DE10101974B4

DE10101974B4 - Elektronisches Steuergerät zur Integration in mechanische Systeme

Info

Publication number: DE10101974B4
Application number: DE10101974A
Authority: DE
Inventors: Markus Breitfelder; Peter Dr. Fischer; Günter Horsak
Original assignee: Siemens AG; ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2021-01-18
Also published as: FR2823866A1; ITMI20020062A1; US20020095227A1; US6658306B2; FR2823866B1; DE10101974A1; ITMI20020062A0

Abstract

Elektronisches Steuergerät zur Integration in mechanische Systeme mit
– einer Mikroprozessor-gestützten Zentraleinheit (2),
– einem Datenspeicher (3),
– einem ein Betriebsprogramm (6) enthaltenden Programmspeicher (4),
– Schnittstellen (5) zur Kommunikation mit Programmier- und Dateneingabegeräten sowie mit dem zu steuernden mechanischen System (7),
– einem dauerhaft installierten, nicht umprogrammierbaren Kernsteuerprogramm (9), das die grundlegende Programmierbarkeit des Steuergerätes (1) mittels eines Basissteuerprogramms (10) steuert,
– dem Basissteuerprogramm (10), das grundsätzliche Funktionen im Zusammenhang mit dem zu steuernden mechanischen System (7) steuert und reprogrammierbar ist, und
– einem gerätespezifischen Funktionssteuerprogramm (11), das die individuellen Funktionen des mit dem elektronischen Steuergerät (1) bestückten mechanischen Systems (7) steuert und ebenfalls reprogrammierbar ist, wobei das Betriebsprogramm (6) hierarchisch in mehrere Programmebenen gegliedert ist, welche durch das Kernsteuerprogramm, das Basissteuerprogramm und das Funktionssteuerprogramm gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Steuergerät zur Integration in mechanische Systeme mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.
Derartige elektronische Steuergeräte weisen als grundsätzliche Bausteine eine Mikroprozessor-gestützte Zentraleinheit, einen Datenspeicher, einen ein Betriebsprogramm enthaltenden Programmspeicher und Schnittstellen zur Kommunikation mit Programmier- und Dateneingabegeräten sowie mit dem zu steuernden mechanischen System auf.
Zum Hintergrund der Erfindung ist nun festzuhalten, dass der Einsatz von elektronischen, Mikroprozessor-basierten Steuerungen in mechanischen Systemen zunehmend Verbreitung findet. Die Funktionen der elektronischen Steuerung zum Betrieb des mechanischem Systems sind dabei im wesentlichen als Betriebsprogramm im Steuergerät abgelegt.
In zunehmenden Maße werden nun sogenannte "integrierte Steuerungen" eingesetzt, bei denen das elektronische Steuergerät direkt in das mechanische System integriert ist. Dabei sind nur wenige Schnittstellen zur externen Kommunikation nach außen geführt, über die die in begrenzter Anzahl vorhandenen frei-programmierbaren Parameter der Steuerung gesetzt und variiert werden können.
Gerade im Großserien-Einsatz solcher integrierten Steuerungen ist man nun bestrebt, aus Rationalitätsgründen und wegen der sich damit ergebenden Kostenvorteile in der Entwicklung, Fertigung und Produktlogistik möglichst gleiche Elektronikkomponenten für verschiedene, hinreichend ähnliche Aufgaben einzusetzen. Die unterschiedlichen Anforderungen an die Funktions weise werden dann ausschließlich durch eine aufgabenspezifische, anwendungsorientierte Programmvariante realisiert.
Gerade diese Vorgehensweise stellt nun bei integrierten Steuerungen in Verbindung mit derzeit üblichen, in der Praxis verwendeten Programmstrukturen dahingehend ein Problem dar, dass durch die Programmierung des Steuergerätes mit einer fixen Betriebssoftware im Fertigungsablauf dem elektronischen Steuergerät eine Funktionenvariante starr zugeordnet wird. Anschließend wird das Steuergerät in einer "mechanischen Umgebung" verbaut, wie z. B. in ein Getriebe eingesetzt, wobei nur noch die definierten externen Schnittstellen nach außen geführt sind. Über diese kann zwar noch mittels der Basissoftware eine Programmierung/Reprogrammierung des eigentlichen Betriebsprogrammes nach einem variantenspezifisch festgelegten Verfahren durchgeführt werden, eine Änderung der Basissoftware selbst in einer Steuerung, die in ein Mechanikmodul integriert ist, und die damit verbundene Festlegung eines Reprogrammierverfahrens sind nicht mehr möglich. Eine getroffene Zuordnung einer Funktionsvariante ist damit nicht mehr reversibel. Diese irreversible Zuordnung einer Funktionsvariante bedeutet dann allerdings, dass durch den Einbau der die Funktionsvariante implementierenden Steuerung in ein bestimmtes Mechanikmodul letzteres praktisch zu einem bestimmten Gerätetyp wird, der sich von einem Mechanikmodul mit einem eine andere Basissoftware verwendenden Steuergerät unterscheidet. Betrachtet man die Mechanikmodule mit dem jeweiligen elektronischen Steuergerät als ganzes, so liegen damit unterschiedliche Gerätevarianten vor, die über den Produktlebenslauf des Gerätes nicht mehr zu ändern sind.

