DE10043755C2 - Schalterabfrage mit Konstantstromquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Schalt­ zuständen von wenigstens einem Betätigungsmittel, insbesonde­ re Schalter zur Aktivierung einer Kraftfahrzeugelektronik, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Derartige Schaltungsanordnungen und -verfahren werden bei­ spielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik verwendet, um in Ab­ hängigkeit von verschiedenen Schaltern bzw. Schlössern, wie zum Beispiel Türkontakt, Kofferraumverschluss, Zündschloss, Tankverschluss, sowie den Schaltern im Motorraum, beispiels­ weise Überwachung Bremsflüssigkeitsstand, Ölstand etc., und Bedienschaltern des Armaturenbretts und deren jeweiligen Schaltzuständen, Funktionen der Fahrzeugelektrik zu steuern.

Aus der DE 195 36 196 C1 ist beispielsweise eine in der KfZ- Bordelektronik anwendbare Schaltungsanordnung zur Steuerung von Verbrauchern bekannt, bei der zur Einstellung eines über einen Schalter fließenden Mindeststroms ein in Reihe mit die­ sem Schalter angeordneter Hilfsschalter vorgesehen ist. Die­ ser Hilfsschalter wird in Zeitintervallen von einer Steuerung angesteuert, um die Schaltstellung des zugeordneten Schalters abzutasten. Hierbei stellt die Steuerung den für den betref­ fenden Schalter erforderlichen Mindeststrom ein.

Derartige Schaltungsanordnungen besitzen oft aus Energiespar­ gründen einen aktiven Modus, in dem die jeweiligen Schaltzu­ stände der einzelnen Schalter bzw. Schlösser und Kontakte de­ tektiert werden können und der Stromverbrauch entsprechend hoch ist, sowie einen Ruhemodus, in dem die Energieversorgung gegenüber dem aktiven Modus meist verringert ist, um eine au­ tarke Energiequelle auch über einen längeren Zeitraum ohne ausreichende Aufladevorgänge (beispielsweise Standzeiten ei­ nes Fahrzeugs) nicht bis zur Funktionsuntüchtigkeit zu entla­ den.

In der DE 44 14 734 C2 wird hierzu beispielsweise im Ruhemo­ dus nur der Eintritt einer bestimmten Aktion, wie die Betäti­ gung des Türgriffes an der Fahrertür überwacht und, im Fall des Eintritts, ein Wecksignal (Wake-up) erzeugt, um die Schaltungsanordnung hierdurch in den aktiven Modus zu über­ führen, in dem die jeweiligen Schaltzustände der einzelnen Schalter bzw. Schlösser detektiert werden können.

In der Praxis können jedoch Bedienfehler, wie zum Beispiel ein versehentlich längeres Offenstehen einer Tür mit über­ wachtem Türkontakt(oder Fehlfunktion von Schaltern, zum Bei­ spiel Hängenbleiben des Schalters) auftreten, so dass die je­ weiligen Schalter oder Kontakte in einem unerwünschten Zu­ stand verbleiben und nicht mehr zur Erzeugung eines Wake-up- Signals verwendet werden können.

Zudem schränkt eine solche Lösung den Bedienkomfort ein, da die meisten Funktionen erst zur Verfügung stehen, wenn die ü­ berwachte Funktion ausgeführt wurde.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Erfassen von Schaltzuständen von wenigstens einem Betätigungsmittel, ins­ besondere Schalter, zur Aktivierung einer Kraftfahrzeugelekt­ ronik zu schaffen, die Fehlfunktionen vermeidet und einen ausreichenden Bedienkomfort gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Schaltungsanord­ nung zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist in An­ spruch 7 angegeben.

Hierbei wird eine beliebige Änderung des Schaltzustandes ei­ nes oder mehrerer Schalter überwacht, so dass ein Bedienfeh­ ler, wie zum Beispiel eine versehentlich lange offenstehende Tür, nach der Schließung eine Änderung des Schaltzustandes des Türkontaktes bewirkt und beispielsweise mittels Wake-up- Signal und Wake-up-Logik über eine Steuerungseinheit, vor­ zugsweise ein Mikrocontroller bzw. Mikroprozessor eine ent­ sprechende Funktion auslöst.

