与移位寄存器16a-16c的数据通信。然后将LOAD线保持在静态低电平(在另一个实施方式中也可以是高电平)，从而将DIAG信号静态地切换到MISO线。

微控制器14现在连续地查询MISO输入端并且检验DIAG比特或者状态信号是否用信号表示输出电压U1的返回。如果输出电压U1如在时间点t2再次超过阈值U_Grenz，则DIAG比特将其值“无错误地”变换到输出电压U1上。因为微控制器14持续查询数据输入信号(MISO)的端口引脚，所以软件识别出输出电压U1再次处于正常范围中。然后数据通信可以被恢复。这意味着LOAD信号可以再次周期性地操作并且SCLK信号对输入数据进行计时。

如果如在时间点t3那样输出电压U1完全垮掉并且低于UMin，则微控制器14在DIAG比特上识别到该情况并且调节数据通信。随后对端口引脚的定期查询如在时间点t1+SWCALC那样进行，唯一的区别是，输出电压U1完全垮掉。这在相应的电路设计中可以通过微控制器14识别为完全垮掉的输出电压U1。

例如，电位隔离装置24可以具有数字隔离器，该数字隔离器在输出电压U1完全垮掉时在微控制器侧持久地输出固定电平。固定电平可以精确地对应于表示错误输出电压U1的电平。一旦然后在时间点t₄又恢复了输出电压U1，则DIAG比特又用信号表示输出电压U1的正确状态。

因此，在施加时钟信号SCLK之前和施加时钟信号SCLK之后，可以通过串行输出端Q7输出诊断比特值，而在施加时钟信号SCLK期间，可以通过串行输出端Q7连续输出存储在移位寄存器16a-16c中的输出数据。然而，在另一个实施方式中，移位寄存器16a可以被设计为使得仅通过施加时钟信号SCLK来引起诊断比特值的读取，从而在施加时钟信号SCLK之前和之后，不经由串行输出端Q7输出诊断比特值。

此外，与状态信号的各个电平相对应的比特值还可以被存储在与诊断电路18连接的移位寄存器16a的与第一比特位置不同的另外的比特位置处。此外，移位寄存器16a-16c可以具有两个移位方向并且数据的读入和输出通过移位寄存器16a-16c进行。

图3示出图1的示例电路10的附加元件的框图。尤其，图3示出传感器电路26，其包括一个或多个传感器和用于提供测量数据的多个并行输出端。传感器电路26的输出端与移位寄存器16a-16c的并行输入端D0-D7连接。因此，传感器数据可以并行地被加载到移位寄存器16a-16c中。传感器电路26此外通过电压供应部12供电。如果出现欠压或过压，则传感器电路26的功能可能受到影响，并且因此不能提供传感器数据或提供不正确的传感器数据。

该问题可以通过提供诊断比特值(或多个诊断比特值)来缓和，只要微控制器14通过分析一个诊断比特值(或多个诊断比特值)并且在出现欠压或过压时丢弃(可能)涉及的传感器数据可以降低使用不正确数据的危险即可。例如，当出现欠压或过压时，微控制器14可以使传感器数据可信，使用来自冗余传感器电路(未示出)的传感器数据，或者停止基于传感器数据控制的过程。

图4示出图3的示例电路10的附加元件的框图。尤其，除了图3中所示的传感器电路26之外，图4还示出同样由电压供应部12供应的执行器电路28。传感器电路26和执行器电路28是通过微控制器14控制的设备30的一部分。例如，微控制器14基于传感器电路26的传感器数据来控制执行器电路28的一个或多个执行器。在此，执行器电路28的一个或多个执行器可以包含在由执行器影响/控制的过程中。例如，在检测到欠压时，微控制器14可以使执行器停止或转换到预定状态，以避免设备30的可能的未受控制(不期望)的状态。

图5示出用于监控电压供应部12的输出电压的流程图。在32处，监控电压供应部12的输出电压是否处于额定电压范围中。在34处，将符号表示监控结果的比特值写入到移位寄存器16a的第一读取位置中，该第一读取位置由微控制器14通过移位寄存器16a的串行接口Q7来读取。可以在没有移位寄存器16a的时钟的情况下进行将比特值写入移位寄存器16a的第一读取位置中。

为了将监控结果传输给微控制器14，在此可以如在图1、3和4中所示的那样使用I/O传输链路，该I/O传输链路通过串行的同步接口运行。在此，I/O传输链路可以控制被构造为并行串行转换器的移位寄存器16a-16c，这些移位寄存器在现场侧运行并且经由现场侧的逻辑供应U2来供应，其中现场侧的逻辑供应U2能够从(24V的现场电压)U1生成。此外，逻辑供应U2也可以由逻辑电位的电压生成。

