DE10026900A1 - Passive CMOS-Eingangsschaltung - Google Patents

Abstract

Passive Verarbeitungsschaltung für die Verarbeitung eines masseseitigen Schalterschlusses an einem CMOS-Eingang (20) einer Mikrocontrollereinheit MCU, insbesondere geeignet für elektrische Gleichspannungsanlagen z. B. im Kraftfahrzeugbereich, bei denen Masse-Offsets auftreten können. Drei Widerstände (R1, R2, R3) sind zwischen dem Versorgungs- und dem Massepotential einer Gleichspannungsversorgung geschaltet. Ein Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Widerstands (R1, R2) steht in Kontakt zu einem Ausgang (16) eines geerdeten Eingangsschalters (12). Die Verbindung des zweiten und dritten Widerstands (R2, R3) steht in Kontakt zum CMOS-Eingang (20). Ein vierter Widerstand (R4) stellt einen Kontakt zwischen dem bidirektionalen Eingang/Ausgang (22) der MCU und dem Verbindungspunkt des zweiten und dritten Widerstands her. Die MCU führt einen Algorithmus aus, durch welchen es dem Widerstand (R4) selektiv ermöglicht beziehungsweise nicht ermöglicht wird, mit dem zweiten und dritten Widerstand zusammenzuwirken. Die Schaltung bietet eine kosteneffiziente Lösung zur Ausdehnung des Bereiches der Versorgungsspannung, über den ein Schalterschluss an einem CMOS-Eingang korrekt erkannt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Schaltungen für die Verar­ beitung von Schalterbetätigungen in elektronischen Schalt­ kreisen, insbesondere eine verbesserte passive Eingangs­ schaltung für die Verarbeitung des Schließvorgangs eines ge­ erdeten mechanischen Eingabeschalters an einem CMOS Eingang. Die Erfindung ist insbesondere in elektrischen Gleichstrom­ anlagen von Kraftfahrzeugen einsetzbar.

Kraftfahrzeuge weisen verschiedene elektronische Module zur Ausführung verschiedener unterschiedlicher, mit dem Fahrzeug­ betrieb zusammenhängender Funktionen auf. Zu den möglichen Eingangssignalen für derartige Module gehören Eingangssignale von mechanischen Schaltern. Der Einsatz mechanischer Schalter ist in Kraftfahrzeugen aus verschiedenen Gründen sinnvoll, zum Beispiel aufgrund ihrer Eignung für die vielfältigen Um­ gebungsbedingungen, denen Fahrzeuge während ihrer Nutzungs­ dauer ausgesetzt sein können, aufgrund ihrer Kosteneffizienz sowie aufgrund ihrer allgemeinen Zuverlässigkeit. Mechanische Erdungsschalter können im Kraftfahrzeugbereich in vielen ver­ schiedenen Anwendungsbereichen sinnvoll eingesetzt werden.

Aufgrund der Beschaffenheit bestimmter mechanischer Erdungs­ schalter und der Beschaffenheit bestimmter elektrischer Sys­ teme in Kraftfahrzeugen führt das Schließen eines derartigen Schalters nicht immer zu einer "wahren" Erdung, das heißt null Volt, am Eingang eines elektronischen Moduls, das den Schalter überwacht oder ausliest. Am Eingang des Moduls kann vielmehr ein Masse-Offset anliegen, was bedeutet, dass die bei einem Schließen des Schalters an dem Modul anliegende tatsächliche Eingangsspannung zwar nahe bei, jedoch nicht ex­ akt gleich null Volt ist. Der geschlossene Schalter kann fer­ ner eine gewisse Reihenimpedanz im Eingang des Moduls, mit dem dieser elektrisch verbunden ist, aufweisen. Des weiteren kann ein elektrisches Versorgungssystem eines Kraftfahrzeuges eine tatsächliche Versorgungsspannung liefern, die beträcht­ lich vom nominellen Wert abweicht. Die Spannungsabweichungen von einer nominellen +12 V Gleichspannung in einem Kraftfahr­ zeug können im Extremfall von wenigen Volt oberhalb des Mas­ sepotentials bis zu beträchtlich oberhalb des nominellen Wer­ tes gelegenen Spannungen reichen, so zum Beispiel von +6 V Gleichspannung bis +18 V Gleichspannung.

Zur Verarbeitung des Schließvorganges derartiger Schalter in Kraftfahrzeugen enthalten die entsprechenden Module häufig eingebundene Mikrocomputereinheiten. Derartige Mikrocomputer­ einheiten weisen in der Regel Eingangsstrukturen vom CMOS-Typ auf. Dementsprechend ist es bekannt, das Schließen eines ge­ erdeten Schalters an einen CMOS-Eingang zu verarbeiten. Eine bekannte Verarbeitungsschaltung zur Pegelanpassung (level shifting) eines Schalters auf der Masseseite an einem CMOS- Eingang umfasst eine Diode und drei Widerstände. In einem e­ lektrischen System positiver Polarität ist die Anode der Dio­ de mit der positiven Versorgungsspannung verbunden, und die Kathode der Diode ist mit einem Anschluss des ersten der drei Widerstände verbunden. Der zweite und dritte Widerstand sind in Reihe zwischen dem anderen Anschluss des ersten Widerstan­ des und Masse angeschlossen. Der Ausgangsanschluss des mecha­ nischen Schalters ist mit dem Verbindungspunkt des ersten und zweiten Widerstandes verbunden, während der Eingangsanschluss des Schalters mit der Erdung der elektrischen Anlage gekop­ pelt ist. Der Verbindungspunkt des zweiten und dritten Wider­ standes ist mit dem entsprechenden CMOS-Eingang des Moduls verbunden, welches den Zustand des Schalters überwachen soll.