Vorteilhafterweise kann durch die Bestromung des Betätigungs­ mittels im Wesentlichem im Bereich dessen Nennstromstärke, beispielsweise über 80%, über 90% oder 100% der Nennstrom­ stärke eine optimale Funktion (Schalten) des Betätigungsmit­ tels gewährleistet werden, da das Betätigungsmittel einen Strom schaltet, welcher im Bereich der Nennstromstärke, also der Stromstärke für die das Betätigungsmittel ausgelegt ist, liegt. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, ein so­ genanntes Freibrennen der Kontakte eines Betätigungsmittels durch das Schalten zu gewährleisten, so dass einer Schlecht­ kontaktierung aufgrund von Verschmutzung bzw. Verrußung der Kontakte vorgebeugt werden kann.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird ein auf­ grund der Änderung eines Schaltzustandes entstehendes Aus­ gangssignal einer Logikeinheit, beispielsweise ein ASIC-Bau­ stein zugeführt, in der dieses Signal mit einem zwischenge­ speicherten vorangegangenen Ausgangssignal desselben Schal­ ters verglichen wird. Unterscheidet sich der alte von dem neuen Wert auch nur eines einzigen Schalters, so wird ein Ausgangssignal für eine Auswerte- und Steuereinheit erzeugt und das neue Signal bzw. die neuen Signale der Auswerte- und Steuereinheit zugeführt, um eine entsprechende Funktion aus­ zuführen.

Hierbei kann auch die Logikeinheit, ebenso wie die Auswerte- und Steuereinheit, erst aktiviert werden, wenn ein Ausgangs­ signal von der Bewertungseinheit ausgegeben wurde. Hierdurch kann vorteilhafterweise trotz der Bestromung eines oder meh­ rerer Schalter mit der Nennstromstärke und daraus resultie­ render Funktionssicherheit eine Energieersparnis erreicht werden, so dass eine unerwünschte schnelle Entladung einer als Energieversorgung dienenden Batterie verhindert werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung geht die schaltbare Energiequelle in einen zyklischen Abfragemodus (Pollingmodus) über, sobald wenigstens ein Betätigungsmittel geschlossen ist und demzufolge über die Kontakte des Betätigunsmittels Strom fließt. Der Polling-Modus kann hierbei entsprechend den An­ forderungen einer Mindest-Stand-by-Zeit der Funktionstüchtig­ keit der Schaltung im Worst-Case ohne Zwischenaufladung der Batterie bzw. Akkumulator im Worst-Case (alle Betätigungsmit­ tel geschlossen und demzufolge maximaler Stromverbrauch) an­ gepasst werden. Beispielsweise kann mit einem Puls mit einer Periodendauer von 100 ms und einer Einschaltzeit von 50 ms trotz guter Energieersparnis vorteilhafterweise eine ausrei­ chende Bedienerfreundlichkeit gewährleistet werden, so dass eine Bedienperson die Pausenzeiten, in der keine Energie ver­ braucht wird, nicht als Beeinträchtigung wahrnimmt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß der Erfin­ dung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung zur Durchfüh­ rung eines Verfahrens nach Fig. 2 zeigt nur einen Schalter 1 mit zwei Schaltzuständen "offen" (wie in der Zeichnung darge­ stellt) und "geschlossen", wobei selbstverständlich mehrere Schalter nach dem Prinzip des Schaltbilds nach Fig. 1 abge­ fragt bzw. verschaltet sein können. Selbstverständlich ist ein Betätigungselement mit mehreren Kontakten, wie beispiels­ weise Programmwahlschalter oder ähnliches, ebenso durch einen oder mehrere Schalter 1 darstellbar.

Nach Fig. 1. ist pro Schalter 1 eine Bewertungseinheit 2 vor­ handen, welche mit der Energieversorgung, beispielsweise Au­ tobatterie, über einen Schalter 15 gespeist wird. Die Bewer­ tungseinheit 2 ist in Fig. 1 als prinzipielles Blockschalt­ bild dargestellt, welche eine Konstantstromquelle 3 bei­ spielsweise 20 mA, eines Operationsverstärker 5, eine Rausch­ unterdrückung in der Rückkopplung 7 und einen Komparator 9 aufweist.

Wie in Fig. 1 prinzipiell ersichtlich fließt durch den Schal­ ter 1 im geschlossenen Zustand ein Strom, welcher von der Konstantstromquelle 3 und dem Innenwiderstand R bestimmt ist, sofern der Schalter 15 ebenfalls geschlossen ist. Der Konden­ sator C am Schalter 1 dient hier wie üblich der Glättung bzw. Dämpfung von Ein- und Ausschaltspitzen bzw. -schwingungen.