Aus der DE 40 03 507 A1 nächstliegender Stand der Technik ist ein digitales Steuergerät bekannt, das einen Mikrorechner und einen fest verbundenen, die Steuerdaten und das Programm enthaltenden Hauptspeicher aufweist. Dieser ist als Schreib-/ Lesespeicher (RAM, EEPROM oder dgl.) ausgebildet. Ein beim Einschalten des Steuergeräts ablaufendes Basisprogramm ist in einem Hilfsspeicher vorgesehen, der als Festspeicher (ROM, EPROM oder dgl.) ausgebildet ist. Durch dieses Basisprogramm wird das Laden des Hauptspeichers aus einem externen Datenträger über eine Schnittstelle auf einen Ladebefehl hin gesteuert, und der Programmzugriff des Mikrorechners auf den Hauptspeicher wird ebenfalls damit automatisch gesteuert. Hierdurch können auf einfache Weise noch nachträglich Software-Änderungen im Steuergerät durchgeführt werden, wenn beispielsweise Verbesserungen oder Variationen von Programm- oder Kennfelddaten vorliegen. Zur Datenänderung ist kein externes Programmiergerät erforderlich, vielmehr erfolgt eine automatische, vom Basisprogramm gesteuerte Datenübertragung.

In der WO 00/10060 A2 wird ein Verfahren beschrieben, durch das Seriensteuergeräte ohne spezielle Applikations-Tools appliziert werden können. Hierbei wird ein zu applizierender Datensatz aus einem ersten Speicherbereich eines Flash-Speichers in einen zweiten Speicherbereich des Flash-Speichers umkopiert. Die zu applizierenden Daten werden abschnittsweise in einem RAM-Speicher aktualisiert und dann in den zweiten Speicherbereich rückgeschrieben. Abschließend wird der applizierte Steuerdatensatz an seine ursprüngliche Position im ersten Speicherbereich zurückkopiert.

Unter dem Begriff "reprogrammierbar" ist z.B. sowohl ein externes Reprogrammieren, welches das Laden von einem externen Datenträger in den Programmspeicher umfasst, zu verstehen, als auch ein internes Reprogrammieren, welches das Umprogrammieren des jeweiligen Programms durch Änderung von Teilen des Programmcodes umfasst. Diese beiden Bedeutungen des Begriffs "reprogrammierbar" kommen z.B. durch die nachfolgenden beiden Druckschriften zum Ausdruck.