Durch die Diode wird ein Spannungsschutz gewährleistet, indem negative Transienten, die auf der Versorgungsspannungsleitung auftreten können, an einem Erreichen des CMOS-Eingangs gehin­ dert werden. Durch den ersten Widerstand wird ein Potential gewährleistet, das der mechanische Schalter herunterziehen kann. Ferner wird hierdurch ein gewisser Benetzungsstrom (wetting current) für den Schalter gewährleistet, welcher da­ zu beiträgt, die Schaltkontakte sauber bzw. korrosionsfrei zu halten. Durch den zweiten Widerstand wird der elektrische Strom begrenzt, der aufgrund von Spannungen, die die nominel­ le Spannung übersteigen, aus den Versorgungsspannungs­ leitungen in den CMOS-Eingang fließen kann (Gleichspannung oder transient). Der dritte Widerstand vervollständigt einen Spannungsteiler, durch welchen verhindert wird, dass eine po­ sitive Masse-Offsetspannung beim Schließen des Schalters als logisches "1"-Signal falsch interpretiert oder falsch ausge­ lesen wird. Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen bekann­ ten Verarbeitungsschaltung besteht darin, dass diese verhält­ nismäßig wenige Schaltungskomponenten enthält.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis bestimm­ ter Beschränkungen der bekannten Schaltung, welche unter be­ stimmten Bedingungen dazu führen können, dass der tatsächli­ che Schalterzustand fehlinterpretiert oder falsch ausgelesen wird, und zwar entweder als logisches "1"-Signal, wenn das korrekte Signal ein logisches "0"-Signal sein sollte, oder als logisches "0"-Signal, wenn das korrekte Signal ein logi­ sches "1"-Signal sein sollte.

Es ist davon auszugehen, dass derartige falsche Auslesevor­ gänge u. a. aus einem oder mehreren der folgenden Gründe auf­ treten: Eine mehr als 5%ige Varianz in den Widerstandswerten von Widerständen mit nominell 5%iger Toleranz aufgrund von Faktoren wie der Bauteilalterung und thermischen Effekten; der Unfähigkeit eines CMOS-Eingangs, den logischen Wert eines Einganges in einem bestimmten mittleren Abschnitt des Ein­ gangsspannungsbereichs festzustellen (zum Beispiel in einem mittleren Abschnitt zwischen +1 V und +3,5 V im Falle eines Moduls, welches eine +5 V Versorgungsspannung verwendet); Un­ gleichheit zwischen den tatsächlichen Werten der Massespan­ nung am Schalter und der Massespannung am Modul; eine signi­ fikante Schalterimpedanz im geschlossenen Zustand sowie Ab­ weichung der tatsächlichen Versorgungsspannung von dem nomi­ nellen Wert (das heißt +6 V bis +18 V).

Andere als die vorstehend erwähnten Faktoren (zum Beispiel Schalter-, Kabelbaum- oder Leiterplattenleckagen) können ebenfalls eine Rolle spielen, welche jedoch im allgemeinen als weniger bedeutend anzusehen ist. Trotz der ungünstigen Einflüsse der erwähnten Faktoren wird die bekannte, vorste­ hend beschriebene Verarbeitungsschaltung für Versorgungsspan­ nungen von +10 V bis +16 V für geeignet gehalten.

Da es jedoch möglich ist, dass die Versorgungsspannung in ei­ nem Kraftfahrzeug über einen ausgedehnteren Bereich als zwi­ schen +10 V und +16 V variiert, erscheinen weitere Verbesse­ rungen in den Verarbeitungsschaltungen für Schalterschlüsse wünschenswert. Es ist zwar möglich, derartige Verbesserungen durch aktive (im Gegensatz zu passiven) Verarbeitungsschal­ tungen zu erzielen. Aktive Verarbeitungsschaltungen führen jedoch im allgemeinen zu höherer Komplexität und höheren Kos­ ten.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Lösung unter Verwendung passiver Verarbei­ tungsschaltungen zu erzielen.