Solange von der Batterie U_B+ über Schalter 15 ein durch die Konstantstromquelle 3 begrenzter Strom über Innenwiderstand R und Schalter 1 gegen Masse fließt, fällt an R eine Spannung ab welche nach diesem Schaltungsprinzip als Messgröße dient und über Operationsverstärker 5 verstärkt wird, um einem Kom­ parator 9 zugeführt zu werden. Hierbei befindet sich zwischen Aus- und Eingang des Operationsverstärkers 5 ein Rauschunter­ drückungsfilter 7, so dass durch diese Rückkoppelung ein Rau­ schen beispielsweise mit einer Periodendauer unter 20 Mikro­ sekunden unterdrückt wird, um hierdurch Fehlfunktionen zu vermeiden.

Die so verstärkte am Widerstand R abfallende Messspannung U_R wird im Komparator 9 mit einem Schwellwert, der entsprechend dem Messwiderstand und dem Verstärkungsfaktor des Operations­ verstärkers 5 wählbar ist, verglichen, so dass am Ausgang 11 bei Über- oder Unterschreiten dieses Schwellwerts ein ent­ sprechendes Signal, beispielsweise "0" für "Schalter 1 ge­ schlossen" und "I" für "Schalter 1 offen" bzw. entsprechende Spannungspegel ausgegeben werden.

Weiterhin kann der Komparator 9, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Über- oder Unterschreiten des Schwellwerts am Ausgang 13 als Wake-up-Signal ausgeben. Der Ausgang 11 des Komparators 9 einer oder mehrerer Bewertungseinheiten 2 ist mit einem Ein­ gang 25 einer aus einem ASIC-Baustein 21 bestehenden Logik­ einheit 20 verbunden, so dass jedem der S-Register S1 bis Sn ein Ausgang 11 einer Bewertungseinheit 2 zukommt und in die­ sem Register der jeweils zugehörige Wert des entsprechenden Schalters 1 aufgenommen ist.

Wurde von wenigstens einem Komparator 9 einer oder mehrerer Bewertungseinheiten 2 ein Über- oder Unterschreiten des vor­ definierten Schwellwerts festgestellt, so wird über den Aus­ gang 13 ein Wake-up-Signal ausgegeben, wobei diese Ausgänge mehrerer Bewertungseinheiten 2 alle mit dem Eingang 23 des A- SICs 21 bzw. dessen Wake-up-Logic verbunden sind.

Liegt am Eingang 23 ein Wake-up Signal an, so geht der ASIC- Baustein 21 von seinem energiesparenden Sleepmode in einen aktiven Modus über, vergleicht die Werte der S-Register S1 bis Sn mit den vorangegangenen, in den Q-Registern Q1 bis Qn gespeicherten Werten und aktiviert über Ausgang 33 einen Mik­ rocontroller oder Mikroprozessor sofern sich wenigstens einer der vorangegangenen Werte von den neuen Werten unterscheidet
(S1 - Sn ≠ Q1 - Qn bzw. Sx ≠ Qx für x von 1 - n).

Das Aktivieren eines Mikrocontrollers über Ausgang 33 kann beispielsweise mittels eines Wake-up-Signals, welches am Wa­ ke-up-Eingang eines Mikrocontrollers anliegt, oder mittels einer Aktivierung der beispielsweise 5-Volt-Spannungsver­ sorgung des Mikrocontrollers erfolgen. Solange am Wake-up- Ausgang 33 ein Wake-up bzw. Aktivierungssignal ausgegeben wird, sind die S-Register mit den entsprechenden Q-Registern verbunden bzw. transparent geschaltet, so dass die Werte der S-Register in die entsprechenden Q-Register übernommen werden und über Datenausgang 31 einem Dateneingang eines Mikrocont­ rollers übergeben werden. Diese Übergabe kann beispielsweise über parallele Datenleitungen geschehen oder wie in der Zeichnung dargestellt, seriell über ein Serialperipheral In­ terface (SPI).

Hat die Auswerte- und Steuereinheit, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors, die anliegenden Daten, also Inhalte der Register Q1 bis Qn, die wegen der Durchschaltung der Inhalte von S- und R Registern während dieser Zeit den neuen Inhalten bzw. Werte der Register S1 bis Sn entsprechend ausgewertet und entsprechende Funktionen gesteuert gibt der Mikrocontroller oder-prozessor über die Acknowledge-Leitung 29 ein entsprechendes Signal an den ASIC­ baustein 21, woraufhin das Wake-up-Signal oder Aktivierungs­ signal am Ausgang 33 abgeschaltet bzw. gelöscht wird. Der Mikrocontroller geht deshalb in den Sleepmode über oder wird bei einem Abschalten seiner +5 V-Spannungsversorgung komplett abgeschaltet, und in den Registern Q1 bis Qn verbleiben die neuen Werte der Register S1 bis Sn.