Aus der DE 693 26 175 T2 ist ein Verfahren zum Neuschreiben von Daten in einem elektrisch lösch- und programmierbaren Festwertspeicher mit einer Vielzahl von durch Adressen bezeichneten Speicherbereichen bekannt. Dabei wird zunächst ein erster Speicherbereich des Festwertspeichers adressiert, in welchem erste Daten gespeichert sind, die alte zu schreibende Daten enthalten. Diese ersten Daten werden aus diesem Speicherbereich ausgelesen. Diese ersten aus dem Festwertspeicher ausgelesenen Daten werden in einen RAM geschrieben. Danach werden zweite Daten in dem RAM durch Neuschreiben neuer Daten für die alten Daten von den ersten, in den RAM geschriebenen Daten erzeugt. Die erzeugten zweiten Daten werden aus dem RAM ausgelesen, und die ausgelesenen zweiten Daten werden in den zweiten Speicherbereich des Festwertspeichers eingeschrieben. Des Weiteren werden die zweiten Daten in einen leeren zweiten Speicherbereich des Festwertspeichers in Adressen-Reihenfolge eingeschrieben und zwar durch Adressieren eines Speicherbereichs des Festwertspeichers, der dem ersten Speicherbereich zunächst liegt und durch eine gespeicherte letzte Adresse bezeichnet ist, und durch Einschreiben der erzeugten und ausgelesenen zweiten Daten in den adressierten Speicherbereich. Danach wird die letzte Adresse des zweiten Speicherbereichs des Festwertspeichers dorthin gespeichert, wo die zweiten Daten geschrieben worden sind. Schließlich werden die zweiten Daten aus dem RAM sowie aus dem Festwertspeicher ausgelesen, und es wird geprüft, ob die zweiten aus dem RAM ausgelesenen Daten und die zweiten aus dem Festwertspeicher ausgelesenen Daten übereinstimmen.

Aus der WO 96/25706 A1 eine Mikroprozessorschaltung mit mindestens einem Rechenwerk und einem Steuerwerk bekannt, die für einen vorgegebenen Satz von Grundfunktionen ausgelegt sind, bei dem auf einem Halbleiterbaustein zusammen mit dem Rechnerwerk und dem Steuerwerk zusätzlich eine konfigurierbare Logikeinheit integriert ist, durch die einstellbar eine zusätzliche Zahl von Funktionen realisierbar ist.

Ausgehend von dieser geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine während des Produktlebenslaufes einer integrierten Steuerung reversible variantenspezifische Zuordnung über das Betriebsprogramm zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung sieht also ein über dem Produktlebenslauf nicht mehr änderbares Programm vor, das aufgrund dieser seiner Eigenschaft in der Produktcharakterisierung und -logistik als Hardware-Bestandteil, also als "Firmware" betrachtet werden kann. Das Kern-Steuerprogramm legt nun vorzugsweise über eine festgelegte Kommunikationsschnittstelle fest, dass das Steuergerät in definierter Weise programmiert und reprogrammiert werden kann.

Insoweit kann auf der Grundlage des Kernsteuerprogrammes das Steuergerät mit einem weiteren Programm, nämlich dem Basissteuerprogramm ausgestattet werden, durch das eine bestimmte Funktionsvariante des Steuergerätes in spezifischer Weise für den späteren Anwender der integrierten Steuerung festzulegen ist. Vorzugsweise sind dabei im Basissteuerprogramm diejenigen variantenspezifischen Funktionen beinhaltet, über die eine definitionsgemäße Reprogrammierung des Funktionssteuerprogrammes gemäß der jeweiligen Variante erfolgt. Der Prozess der Programmierung des Basissteuerprogrammes ist dabei unter Verwendung des Kernsteuerprogrammes vollständig reversibel, so dass sich eine völlig flexible Funktionszuweisung für das elektronische Steuergerät und die damit versehene integrierte Steuerung über den Produktlebenslauf ergibt.

Schließlich ist durch die Reprogrammierbarkeit des eigentlichen gerätespezifischen Funktionsteuerprogrammes eine weitere Flexibilisierung gegeben. Durch die hierarchische Zwischenebene des Basissteuerprogrammes kann hier die Reprogrammierung über ein vom Basissteuerprogramm festgelegtes, anwenderspezifisches Kommunikationsverfahren erreicht werden.