Der Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung aus­ geht, wird durch die US 44 20 669, US 45 32 432, US 51 84 026, US 57 54 890 sowie US 57 83 875 repräsentiert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Schal­ tung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Allgemein ausgedrückt betrifft die vorliegende Erfindung eine passive Verarbeitungsschaltung zur Verarbeitung eines masse­ seitigen Schalterschlusses an einem CMOS-Eingang. Die Erfin­ dung ist insbesondere in elektrischen Gleichstromanlagen von Kraftfahrzeugen, in denen Masse-Offsets auftreten können, vorteilhaft einsetzbar.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft eine Verarbei­ tungsschaltung zur Verwendung mit einer Gleichstromver­ sorgung, die Versorgungs- und Massepotentiale umfasst, um das masseseitige Schließen eines Schalters an einem CMOS-Eingang einer Mikrocomputereinheit bzw. Mikrocontrollereinheit (MCU) zu verarbeiten, die ferner eine bidirektionale Einga­ be/Ausgabe (I/O) aufweist, wobei die Verarbeitungsschaltung in Kombination mit dem Schalter und der MCU folgende Elemente aufweist: einen ersten Widerstand, durch welchen ein Ausgang des Schalters, an welchen während des Schalterschlusses die Masse gelegt wird, für die Verbindung mit dem Versorgungspo­ tential angepasst wird; zweite und dritte Widerstände in Rei­ he, in dieser Reihenfolge, durch welche der Schalterausgang angepasst wird, um mit dem Massepotential verbunden zu wer­ den; und einen vierten Widerstand, durch welchen der bidirek­ tionale I/O der MCU mit einem Knoten verbunden ist, welcher von dem CMOS-Eingang, dem zweiten Widerstand und dem dritten Widerstand gebildet wird, um zu bewirken, dass der äquivalen­ te Widerstand zwischen diesem Knoten und dem Massepotential verhältnismäßig größer ist, wenn die MCU den bidirektionalen I/O als Eingang konfiguriert, und verhältnismäßig kleiner ist, wenn die MCU den bidirektionalen I/O als Ausgang zur Masse konfiguriert.

Ein anderer wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug enthaltend: eine elektrische Anlage mit einer elektrischen Spannungsversorgung, die elektrische Gleich­ spannung über Versorgungs- und Massepotentiale bereitstellt; eine Masseverbindung vom Massepotential des elektrischen Gleichstromsystems zur Masse des Fahrzeugs; einen Schalter mit Schaltkontakten zwischen einem ersten Anschluss des Schalters und einem zweiten Anschluss des Schalters, der se­ lektiv in einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand versetzt werden kann, um einen Strompfad zwischen dem ersten und zweiten Anschluss zu öffnen und zu schließen; einer Mas­ severbindung vom ersten Anschluss des Schalters zur Masse des Kraftfahrzeuges; einer mit elektrischer Spannung vom elektri­ schen System des Kraftfahrzeuges versorgten MCU, welche eine MCU-Masse, einen bidirektionalen Eingang/Ausgang (I/O) und einen CMOS-Eingang aufweist; eine Masseverbindung von der MCU-Masse zur Masse des Fahrzeugs; eine Verarbeitungs­ schaltung, welche den Schalter mit dem elektrischen System des Fahrzeuges und der MCU verbindet, um die MCU in die Lage zu versetzen, den Zustand der Schaltkontakte zu lesen; wobei die Verarbeitungsschaltung enthält: einen ersten Widerstand, durch welchen der zweite Anschluss des Schalters mit dem Ver­ sorgungspotential verbunden ist; zweite und dritte Widerstän­ de in Reihe, in dieser Reihenfolge, durch welche der zweite Anschluss des Schalters mit einer der Massen verbunden ist; und einen vierten Widerstand, durch welchen der bidirektiona­ le I/O der MCU mit einem Knoten verbunden ist, der dem CMOS- Eingang, dem zweiten Widerstand und dem dritten Widerstand gemeinsam ist, um zu bewirken, dass der äquivalente Wider­ stand zwischen jenem Knoten und der einen Masse verhältnismä­ ßig größer ist, wenn die MCU den bidirektionalen I/O als Ein­ gang konfiguriert, und verhältnismäßig kleiner ist, wenn die MCU den bidirektionalen I/O als Ausgang zur MCU-Masse konfi­ guriert.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren für eine MCU, welche einen CMOS-Eingang und einen bidirektionalen Eingang/Ausgang (I/O) aufweist, um das Schließen eines Erdungsschalters in einem Kraftfahrzeug mit einer Gleichspannungsquelle und mit einer Verarbeitungs­ schaltung zu erkennen, wobei die Verarbeitungsschaltung ent­ hält: einen ersten Widerstand, durch den ein Ausgang des Schalters, an den während des Schließens des Schalters Masse gelegt ist, mit einem Versorgungspotential der Gleichspan­ nungsquelle verbunden wird; zweite und dritte Widerstände in Reihe, in dieser Reihenfolge, durch welche der Schalteraus­ gang mit Masse verbunden wird; und einen vierten Widerstand, durch welchen der bidirektionale I/O der MCU mit einem Knoten verbunden ist, welcher dem CMOS-Eingang, dem zweiten Wider­ stand und dem dritten Widerstand gemeinsam ist; wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Konfiguration des bidirektionalen Eingangs/Ausgangs, um dem vierten Widerstand zu erlauben, mit dem zweiten und dritten Widerstand zusammenzuwirken, und, während der bidirektionale Eingang/Ausgang derartig konfiguriert ist, Lesen eines Sig­ nals am CMOS-Eingang;
Annahme des gelesenen Signals als ein korrektes Signal, falls das gelesene Signal mit einem der logischen Pegel eines binä­ ren logischen Signals korrespondiert;
falls das gelesene Signal mit dem anderen logischen Pegel des binären Signals korrespondiert: Rekonfiguration des bidirek­ tionalen Eingangs/Ausgangs, um den vierten Widerstand nicht mehr mit dem zweiten und dritten Widerstand zusammenwirken zu lassen, und dann erneutes Auslesen des Signals am CMOS- Eingang; und
Annahme des erneut ausgelesenen Signals am CMOS-Eingang als korrektes Signal.

