DE10054745A1 - Vorrichtung zur Umwandlung einer physikalischen Meßgröße in ein elektrisches Signal und Verfahren zur sicheren Übertragung von Sensorsignalen - Google Patents

Abstract

Beschrieben ist eine Vorrichtung zur Umwandlung einer physikalischen Meßgröße in ein elektrisches Signal, umfassend zwei oder mehrere Sensorelemente (1, 2, 28), wobei die Sensorsignale über Signalleitungen (10, 20, 31, 55, 56) zu einer elektronischen Verarbeitungseinheit (29) geführt sind, worin im Signalverlauf mindestens ein Signal-Multiplexer (5) angeordnet ist, der die Anzahl der Signalleitungen von den Sensorelementen oder von den Sensoren zugeordneten Sensorelektronik-Elementen verringert. DOLLAR A Weiterhin ist ein Verfahren zur sicheren Übertragung von Sensorsignalen über Signalleitungen (55, 56) an eine elektronische Verarbeitungseinheit (29), insbesondere einer Regelungseinrichtung für eine Kraftfahrzeugbremsanlage, beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Oberbegriff von An­ spruch 9.

In Kraftfahrzeugen werden vielfach Sensoren zur Überwachung und Auswertung von physikalischen Gegebenheiten, wie bei­ spielsweise Druck, Temperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, Be­ schleunigung, Gierrate usw. eingesetzt, die mit elektroni­ schen Verarbeitungseinheiten (z. B. Regelungseinrichtung für eine Kraftfahrzeugbremsanlage, insbesondere mit einem durch einen Mikrocontroller gesteuerten Regler) zur Auswertung der Sensorsignale verbunden sind. Die Übertragung zwischen Sen­ sor und einer elektronischen Verarbeitungseinheit soll dabei möglichst sicher und zuverlässig erfolgen. Daher werden, wenn es erforderlich ist, kritische Schaltungsteile redun­ dant ausgeführt.

Werden beispielsweise zwei Sensoren zur Messung des Drucks der Hydraulikflüssigkeit in einer hydraulischen Bremsanlage eingesetzt, so benötigt man zur Übertragung der Meßsignale von den Sensoren zur elektronischen Verarbeitungseinheit bei analoger Signalübertragung mindestens zwei Signalleitungen. In der Kraftfahrzeugelektronik ist es auch bekannt, das Sen­ sorsignal digital zu übertragen, wobei in diesem Fall ein Analog/Digital-Wandler benötigt wird. Hierdurch würde sich der schaltungstechnische Aufwand jedoch drastisch erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Übertragung der Signale mehrerer Sensoren von den Sensorausgängen zum Ein­ gang eines Steuergeräts (elektronische Verarbeitungsein­ heit), in dem das Sensorsignal verarbeitet wird, zur Verfü­ gung zu stellen, welche sich durch eine geringe Anzahl von Signalleitungen auszeichnet und gleichzeitig im Hinblick auf die Betriebssicherheit die im Bereich der elektronischen Bremsentechnik üblichen hohen Anforderungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vor­ richtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9, welches insbesondere durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 ausgeführt werden kann.

Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung mit der die Erfindung an Hand von erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spielen näher erläutert wird.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit zwei Drucksensoren,

Fig. 2 eine Vorrichtung mit einem zusätzlichen Tempera­ tursensor und

Fig. 3 eine Vorrichtung, welche zwei Drucksensoren mit integrierter Einrichtung zur Messung der Sensortem­ peratur aufweist.

Die Sensoreinheiten in Fig. 1 enthalten bevorzugt ein Senso­ relement 1, 2 und ein Sensorelektronik-Element 3, 4 zur Aufbe­ reitung des Sensorsignals. Mindestens zwei Sensoreinheiten bilden ein teilweise redundant aufgebautes Abtastmodul 27, welches insbesondere auch den mit den Sensor-Einheiten ver­ bundenen Signal-Multiplexer 5 enthält. Handelt es sich bei den Sensoreinheiten um Sensoren mit analogem Signalausgang, so werden die analogen Signale 11,22 vorzugsweise einem ana­ logen Multiplexer 5 über Leitungen 10,20 zugeleitet. Durch Umschaltung des Multiplexers an einem Eingang CTRL kann je­ weils ein Sensorsignal abwechselnd am Ausgang des Multiple­ xers über Leitung 55 bereitgestellt werden. Durch Umschal­ tung der Signalleitungen 10,20 durch einen Multiplexer kön­ nen die Kosten für eine zweite Sensorsignal-Leitung (vollständig redundante Übertragung), die gegebenenfalls beispielsweise zusätzliche Stecker, Pins, zusätzlichen Bau­ raum und zusätzliche Leitungen erforderlich machen würde, vermieden werden.