Solange wenigstens einer der Schalter I geschlossen ist oder bleibt (S1 - Sn + I), wechselt der ASIC in den Polling-Mode wobei mittels eines nicht dargestellten Oszillators über Aus­ gang 27 der Schalter 15 und damit die gesamte Energieversor­ gung U_B+ mit beispielsweise einem Puls mit Periodendauer 100 ms und Einschaltzeit 50 µs geschaltet wird. Dieser Polling- Mode wird erst dann verlassen, wenn alle Schalter 1 offen (S1 - Sn = I) sind.

Bei einer derartig festgestellten Zustandsänderung, deren Neuwerte wiederum von S- in das Q-Register übernommen werden und über den Mikrocontroller die entsprechende Funktion, bei­ spielsweise Abschalten der vorher eingeschalteten Funktion, ausgeführt wird, ist dann die Bedingung S1 - Sn = I erfüllt, woraufhin Schalter 15 permanent geschlossen wird und sich der ASIC Baustein 21 bis zu einem neuen Wake-up deaktiviert.

Da in diesem Zustand alle Schalter 1 offen sind, fließt bis auf geringe Leckströme, beispielsweise unter 30 µA, kein Strom, so dass die Energieversorgung über eine sehr lange Zeit ohne Zwischenaufladung der Batterie U_B+ funktionstüchtig aufrechterhalten werden kann.

Da selbst im Polling-Mode mit Worst-Case-Bedingung, nämlich "alle Schalter geschlossen", ohne Weiteres ein Ruhestrom­ verbrauch unterhalb 130 µA erreicht werden kann, belastet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung die Energieversorgung U_B+, beispielsweise die Autobatterie, nur unwesentlich, so dass auch hierdurch über einen langen Zeitraum eine funkti­ onstüchtige Energieversorgung gewährleistet werden kann.

In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren, welches vorste­ hend anhand der Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 erläutert wurde, ausführlich im logischen Ablaufdia­ gramm dargestellt.

Erst wenn im Entscheidungsblock 42 ein 0-I- oder I-0-Über­ gang festgestellt ist wird die Logikeinheit beispielsweise in Form eines ASICs 21 aktiviert, so dass in deren Register S1 bis Sn die Werte der zugehörigen Schalter vorliegen. Nach ei­ nem Vergleich dieser Werte mit dem in Register Q1 bis Qn ge­ speicherten Werten des letzten vorangegangenen positiv fest­ gestellten 0-I- oder I-0-Übergangs wird nur bei Erfüllung der Bedingung 48 der Mikrocontroller aktiviert und die Inhal­ te der Register S1 bis Sn an Q1 bis Qn und somit an den Mik­ rocontroller übergeben.

Dieser wertet gemäß Block 52 die übernommenen Werte entspre­ chend seines Programms aus und führt die zugeordnete Funktion aus. Nach Abarbeitung bzw. Ausführender Funktion gibt der Mikrocontroller ein Acknowledge Signal an die Logikeinheit und deaktiviert sich selbst.

Nach Fig. 2 ist ersichtlich, dass solange die Bedingung 48 nicht erfüllt wird, dass der Mikrocontroller deaktiviert bleibt und gemäß Bedingung 56 die Logikeinheit in den Pol­ ling-Modus übergeht, sofern die Bedingung S1 - Sn ≠ I erfüllt ist, bzw. bei S1 - Sn = I in einen Ruhe-Modus (Sleep-Modus) übergeht.

Nach dem dargestellten Verfahren verbleibt die gesamte Schal­ tung im Polling oder Sleep Modus (bei geringsten Strom­ verbrauch) so lange bis ein 0-I- oder I-0-Übergang festge­ stellt wird. Hierbei ist es nicht entscheidend welche Schal­ tungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ausgewählt wird, solange eine Energieversorgung mit einer Energiestärke verwendet wird, die eine Bestromung eines abzufragenden Schalters im Wesentlichen mit seiner Nennstromstärke gewähr­ leistet.

Zudem wird ein allgemeiner Übergang 0-I oder I-0 nur zu einer Aktivierung der Logikeinheit verwendet welche beispielsweise als ASIC ausgestaltet sein kann, wobei erst durch die Logik festgestellt wird, ob definitiv eine Zustandsänderung wenigs­ tens eines Schalters erfolgt ist und hierdurch entsprechende Aktionen "Wake-up" oder "Einschalten eines Mikrocontrollers" zur weiteren Auswertung und/oder Steuerung abhängig von der detektierten Zustandsänderung in die Wege geleitet werden.