Weitere allgemeine sowie speziellere Aspekte werden durch die nachfolgende Beschreibung und die Ansprüche erläutert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung, welche die Prinzipien der vorliegenden Er­ findung erläutert; und

Fig. 2 ein Flussdiagramm des Betriebs der Schaltung von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus der elektrischen Anlage eines Kraftfahrzeuges mit einer erfindungsgemäßen Schaltung. Die elektrische Anlage hat eine Gleichstromversorgung 10, welche negativ geerdet ist, um eine nominell positive Gleich­ stromversorgungsspannung von +12 V zu liefern. Im tatsächli­ chen Betrieb des Fahrzeugs kann die Versorgungsspannung über einen Bereich variieren, der sich von einer erheblich niedri­ geren als der nominellen Spannung bis zu einer erheblich hö­ heren als der nominellen Spannung erstreckt.

Ein normalerweise geöffneter mechanischer Schalter 12 ist re­ präsentativ dargestellt für eine Anzahl verschiedener Er­ dungsschalter, die in dem Fahrzeug eingesetzt werden können. Der Schalter 12 weist einen ersten oder Eingangsanschluss 14, der mit der Fahrzeugmasse VG verbunden ist, sowie einen zwei­ ten oder Ausgangsanschluss 16 auf. Wenn der Schalter 12 ge­ öffnet ist, ist der Anschluss 16 nicht geerdet, und wenn der Schalter 12 geschlossen ist, ist der Anschluss über die ge­ schlossenen Schalterkontakte geerdet. In Abhängigkeit von den zuvor beschriebenen Bedingungen kann die tatsächliche Span­ nung am Anschluss 16 einen Offset gegenüber der wahren Masse aufweisen, das heißt einen Offset gegenüber den wahren 0 V. In Fig. 1 sind zwei Widerstandscharakteristiken dargestellt, aufgrund derer die tatsächliche Schaltercharakteristik von der eines idealen Schalters abweichen kann.

Eine passive Verarbeitungsschaltung 18 vor einem Anschluss­ pin 20 eines CMOS-Eingangs einer Mikrocontrollereinheit MCU verarbeitet den Schließvorgang des Schalters 12. Wenn der Schalter 12 geöffnet ist, soll der CMOS-Eingang eine im Ver­ hältnis positivere Spannung entsprechend einem logischen "1"- Signal "sehen", und wenn der Schalter 12 geschlossen ist, soll der CMOS-Eingang eine im Verhältnis weniger positive Spannung entsprechend einem logischen "0"-Signal sehen. Falls die MCU eine +5 V Gleichspannung als Betriebsspannung verwen­ det, wird ein 0 V Signal am CMOS-Eingang als logisches "0"- Signal gelesen, während ein +5 V Gleichspannungssignal am CMOS-Eingang als logisches "1"-Signal gelesen wird. Im tat­ sächlichen Betrieb wird auch ein Signal, das etwas größer als 0 V Gleichspannung ist, definitiv als logisches "0"-Signal gelesen, und ein Signal, das etwas kleiner als +5 V Gleich­ spannung ist, wird definitiv auch als logisches "1"-Signal gelesen. Beispielsweise wird ein Signal zwischen etwa +3,5 V Gleichspannung und +5 V Gleichspannung als logisches "1"- Signal gelesen, und ein Signal zwischen +0 V Gleichspannung und +1 V Gleichspannung wird als logisches "0"-Signal gele­ sen. Ein Signal, dessen Spannung zwischen +1 V Gleichspannung und +3,5 V Gleichspannung liegt, repräsentiert ein Zwischen­ signal, das entweder als logisches "1"-Signal oder als logi­ sches "0"-Signal gelesen werden kann, je nach den Bedingun­ gen, die in diesem Zeitpunkt vorherrschen.

Die Verarbeitungsschaltung 18 umfasst eine Diode D1 und drei Widerstände R1, R2 und R3, die in derselben Weise verbunden sind wie bei der bekannten, eingangs beschriebenen Verarbei­ tungsschaltung. Die Verarbeitungsschaltung 18 enthält ferner einen vierten Widerstand R4, welcher wie dargestellt zwischen einem Anschlusspin 22 eines bidirektionalen Eingang/Ausgangs (I/O) der MCU und einer gemeinsamen Verbindung der Widerstän­ de R2 und R3 und dem CMOS-Eingangsanschlusspin 20 angeordnet ist. Eine Motorola HC12 MCU ist ein Beispiel einer MCU mit derartigen bidirektionalen I/Os. Die MCU hat die Möglichkeit, einen derartigen bidirektionalen I/O entweder als Eingang oder als Ausgang zu konfigurieren. Eine derartige Konfigura­ tion erfolgt durch interne Software. Als Eingang konfiguriert weist der bidirektionale I/O eine hohe Impedanz an seinem An­ schlusspin - wie zum Beispiel dem Anschlusspin 22 - auf. Als Ausgang konfiguriert kann ein bidirektionaler I/O selektiv in einen von zwei logischen Zuständen geschaltet werden, das heißt entweder in einen logischen Zustand High (eine binäre 1) oder in einen logischen Zustand Low (eine binäre 0).