Die Umschaltung des Multiplexers 5 am Eingang CTRL kann vor­ zugsweise durch einen Sensor 1, 2, eine Sensoreinheit, auf der die Sensoren zu einer Einheit zusammengefaßt sind, das Abtastmodul 27, durch eine elektronische Verarbeitungsein­ heit 29 oder ein Zeitmodul 30 (Fig. 2) erfolgen.

Die Umschaltung des Signal-Multiplexers kann zweckmäßig nach einem vorgegebenen Zeitschema vorgenommen werden, welches beispielsweise durch das Zeitmodul 30 erzeugt werden kann, indem in einem bestimmten Zeittakt abwechselnd ein high- Pegel und ein low-Pegel an den Signal-Multiplexer angelegt wird.

Erfolgt die Umschaltung durch die das Signal empfangende elektronische Verarbeitungseinheit 29, kann bevorzugt eine vorhandene Leitung, wie z. B. eine bereits vorhandene Strom­ versorgungsleitung für den Sensor (nicht gezeichnet) oder die Signalleitung 55 verwendet werden. Hierdurch werden vor­ teilhafterweise weitere Signalleitungen eingespart. Wird die Umschaltung mittels der elektronischen Verarbei­ tungseinheit vorgenommen, kann dies vorzugsweise dadurch ge­ schehen, daß durch das Steuergerät ein zur Umschaltung des Multiplexers vorgesehenes Signal auf die Versorgungs- bzw. Sensorleitung eingeprägt bzw. aufmoduliert wird, welches auf Sensorseite mittels eines Decoders in ein geeignetes Signal für den Multiplexer umgesetzt wird.

Die Sensoreinheiten werden zweckmäßigerweise zur Abfrage der gleichen Informationen herangezogen, d. h., beide Sensorein­ heiten liefern die gleiche Art der Information, wie z. B. über den Druck einer Hydraulikflüssigkeit in einer hydrauli­ schen Bremse oder die durch den Sensor gemessene Temperatur. Bevorzugt handelt es sich daher um gleichwirkende Sensoren, die insbesondere vom gleichen Typ sind. Das System erfüllt die im Bereich der elektronischen Bremssysteme gestellten, hohen Sicherheitsanforderungen durch einen im wesentlichen redundanten Aufbau. Es werden alle Einfachfehler - bei­ spielsweise für den Fall des Ausfalls genau eines Sensors, jedoch nicht für den Fall des Ausfalls beider Sensoren - er­ kannt, sowie schlafende Fehler sicher erkannt. Vorzugsweise stellen daher die mindestens zwei Sensoreinheiten ein teil­ weise redundantes System dar.

Obwohl beide gleichwirkende Sensoreinheiten ein Signal für die gleiche Sensorinformation liefern, sind bevorzugt die Ausgangssignale der Sensoreinheiten, die dem Multiplexer zu­ geführt werden, z. B. bezüglich des bereitgestellten Aus­ gangssignals in Abhängigkeit von der Meßgröße, von unter­ schiedlicher Art. Vorzugsweise unterscheiden sich die Signa­ le in der als Ausgangsignal verwendeten, elektrischen Kennli­ nie, wobei auch die Art der elektrischen Größe unterschied­ lich sein kann, wie etwa Spannung, Strom oder Frequenz. Hierdurch kann vorteilhafterweise ohne eine zusätzliche In­ formationsleitung seitens der elektronischen Verarbeitungs­ einheit 29 unterschieden werden, von welchem Sensor das emp­ fangene Signal stammt.

Unterscheiden sich die durch die Sensoren bereitgestellten Ausgangssignale durch deren Kennlinie, so läßt sich eine Un­ terscheidung der Sensoren nur bei einem dynamischen Signal treffen, welches sich über einen ausreichend großen Bereich ändert. Ist das Signal im wesentlichen statisch, so kann zu­ mindest überprüft werden, ob das Verhältnis der beiden Si­ gnale zueinander plausibel ist.