Zusammenfassend liegt der zentrale Vorteil der Erfindung in der jederzeit reversiblen Funktionszuordnung des Steuergerätes auch bei integrierten Steuerungen. Dabei können auch zum Zeitpunkt der Herstellung des Gerätes noch nicht existierende, später entwickelte Varianten nachträglich einprogrammiert werden, was die Flexibilität und umfassend variable Einsetzbarkeit des Steuergerätes über dessen Produktlebensdauer hinweg zusätzlich gewährleistet.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind schließlich der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der die erfindungsgemäße Konzeption anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird.
Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm eines Produktlebenslaufes eines konventionellen elektronischen Steuergerätes, und
2 ein Flussdiagramm eines Produktlebenslaufes eines mit hierarchisch gegliedertem Betriebsprogramm versehenen elektronischen Steuergerätes.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es unabdingbar, den konventionellen Produktlebenslauf nach dem Stand der Technik kurz zu erörtern, was anhand von 1 erfolgt. Dort wird von einem elektronischen Steuergerät 1 ausgegangen, das mit einer Mikroprozessor-gestützten Zentraleinheit 2, einem Datenspeicher 3, einem Programmspeicher 4 und Schnittstellen 5 zur Kommunikation mit externen, nicht näher dargestellten Programmier- und Dateneingabegeräten sowie mit den zu steuernden mechanische Systemen versehen ist. Ein solches elektronisches Steuergerät 1 wird in der Fertigung einer integrierten Steuerung über die Schnittstellen 5 mit einem bestimmten anwender- und funktionsspezifischen Betriebsprogramm 6 mit den Varianten 6a, 6b, 6c gespeist, wodurch aus dem elektronischen Steuergerät 1 ein jeweils spezifisches Steuergerät 1a, 1b, 1c wird. Dieses wird in ein entsprechendes Mechanikmodul 7a, 7b oder 7c eingebaut. Die entsprechende integrierte Steuerung weist damit ein ganz bestimmtes Funktionalitätsbild auf, das nur innerhalb begrenzter Funktionsparameter variierbar ist. Die entsprechenden Reprogrammierungsschritte sind durch die Pfeile 8 in 1 angedeutet.
Zur Erläuterung der Erfindung wird nun auf 2 verwiesen. Dort wird wiederum von einem elektronischen Steuergerät 1 ausgegangen, das eine Zentraleinheit 2, einen Datenspeicher 3 und einen Programmspeicher 4 aufweist. Während der Fertigung des Steuergerätes 1 wird in einem irreversiblen Prozess ein Kernsteuerprogramm 9 einprogrammiert, das sich über den Produktlebenszyklus nicht mehr ändern kann. Diese Software erhält im wesentlichen die grundlegenden, allgemeinen Initialisierungsfunktionen, die Funktionen zur Kommunikation über ein Standardprotokoll und zusätzliche Programmierfunktionalitäten. Das Standardprotokoll ist dabei varianten- und anwenderunabhängig. Das mit dem Kernsteuerprogramm 9 versehene Steuergerät 1 ist universell einsetzbar und somit als Gleichteil anzusehen.
Beim Anwender, wie z. B. dem Hersteller eines mechanischen Systems, wird dann mit Hilfe des Kernsteuerprogrammes 9 ein Basissteuerprogramm 10a, 10b bzw. 10c in das Steuergerät 1 eingespeichert. Dieses Basissteuerprogramm 10 ist anwendungs- und funktionsspezifisch und enthält im wesentlichen die Funktionen zur Kommunikation über anwenderspezifische Protokolle und anwenderspezifische Reprogrammierfunktionalitäten, wie etwa Änderungen im eigentlichen Betriebsprogramm und die Speicherung von Abgleich- und Historiedaten.
Unterschiedliche elektronische Steuergeräte 1a, 1b, 1c können dann anwendungsspezifisch mit Hilfe des jeweiligen Basissteuerprogramms 10a, 10b, 10c jeweils unterschiedliche gerätespezifische Funktionssteuerprogramme erhalten, so dass nach Einbau des jeweiligen elektronischen Steuergerätes 1a, 1b, 1c in mechanische Systeme jeweils unterschiedliche Mechanikmodule 7a, 7b, 7c vorliegen.