Fig. 2 veranschaulicht die Reihenfolge von Schritten, die ausgeführt werden, wenn die MCU zum Lesen des CMOS-Eingangs bereit ist, um den Zustand des Schalters 12 zu überprüfen.

Schritt 24 umfasst die Konfiguration des bidirektionalen I/O als Ausgang, welcher auf das Massepotential der MCU gelegt wird, was durch das Symbol GMCU in Fig. 1 angedeutet wird. Obwohl die MCU-Masse und die Fahrzeugmasse VG verbunden sind, kann ihr tatsächliches Potential aufgrund eines Masse-Offsets abweichen. Nach Erdung des Anschlusses von Widerstand R4 ist die MCU darauf vorbereitet, den Schalterzustand durch Ausfüh­ rung eines Leseschrittes 26 des CMOS-Eingangs zu lesen, wobei dieser Eingang am anderen Anschluss des Widerstandes R4 liegt. Falls die MCU ein logisches "1"-Signal liest, was ei­ nen geöffneten Schalter 12 bedeutet, wird das Signal durch die MCU als korrekt angenommen (Schritte 28, 30).

Wenn dagegen das Signal als logisches "0"-Signal (Schritt 32) gelesen wird, rekonfiguriert die MCU durch Softwareaktion den bidirektionalen I/O als Eingang (Schritt 34). Dies hat den Effekt, eine sehr hohe Impedanz in Reihe mit dem Wider­ stand R4 zu erzeugen, welche im wesentlichen jeglichen Strom­ fluss durch den Widerstand R4 verhindert. Auf diese Art und Weise wird der Widerstand R4 faktisch aus der Schaltung ent­ fernt. Die MCU liest nunmehr den CMOS-Eingang erneut und nimmt das Ergebnis unabhängig vom gelesenen Wert als korrek­ ten Schalterzustand an (Schritt 36).

Die Widerstände R2 und R3 bilden einen Spannungsteiler, wel­ cher die Spannung am CMOS-Eingang entsprechend dem Verhältnis des Widerstands R3 zur Summe der Widerstände R2 und R3 fest­ legt (der Widerstand R1 wird ignoriert, da er gering ist - zum Beispiel 750 Ohm - in Vergleich zur Summe der Wider­ stände R2 und R3 - zum Beispiel 30 kOhm). Die dargestellte Einschaltung des Widerstandes R4 und die beschriebene Be­ triebsweise ändern das Spannungsteilerverhältnis immer dann, wenn der bidirektionale I/O auf Masse gelegt wird, da der Wi­ derstand R4 hierdurch parallel zum Widerstand R3 geschaltet wird.

Nachfolgend wird näher erläutert, wie erfindungsgemäß das Le­ sen des Schalters 12 durch die Mikrocontrollereinheit MCU so­ wohl gegenüber Fluktuationen in der Versorgungsspannung 10 von ihren nominellen 12 V Gleichspannung als auch gegenüber Offsets in der Fahrzeugmasse gegenüber 0 V Gleichspannung ro­ buster gestaltet werden kann.

Es sei angenommen, dass der Schalter 12 während der Zeit, in der er vom CMOS-Eingang der Mikrocontrollereinheit MCU gele­ sen wird, geöffnet ist, so dass eine logische "1" das korrek­ te Resultat wäre. Vor dem Lesen des Schalters wird der Wider­ stand R4 in die Schaltung aufgenommen, indem die Mikrocont­ rollereinheit MCU ihren bidirektionalen I/O als einen Ausgang konfiguriert, der an Masse gelegt ist. Dementsprechend ist das Spannungsteilerverhältnis, d. h. die parallele Kombination der Widerstände R3 und R4 (R3||R4) dividiert durch die Summe der Widerstände R2 und des Widerstandes dieser parallelen Kombination (R3||R4), im wesentlichen 0,45. Beim Vorliegen dieses Spannungsteilerverhältnisses liest der Mikrocontroller dann den CMOS-Eingang. Wenn der Eingang als eine logische "1" gelesen wird, wird der Schalter 12 als offen angesehen, und das Ergebnis wird aufgrund der folgenden Überlegungen als korrekt akzeptiert.

Damit der CMOS-Eingang bei Vorliegen eines Spannungsteiler­ verhältnisses von 0,45 als eine logische "0" (geschlossener Schalter) anstelle einer logischen "1" (offener Schalter) ge­ lesen würde, müssten bestimmte extreme Abweichungen in der Versorgungsspannung und/oder in der Schaltercharakteristik vorliegen, so zum Beispiel eine Versorgungsspannung von 17,5 V, ein Masse-Offset von 1 V und/oder eine Schalterimpe­ danz von 50 Ohm. Da die Wahrscheinlichkeit solcher extremer Abweichungen gering ist, wird das Auslesen einer logischen "1" als korrekt akzeptiert.