Obwohl dieses Verfahren sowie die Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens insbesondere in der Fahrzeug­ technik Anwendung finden können, sind das Verfahren sowie die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung nicht auf dieses Feld begrenzt, sondern in allen Gebieten stationär, wie beispiels­ weise in der Haustechnik, sowie in nicht stationären Anwen­ dungen, die autarke Energiequellen aufweisen, deren Energie­ vorrat begrenzt ist, denkbar, um den Energieverbrauch bei voller Funktionstüchigkeit und hohem Bedienkomfort zu gewähr­ leisten.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erfassen von Schaltzuständen (0, I) von wenigstens einem Betätigungsmittel (1), insbesondere Schalter einer Kraftfahrzeugelektronik, mit einer Bewertungseinheit (2) und einer Logikeinheit (20),

• a) wobei der Schaltzustand (offen, geschlossen) eines Betätigungsmittels (1) mit einer schaltbaren Energiequelle (U_B+) abgefragt wird,
• b) in Abhängigkeit vom Schaltzustand (offen, geschlossen) eine elektrische Größe als Ist-Wert (U_R) ermittelt wird und
• c) dieser Ist-Wert (U_R) von der Bewertungseinheit (2) mit einem vordefinierten Soll-Wert verglichen und als entsprechendes Signal (0, I) an einem ersten Ausgang (11) der Bewertungseinheit (2) ausgegeben wird,

dadurch gekennzeichnet,

• a) dass die schaltbare Energiequelle (U_B+) den Schaltzustand (offen, geschlossen) eines Betätigungsmittels (1) mit einer Energiestärke abfragt, so dass ein zu schaltender Strom im Bereich über 80% der Nennstromstärke des Betätigungsmittels (1) liegt und
• b) dass bei einer Änderung des Schaltzustandes sowohl von offen nach geschlossen als von geschlossen nach offen ein Ausgangssignal (0, I) an einem Datenausgang (31) der Logikeinheit (20) ausgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Schaltzustand abhängige Signal (0, I) des ersten Ausgangs (11) der Logikeinheit (20) zugeführt wird, in der das vorangegangene Signal (0, I) eines Schalters (1) zwischengespeichert ist, mit dem neuen Signal (0, I) verglichen wird und nur bei wenigstens einer Signaländerung (S1 - Sn ≠ Q1 - Qn) das Ausgangssignal (0, I) einer Auswerte- und/oder Steuereinheit zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (20) erst aktiviert wird, wenn ein Signal (0, I) an einem zweiten Ausgang (13) der Bewertungseinheit (2) ausgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und/oder Steuereinheit mittels eines Aktivierungssignals (0, I) an einem Ausgang (33) der Logikeinheit (20) erst aktiviert wird, wenn wenigstens eine Signaländerung (S1 - Sn ≠ Q1 - Qn) detektiert wurde.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle in einen Ruhemodus (Schalter 15 geschlossen) übergeht, wenn detektiert wurde, dass alle Betätigensmittel offen sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle in einen zyklischen Abfragebetrieb (Schalter 15 gepulst) übergeht, wenn detektiert wurde, dass wenigstens ein Betätigungsmittel geschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 mit einer Bewertungseinheit (2) und einer Logikeinheit (20), dadurch gekennzeichnet,

• a) dass die Schaltungsanordnung eine schaltbare Energiequelle mit einer Energiestärke aufweist, so dass ein mittels des Betätigungsmittels zu schaltender Strom im Bereich über 80% der Nennstromstärke des Betätigungsmittels liegt,
• b) dass die Bewertungseinheit (2) mit der Logikeinheit (20) mit wenigstens zwei Registersorten (S, Q) verbunden ist, um ein vom Schaltzustand abhängiges Signal (0, I) zwischenzuspeichern, ein vorangegangenes Signal (0, I) mit einem neuen Signal (0, I) zu vergleichen und nur bei wenigstens einer Signaländerung (S1 - Sn ≠ Q1 - Qn) ein Ausgangssignal (0, I) an einem Datenausgang (31) der Logikeinheit (20) auszugeben.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (20) als ASIC-Baustein ausgebildet ist, welcher in Abhängigkeit der Registerinhalte die schaltbare Energiequelle (U_B+) steuert.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle als Konstantstromquelle ausgebildet ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Energiequelle mittels eines Oszillators gepulst mit vordefinierter Periodendauer (τ) und Einschaltzeit (t_on) schaltbar ist.