Ein Beispiel für eine erfindungsgemäß einsetzbare, elektroni­ sche Verarbeitungseinheit ist ein Mikrocontroller mit einem A/D-Wandler; insbesondere handelt es sich um einen Regler für eine Kraftfahrzeugbremsanlage.

Als Multiplexer läßt sich zweckmäßig ein Halbleiterschalter einsetzen, der in Abhängigkeit vom Zustand der Leitung CTRL zwischen den Eingängen umgeschaltet.

Im Betrieb der Vorrichtung wird durch die elektronische Ver­ arbeitungseinheit eine Weiterverarbeitung des ersten Sensor­ signals und des zweiten Sensorsignals durchgeführt, wobei in der Verarbeitungseinheit die Übertragungsfunktion des ersten und des zweiten Sensors gespeichert ist. Bei der Übertra­ gungsfunktion handelt es sich zweckmäßigerweise um eine li­ near ansteigende Kennlinie für den ersten Sensor und eine linear abfallende Kennlinie für den zweiten Sensor. Hier­ durch kann durch die Verarbeitungseinheit zum einen der Aus­ fall eines Sensorelements festgestellt werden; andererseits kann diese auch nach dem Ausfall eines Sensorelements mit Hilfe des noch funktionstüchtigen Sensorelements die Meßgrö­ ße weiterhin ermitteln.

Im rechten, unteren Teilbild von Fig. 1 ist der Signalverlauf an Leitung 55 dargestellt. Wie bereits beschrieben, kann die erste Sensoreinheit bevorzugt ein Ausgangssignal U (Spannung) mit einer in Abhängigkeit vom Meßwert P (Druck) linear ansteigenden Kennlinie 6 und die zweite Sensoreinheit ein Ausgangssignal mit einer linear fallenden Kennlinie 7 aufweisen. In einem Übergangsbereich 8 kommen sich die Kenn­ linien der beiden Sensoreinheiten so nahe, daß zwischen den beiden Sensoren in diesem Druckbereich nicht in ausreichen­ dem Maß unterschieden werden kann. Eine Fehlererkennung ist somit lediglich außerhalb des Übergangsbereichs 8 möglich. Zweckmäßigerweise wird daher der Druck- oder Temperaturbe­ reich der Sensoreinheiten so gewählt, daß der Übergangsbe­ reich 8 möglichst wenig oder überhaupt nicht genutzt wird.

Gemäß der in Fig. 2 dargestellten, weiteren, bevorzugten Aus­ führungsform wird zusätzlich zu den beiden, dem Multiplexer 5 zugeführten Sensorsignalen der Sensoren 2 und 28 ein weite­ res Sensorsignal des Sensors 1 an die elektronische Verar­ beitungseinheit 29 weitergeleitet, wobei das zusätzliche Sensorsignal nicht über einen Multiplexer geführt wird.

Im dargestellten Beispiel wird ein erstes Signal über Lei­ tung 31 eines Drucksensors 1 unverändert übertragen. Ein zweiter Drucksensor 2 dient wie in Fig. 1 zur redundanten Übertragung des Drucksignals. Das Signal von Sensor 2 ist über die Einrichtung zur Signalaufbereitung 4 zum Multiple­ xer 5 geleitet. Zusätzlich wird über den Multiplexer an Lei­ tung 20 das Signal eines Temperatursensors 28 zur elektroni­ schen Verarbeitungseinheit 29 geleitet. Auch das Sensorsi­ gnal des Temperatursensors kann mittels der Einheit 32 auf­ bereitet sein.