Wenn jedoch, während das Spannungsteilerverhältnis von 0,45 vorliegt, der CMOS-Eingang statt dessen als eine logische "0" gelesen wird und der Schalter 12 in Wirklichkeit offen ist, könnte ein solches falsches Auslesen auf bestimmte andere ex­ treme Abweichungen zurückführbar sein, wie zum Beispiel eine Versorgungsspannung 10 von 8,5 V, einen Masse-Offset von -1 V und eine Schalterimpedanz von 50 kOhm. Um hier einen Schutz vor der Annahme eines unkorrekten Ergebnisses zugewährleis­ ten, werden die folgenden Schritte ausgeführt, wann immer aus dem ersten Lesen eine logische "0" resultiert.

Die Mikrocontrollereinheit MCU rekonfiguriert in diesem Falle den bidirektionalen I/O von einem geerdeten Ausgang zu einem Eingang hoher Impedanz und entfernt hierdurch effektiv den Widerstand R4 aus der Schaltung. Bei entferntem Widerstand R4 hat das Spannungsteilerverhältnis des Widerstands R3 zur Sum­ me der Widerstände R3 und R2 den Wert 0,63. Bei Vorliegen dieses Verhältnisses wird der CMOS-Eingang erneut gelesen. Wenn der CMOS-Eingang dabei als logische "1" gelesen wird, was anzeigt, dass der Schalter 12 offen ist, wird dieses Er­ gebnis als korrekt akzeptiert, da es bei dem 0,63-Verhältnis möglich ist, bei einer niedrigen Spannung "low BAT" (BAT = 6 V), bei VG = -1 V und bei einer Schalterleckage von 50 kOhm in zutreffender Weise eine "1" bei einem geöffneten Schalter zu lesen (was bedeutet, dass bei dem zuvor verwende­ ten 0,45 Verhältnis die Interpretation als "0" inkorrekt war). Wenn andererseits der CMOS-Eingang als logische "0" ge­ lesen wird, wird der Schalter als geschlossen angesehen und dieses Ergebnis wird als korrekt akzeptiert, da sowohl bei dem 0,45 als auch dem 0,63 Verhältnis unter den extremen Be­ dingungen von BAT = 16 V, VG = 1 V und Schalterimpe­ danz = 50 Ohm ein geschlossener Schalter zutreffend gelesen werden kann.

Es konnte somit gezeigt werden, dass durch die Erfindung eine verbesserte passive Verarbeitung oder Konditionierung sowie eine Schaltung zur Verarbeitung oder Konditionierung eines Erdungssignals eines mechanischen Schalters gewährleistet werden kann. Die verbesserte Schaltung arbeitet passiv unter Hinzufügung nur eines einzigen Widerstandes zusätzlich zu dem vorbekannten Schaltkreis. Die Erfindung dehnt den Bereich der Versorgungsspannung, über welchen ein CMOS-Eingang einen me­ chanischen Schalter korrekt lesen kann, in kosteneffizienter Weise aus. Obwohl der Schalter 12 als ein normalerweise ge­ öffneter Schalter beschrieben wurde, versteht es sich, dass die erfindungsgemäßen Prinzipien sich auch auf andere Formen von Schaltern - einschließlich normalerweise geschlossener mechanischer Schalter - erstrecken.

Claims (12)

1. Verarbeitungsschaltung zur Verwendung bei einer Gleich­ spannungsversorgung (10), welche Versorgungs- und Mas­ sepotentiale (VG, GMCU) umfasst, um das masseseitige Schließen eines Schalters (12) an einem CMOS- Eingang (20) einer Mikrocontrollereinheit MCU, welche einen bidirektionalen Eingang/Ausgang I/O (22) auf­ weist, zu verarbeiten, wobei die Verarbeitungsschaltung in Kombination mit dem Schalter und der MCU enthält:
einen ersten Widerstand (R1), durch den ein Aus­ gang (16) des Schalters, an den während des Schließens des Schalters Masse (VG) gelegt ist, für die Verbindung mit dem Versorgungspotential angepasst wird;
einen zweiten (R2) und einen dritten (R3) Widerstand in Reihe, in dieser Reihenfolge, durch welche der Aus­ gang (16) des Schalters für die Verbindung mit dem Mas­ sepotential angepasst wird; und
einen vierten Widerstand (R4), durch welchen der bidi­ rektionale I/O der MCU mit einem Knoten verbunden wird, welcher dem CMOS-Eingang (20), dem zweiten Wider­ stand (R2) und dem dritten Widerstand (R3) gemeinsam ist, um zu bewirken, dass der äquivalente Widerstand zwischen jenem Knoten und dem Massepotential (GMCU) verhältnismäßig größer ist, wenn die MCU die bidirekti­ onale I/O (22) als Eingang konfiguriert, und verhält­ nismäßig kleiner, wenn die MCU den bidirektionalen I/O als Ausgang auf Masse konfiguriert.

2. Verarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Diode (D1) in Reihe mit dem ersten Wider­ stand (R1).

3. Verarbeitungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (12) mechanische Schaltkontakte aufweist, die schließen, wenn der Schal­ ter in den geschlossenen Zustand betätigt wird, und die öffnen, wenn der Schalter in den offenen Zustand betä­ tigt wird.