U1以及U2可以通过诊断电路18来监控欠压和过压。诊断电路18基于该监控产生状态信号，所述状态信号在供应电压U1/U2无故障时例如对应于低电平并且在供应电压U1/U2有故障时例如对应于高电平，其中相反的特性同样是可能的。

通过构造为并行串行转换器的移位寄存器16a，状态信号可以由一个(或多个)微控制器14在逻辑电位上读入并且进一步处理。在此，状态信号可以被写入到并行串行转换器的第一比特位置上，由此诊断比特是由所述一个(或多个)微控制器14在I/O传输链路的时钟期间读入的第一比特。

如果如图2a-2c所示，并行串行转换器是这样的结构，即在没有I/O传输链路的时钟的情况下，用于第一比特的连接引脚的信号状态也被输出到串行输出端Q7上，则也可以在没有传输链路的时钟的情况下实现状态信号的读入。由此可以通过仅仅查询微控制器14的相应的连接引脚(MISO)上的信号状态并且在没有串行同步接口的运行(也就是说没有时钟)的情况下查询电压供应部12(现场电源)的状态并且检查返回。

此外，能够节省微控制器14上的光耦合器/数字隔离器和端子/端口引脚，因为在端口扩展器上而不是在微控制器14上使用必要时原本(如图3和图4中所示)未占用的引脚。此外，端口扩展器扩大(通过添加另一个移位寄存器16)在任何时间是可能的，而微控制器引脚的数量通常受限。

如果电路10是安全相关系统的一部分，由于标准要求，可能需要硬件的双信道结构。尤其，系统可以包括两个微控制器14、两个I/O传输链路和两个诊断电路18。

附图标记列表

10 电路

12 电压供应部

14 微控制器

16 移位寄存器

18 诊断电路

20 电压转换器

22 诊断输出端

24 电位隔离装置

26 传感器电路

28 执行器电路

30 设备

32 过程步骤

34 过程步骤

Claims (10)

1.一种电路(10)，包括：

用于控制设备的微控制器(14)；

移位寄存器(16)；和

诊断电路(18)；其中

所述微控制器(14)被构造用于连接到第一电压供应部上并且具有用于接收所述移位寄存器(16)的串行输出数据的输入端(MISO)，其中所述输入端(MISO)与所述移位寄存器(16)的串行输出端(Q7)连接，

所述移位寄存器具有至少一个数据输入端(D7)，

所述诊断电路(18)被构造用于诊断第二电压供应部(12)，并且所述诊断电路(18)的诊断输出端(22)与所述移位寄存器(16)的数据输入端(D7)连接，以输入诊断比特。

2.根据权利要求1所述的电路(10)，其中所述数据输入端(D7)是所述移位寄存器(16)的并行接口(D0-D7)的组成部分。

3.根据权利要求1或2所述的电路(10)，其中所述移位寄存器(16)的数据输入端(D7)被设置用于将所述诊断比特存储在存储位置上，在所述串行输出时首先输出所述存储位置的内容。

4.根据权利要求3所述的电路(10)，其中所述移位寄存器(16)被设定用于将相应于所述诊断比特的值施加到所述微控制器(14)的输入端(MISO)上，而不将时钟信号(SCLK)施加到所述移位寄存器(16)的时钟输入端上和/或施加到所述移位寄存器(16)上的逻辑电压(U2)上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电路(10)，还包括：

一个或多个传感器，所述传感器构造用于连接到所述第二电压供应部(12)上；其中

所述移位寄存器(16)的一个或多个数据输入端(D0-D6)与所述一个或多个传感器连接以用于输入传感器数据。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电路(10)，其中所述诊断电路(18)被构造用于连接到第二电压供应部(12)上。

7.根据权利要求6所述的电路(10)，其中所述诊断电路(18)被设置用于通过比特值以信号表示所述第二电压供应部(12)的欠压或过压。

8.一种用于监控电压供应部(12)的输出电压(U1)的方法，包括：

监控(32)输出电压(U1)是否处于额定电压范围中；并且

将监控的结果以信号表示到微控制器(14)上；

其特征在于：

将符号表示所述结果的比特值写入(34)移位寄存器(16)的读取位置中，所述读取位置由所述微控制器(14)经由所述移位寄存器(16)的串行接口(Q7)首先读取。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

持续地将表示在所述移位寄存器(16)的第一读取位置中所存储的比特值的电压施加到与所述串行接口(Q7)连接的信号线上，所述信号线将所述微控制器(14)与所述移位寄存器(16)连接。

10.根据权利要求8或9所述的方法，还包括：

基于从所述移位寄存器(16)读取的测量数据控制设备(30)；其中

通过传感器产生测量数据，在所述传感器处施加输出电压(U1)或从输出电压(U1)导出的电压(U2)。

Images