Die Umschaltung des Multiplexers erfolgt entsprechend der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Weise am Eingang CTRL des Multiplexers mittels eines damit verbundenen Zeitmoduls 30 über eine zusätzliche Steuerleitung 34 von der elektroni­ schen Verarbeitungseinheit 29 aus oder durch Aufprägen eines Steuersignals durch die elektronische Verarbeitungseinheit auf die Signalleitung 55.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist besonders vorteilhaft, da das Signal des ersten Drucksensors 1 ohne Umschaltimpulse durch einen Multiplexer 5 zur Verfügung gestellt werden kann. Daher wird dieser Sensor im Normalbetrieb durch die Verarbeitungseinheit 29 genutzt. Entsprechend der Ausfüh­ rungsform in Fig. 1 steht bei Ausfall des ersten Sensors mit einem in Bezug auf die Umschaltimpulse und dem nicht nutzba­ ren Übergangsbereich eingeschränkten Betrieb das Signal des zweiten Drucksensors 2 zur Verfügung. Eine Reduzierung der Anzahl der benötigten Übertragungsleitungen 55, 56 wird auch bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erzielt, da das zusätzlich von der elektronischen Verarbeitungseinheit benötigte Temperatursignal des Temperatursensors 28 über die Leitung 55 mitübertragen wird.

Eine Unterscheidung der Art des Sensorsignals durch die Ver­ arbeitungseinheit kann entsprechend dem Beispiel in Fig. 1 erfolgen.

Eine Erhöhung der Übertragungssicherheit ist dadurch gege­ ben, daß in der Verarbeitungseinheit anhand der Signalver­ läufe zwischen erstem und zweitem Sensor unterschieden wer­ den kann und somit beispielsweise im Fall unterschiedlicher Kennlinien jederzeit überprüfbar ist, ob die Signale der Sensoren zueinander im richtigen Verhältnis stehen.

Eine weitere Ausführungsform mit Drucksensoren 33 mit inte­ grierten Einrichtungen zur Temperaturmessung ist in Fig. 3 dargestellt. Hier sind zwei Sensoren 33 mit einer vorzugs­ weise ebenfalls redundant oder teilweise redundant aufgebau­ ten Signalaufbereitungseinrichtung 9 verbunden. Die Signal­ verarbeitungseinrichtung 9 dient zur Verstärkung der Sensor­ signale und zur Korrektur der Druckmeßwerte in Abhängigkeit der durch die Sensoren 33 zusätzlich gemessenen Temperatur. Das verstärkte Drucksignal des ersten Drucksensors 1 wird wie in Fig. 2 an Leitung 31 ausgegeben. An Leitung 10 liegt das Drucksignal des Sensors 2 an. Leitung 20 führt ein Tem­ peratursignal, welches von den Sensoren 33 stammt. Hierbei kann durch die Signalverarbeitungseinrichtung 9 entweder das Temperatursignal beider Sensoren 33 gemittelt und zu einem gemeinsamen Ausgangssignal zusammengefaßt sein, oder es wird lediglich das Temperatursignal von einem Sensor 33 an den Multiplexer 5 weitergeleitet werden. Das zweite Temperatur­ signal wird im letztgenannten Fall nicht verwendet.