4. Verarbeitungsschaltung nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die MCU mit einem Algorithmus programmiert ist, bei welchem der bidirektionale Eingang/ Ausgang (22) der MCU so konfi­ guriert wird, dass es dem vierten Widerstand (R4) er­ möglicht ist, mit dem zweiten (R2) und dritten (R3) Wi­ derstand zusammenzuwirken, und dass, wenn ein Signal am CMOS-Eingang (20) durch die MCU als ein bestimmter lo­ gischer Pegel eines binären logischen Signals erkannt wird, dieser eine logische Pegel als das korrekte Sig­ nal akzeptiert wird, dass jedoch, wenn ein Signal am CMOS-Eingang (20) durch die MCU als anderer Pegel des binären logischen Signals erkannt wird, die bidirektionale Eingabe/Ausgabe rekon­ figuriert wird, um dem vierten Widerstand (R4) kein Zu­ sammenwirken mit dem zweiten und dritten Widerstand zu ermöglichen, und dann das Signal erneut gelesen wird, und das erneut gelesene Signal am CMOS-Eingang als das korrekte Signal akzeptiert wird.

5. Verarbeitungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die MCU veranlasst, dass der bidirektio­ nale Eingang/Ausgang (22) als Masse mit vorzugsweise geringer Impedanz konfiguriert wird, wenn die MCU ein Signal am CMOS-Eingang (20) als den einen logischen Pe­ gel eines binären logischen Signals liest, und dieser eine logische Pegel als korrektes Signal akzeptiert wird, wobei jedoch, wenn die MCU ein Signal am CMOS- Eingang (20) als den anderen Pegel des binären logi­ schen Signals liest, die MCU veranlasst, dass der bidi­ rektionale Eingang/Ausgang rekonfiguriert wird als ein Eingang sehr hoher Impedanz, wodurch der vierte Wider­ stand (R4) daran gehindert wird, mit dem zweiten (R2) und dritten (R3) Widerstand zusammenzuwirken, und die MCU dann das Signal am CMOS-Eingang erneut liest und das erneut gelesene Signal als das korrekte Signal akzeptiert.

6. Kraftfahrzeug, enthaltend:
eine elektrische Anlage mit einer elektrischen Span­ nungsversorgung (10), welche elektrische Gleichspannung über Versorgungs- und Massepotentiale bereitstellt;
eine Masseverbindung vom Massepotential des elek­ trischen Gleichspannungssystems zur Fahrzeugmasse;
einen Schalter (12) enthaltend Schaltkontakte zwischen einem ersten Anschluss (14) des Schalters und einem zweiten Anschluss (16) des Schalters, die selektiv in einem geöffneten und einen geschlossenen Zustand betä­ tigbar sind, um einen Strompfad zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss zu öffnen und zu schließen;
eine Masseverbindung vom ersten Schalteranschluss (14) zur Fahrzeugmasse (VG);
eine Mikrocontrollereinheit MCU, welche mit elektri­ scher Spannung aus der elektrischen Anlage des Fahr­ zeugs versorgt wird und eine MCU-Masse (GMCU), einen bidirektionalen Eingang/Ausgang (22) und einen CMOS- Eingang (20) aufweist;
eine Masseverbindung von der MCU-Masse (GMCU) zur Fahr­ zeugmasse (VG);
eine Verarbeitungsschaltung, welche den Schalter mit der elektrischen Anlage des Fahrzeugs und der MCU ver­ bindet, um der MCU das Lesen des Zustandes der Schalt­ kontakte zu ermöglichen;
wobei die Verarbeitungsschaltung enthält: einen ersten Widerstand (R1), durch den ein Ausgang (16) des Schal­ ters, an den während des Schließens des Schalters Mas­ se (VG) gelegt ist, für die Verbindung mit dem Versor­ gungspotential angepasst wird; zweite (R2) und drit­ te (R3) Widerstände in Reihe, in dieser Reihenfolge, durch welche der Ausgang (16) des Schalters für die Verbindung mit dem Massepotential angepasst wird; und
einen vierten Widerstand (R4), durch welchen der bidi­ rektionale I/O der MCU mit einem Knoten verbunden wird, welcher dem CMOS-Eingang (20), dem zweiten Wider­ stand (R2) und dem dritten Widerstand (R3) gemeinsam ist, um zu bewirken, dass der äquivalente Widerstand zwischen jenem Knoten und dem Massepotential (GMCU) verhältnismäßig größer ist, wenn die MCU die bidirekti­ onale I/O (22) als Eingang konfiguriert, und verhält­ nismäßig kleiner, wenn die MCU den bidirektionalen I/O als Ausgang auf Masse konfiguriert.

7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ei­ ne Diode (D1) in Reihe mit dem ersten Widerstand (R1).

8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schalter (12) mechanische Schaltkon­ takte aufweist, die schließen, wenn der Schalter in den geschlossenen Zustand betätigt wird, und die öffnen, wenn der Schalter in den offenen Zustand betätigt wird.

9. Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die MCU mit einem Algorithmus programmiert ist, bei welchem der bidirek­ tionale Eingang/Ausgang (22) der MCU derart konfigu­ riert wird, dass es dem vierten Widerstand (R4) ermög­ licht wird, mit dem zweiten (R2) und dritten (R3) Wi­ derstand zusammenzuwirken, und dass, wenn ein Signal am CMOS-Eingang (20) durch die MCU als ein bestimmter lo­ gischer Pegel eines binären logischen Signals erkannt wird, dieser bestimmte logische Pegel als das korrekte Signal akzeptiert wird, dass jedoch, wenn ein Signal am CMOS-Eingang (20) durch die MCU als ein anderer Pegel des binären logischen Signals erkannt wird, die bidirektionale Einga­ be/Ausgabe rekonfiguriert wird, um dem vierten Wider­ stand (R4) kein Zusammenwirken mit dem zweiten und dritten Widerstand zu ermöglichen, und dann das Signal erneut gelesen wird, und das erneut gelesene Signal am CMOS-Eingang als das korrekte Signal akzeptiert wird.

10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die MCU veranlasst, dass der bidirektionale Ein­ gang/Ausgang (22) als Masse mit vorzugsweise geringer Impedanz konfiguriert wird, wenn die MCU ein Signal am CMOS-Eingang (20) als den einen logischen Pegel eines binären logischen Signals liest, und dieser eine logi­ sche Pegel als korrektes Signal akzeptiert wird, wobei jedoch die MCU, wenn diese ein Signal am CMOS- Eingang (20) als den anderen Pegel des binären logi­ schen Signals erkennt, veranlasst, dass der bidirektio­ nale Eingang/Ausgang als Eingang sehr hoher Impedanz rekonfiguriert wird, wodurch der vierte Widerstand (R4) daran gehindert wird, mit dem zweiten (R2) und dritten (R3) Widerstand zusammenzuwirken, und die MCU dann das Signal am CMOS-Eingang erneut liest und das erneut ge­ lesene Signal als das korrekte Signal akzeptiert.

11. Verfahren zum Auslesen des Schließens eines Erdungs­ schalters (12) durch eine Mikrocontrollereinheit MCU mit einem CMOS-Eingang (20) und einem bidirektionalen Eingang/Ausgang (22) in einem Fahrzeug mit einer Gleichspannungsquelle (10),
wobei eine Verarbeitungsschaltung verwendet wird,
die einen ersten Widerstand (R1) enthält, durch den ein Schalterausgang (16), an den während des Schließens des Schalters Masse gelegt ist, mit einem Versorgungs­ potential der Gleichspannungsquelle verbunden wird,
die ferner einen zweiten (R2) und einen dritten (R3) Widerstand in Reihe, in dieser Reihenfolge, enthält, durch welche der Schalterausgang mit Masse verbunden wird,
und die einen vierten Widerstand (R4) enthält, durch den der bidirektionale Eingang/Ausgang der MCU mit ei­ nem Knoten verbunden wird, der dem CMOS-Eingang (20) dem zweiten Widerstand (R2) und dem dritten Wider­ stand (R3) gemeinsam ist,
wobei das Verfahren umfasst:
Konfiguration des bidirektionalen Eingangs/Aus­ gangs (22) derart, dass der vierte Widerstand (R4) mit dem zweiten (R2) und dritten (R3) Widerstand zusammen­ wirken kann, und Lesen eines Signals am CMOS-Eingang, während der bidirektionale Eingang/Ausgang entsprechend konfiguriert ist;
Annehmen des gelesenen Signals als korrektes Signal, falls das gelesene Signal einem bestimmten logischen Pegel eines binären logischen Signals entspricht;
falls das gelesene Signal mit dem anderen logischen Pe­ gel des binären Signals korrespondiert: Rekonfiguration des bidirektionalen Eingangs/Ausgangs, um dem vierten Widerstand kein Zusammenwirken mit dem zweiten und dritten Widerstand zu ermöglichen, und dann erneutes Auslesen des Signals am CMOS-Eingang; und
Annehmen des erneut gelesenen Signals am CMOS-Eingang als korrektes Signal.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
wobei der Schritt des Annehmens des gelesenen Signals als korrektes Signal, falls das gelesene Signal einem logischen Pegel eines binären logischen Signals ent­ spricht, umfasst, dass das gelesene Signal als korrek­ tes Signal akzeptiert wird, falls das gelesene Signal mit einer verhältnismäßig positiveren Spannung, die dem einen logischen Pegel entspricht, korrespondiert;
und wobei der Schritt der Rekonfiguration des bidirek­ tionalen Eingangs/Ausgangs (22), um dem vierten Wider­ stand (R4) kein Zusammenwirken mit dem zweiten (R2) und dritten (R3) Widerstand zu ermöglichen, falls das gele­ sene Signal mit dem anderen logischen Pegel des binären Signals korrespondiert, die Rekonfiguration des bidi­ rektionalen Eingangs/Ausgangs derart umfasst, dass dem vierten Widerstand das Zusammenwirken mit dem zweiten und dritten Widerstand nicht ermöglicht wird, falls das gelesene Signal mit einer verhältnismäßig weniger posi­ tiven Spannung korrespondiert, welche dem anderen logi­ schen Pegel entspricht.