Eine Funktionsüberprüfung des bevorzugt einfach vorhandenen Multiplexers läßt sich nach der Erfindung ebenfalls durch­ führen. Hierzu wird als gegeben vorausgesetzt, daß in der Verarbeitungseinheit der zeitliche Verlauf der Umschaltvor­ gänge an Leitung CTRL bekannt ist, sowie die Kennlinie der vorhandenen Sensoren. Wird nun mittels der Signalaufberei­ tungseinrichtung auf den Signalweg ein Umschaltsignal zur Ankündigung einer Umschaltung des Multiplexers aufgeprägt, so läßt sich an Hand der Signaländerung durch die Umschal­ tung erkennen, ob der Multiplexer ordnungsgemäß arbeitet. Ein Aufprägen des Umschaltsignals auf den Signalweg kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß ein definierter, außer­ halb des notwendigen Signalbereichs der Sensoren liegender Signalbereich genutzt wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Umwandlung einer physikalischen Meßgröße in ein elektrisches Signal, umfassend zwei oder mehrere Sensorelemente (1, 2, 28), deren Signal ggf. durch ein oder mehrere Sensorelektronik-Elemente (3, 4, 9, 32) aufbereitet sein kann, wobei die Sensorsignale über Signalleitungen (10, 20, 31, 55, 56) zu einer elektronischen Verarbeitungs­ einheit (29), insbesondere einer Regelungseinrichtung für eine Kraftfahrzeugbremsanlage, geführt sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Signalverlauf mindestens ein Signal- Multiplexer (5) angeordnet ist, der die Anzahl der Sig­ nalleitungen von den Sensorelementen oder von den Senso­ ren zugeordneten Sensorelektronik-Elementen verringert, so daß die Anzahl der Verbindungsleitungen (55, 56) zu ei­ ner elektronischen Verarbeitungseinheit geringer ist, als die Anzahl der Sensorelemente.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei gleichwirkende Sensorelemente (1, 2) vor­ handen sind, wobei gleichwirkend bedeutet, daß die Senso­ relemente zur Bestimmung der gleichen physikalischen Meß­ größe vorgesehen sind,
und das Signal eines der gleichwirkenden Sensorelemente (2) und das Signal eines weiteren gleichwirkenden oder nicht gleichwirkenden Sensorelements (1, 28) einem Signal- Multiplexer (5) zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein nicht gleichwirkendes Sensorelement (28) vorhanden ist und
das Signal von einem gleichwirkenden Sensorelement (2) und einem nicht gleichwirkendem Senso­ relement (28) einem Signal-Multiplexer (5) zugeführt ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale von mindestens einem weiteren, gleichwirkenden Sensorelement (1) nicht über einen Signal-Multiplexer geführt wird.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal-Multiplexer einen Signaleingang (CTRL) aufweist, mit dem zwischen den am Multiplexer-Mittel anliegenden Eingängen für die Signal­ leitungen (10, 20) die Zuordnung zum Ausgang des Multiple­ xer-Mittels für die Signalleitung des Ausgangs (55) umge­ schaltet werden kann.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente, die Sen­ sorelektronik-Elemente und das Multiplexer-Mittel von ei­ nem gemeinsamen abgedichteten und abgeschirmten Gehäuse umfaßt werden.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragenen Signale ana­ loge Signale sind.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente Drucksen­ soren mit integrierter Temperaturmeßeinrichtung (33) sind.

9. Verfahren zur sicheren Übertragung von Sensorsignalen über Signalleitungen (55, 56) an eine elektronische Verar­ beitungseinheit (29), insbesondere einer Regelungsein­ richtung für eine Kraftfahrzeugbremsanlage, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwei Sensorsignale über ein oder mehrere Sensorelektronik-Elemente (3, 4, 9) einem Si­ gnal-Multiplexer (5) zugeführt werden und in den Sensore­ lektronik-Elementen für jeden dieser Sensoren eine geson­ derte Übertragungsfunktion (23, 24) vorgesehen ist, die zur Umwandlung der physikalischen Meßgröße in ein trans­ formiertes Signal (11, 22) der Sensorelektronik-Elemente dient, wobei sich die Übertragungsfunktionen der mit ei­ nem Signal-Multiplexer verbundenen Sensorelektronik- Elemente voneinander unterscheidet, so daß in der elek­ tronischen Verarbeitungseinheit an Hand des transformier­ ten Signals zumindest in definierten Meßbereichen (25, 26) ermittelt werden kann, von welchem Sensor das empfangene Sensorsignal stammt, wobei der Signalbereich der Sensoren so gewählt wird, daß der Übergangsbereich (8), in dem sich die Sensorsignale nicht oder nur kaum voneinander unterscheiden, zur Übertragung von Sensorsignalen nicht oder nur selten genutzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Multiplexer-Mittel umgeschaltet wird, durch eine der Maßnahmen:

• - Umschaltung durch ein Zeitschema, welches durch ein Zeitmodul (30) erzeugt sein kann,
• - Umschaltung über eine Signalleitung (55), die mit der elektronischen Verarbeitungseinheit verbunden ist oder
• - Umschaltung mittels einer Steuerleitung (34), die mit der elektronischen Verarbeitungseinheit oder einem Senso­ relektronik-Element (3, 4, 9, 32) verbunden ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Betriebssicherheit bei der Übertragung an die elektronische Verarbeitungseinheit eines ersten Sen­ sorelements (1) über eine Leitung (31, 56) erhöht wird, indem das Signal eines zweiten, gleichwirkenden Sensorele­ ments (2) über eine weitere Leitung (55) übertragen wird, wobei im Gegensatz zum Signal des ersten Sensors das Si­ gnal des zweiten Sensors gemeinsam mit dem Signal eines oder mehrere weiterer Sensoren übertragen wird.