Die Eigenschaften dieser Module 7a, 7b, 7c sind nun sehr variabel änderbar. So kann – wie bereits beim Stand der Technik – jedes Mechanikmodul 7a, 7b, 7c mit Hilfe des Basissteuerprogramms mit einem neuen gerätespezifischen Funktionssteuerprogramm 11a, 11b, 11c versehen werden, so dass das Modul an geänderte Steuerungsfunktionen, wie die Sensorsignalverarbeitung, Ansteuerung der Aktuatorik, Steuerungs- und Regelungsfunktionen, Fahrstrategie und Diagnosemanagement bei Kraftfahrzeuggetrieben – als Beispiel für ein Mechanikmodul 7 – geändert werden können.
Daneben ist es möglich, mit Hilfe des Kernsteuerprogrammes 9 auch das Basissteuerprogramm 10 zu ändern, so dass dieses reversibel und auf dieser Ebene völlig flexibel umprogrammierbar ist. Dies bedeutet, dass aus einem Mechanikmodul 7a durch Reprogrammierung ein Mechanikmodul 7b oder 7c im Laufe der Produktlebensdauer gemacht werden kann. Insoweit können beispielsweise von Feldversuchen rücklaufenden Modulen völlig neue Einsatzzwecke zugeordnet werden.
Als Beispiel für ein Mechanikmodul kann ein Getriebe herangezogen werden. In diesem Zusammenhang fertigt dann ein auf elektrotechnischem Gebiet kompetenter Hersteller die elektronischen Steuergeräte 1 und programmiert dort nur das Kernsteuerprogramm 9 ein. Die so geschaffenen Hardware-Gleichteile werden an einen Getriebehersteller geliefert, der die von ihm hergestellten Getriebe mit entsprechenden Steuergeräten ausstattet und an verschiedene Automobilhersteller vertreibt. Da die Automobilhersteller äußerst unterschiedliche Anforderungen an die Funktionalität des integriert gesteuerten Systems "Getriebe" stellen, ergeben sich bei den Steuerungen verschiedene Varianten, die Einfluss auf das Steuerungsprogramm inkl. dessen Steuerungsdaten haben. Ebenso definieren die Automobilhersteller eigene Kommunikationsstandards zur Reprogrammierung.
Um den vorstehenden Umständen Rechnung zu tragen, ist es bei der erfindungsgemäßen Reprogrammierungsstruktur möglich, dass auf der Basis des Kernsteuerprogrammes 9 in jedem Gleichteil der Getriebehersteller ein den jeweiligen Anforderungen entsprechendes Basissteuerprogramm einprogrammiert bzw. entsprechend umprogrammiert. Zu einem späteren Zeitpunkt können dann durch die Reprogrammierungsmöglichkeit neue Varianten des Basissteuerprogramms und des zugehörigen Funktionssteuerprogramms hinzugefügt werden, ohne dass das Kernsteuerprogramm 9 modifiziert werden müsste.
Zusammenfassend ergeben sich also aufgrund der Durchgängigkeit des Gleichteileansatzes im Produktlebenslauf des elektronischen Steuergerätes erhebliche Vorteile sowohl beim Hersteller des Steuergerätes als auch beim Hersteller des jeweiligen mechanischen Systems bezüglich Entwicklung, Fertigung und Produktlogistik.

Claims

Elektronisches Steuergerät zur Integration in mechanische Systeme mit – einer Mikroprozessor-gestützten Zentraleinheit (2), – einem Datenspeicher (3), – einem ein Betriebsprogramm (6) enthaltenden Programmspeicher (4), – Schnittstellen (5) zur Kommunikation mit Programmier- und Dateneingabegeräten sowie mit dem zu steuernden mechanischen System (7), – einem dauerhaft installierten, nicht umprogrammierbaren Kernsteuerprogramm (9), das die grundlegende Programmierbarkeit des Steuergerätes (1) mittels eines Basissteuerprogramms (10) steuert, – dem Basissteuerprogramm (10), das grundsätzliche Funktionen im Zusammenhang mit dem zu steuernden mechanischen System (7) steuert und reprogrammierbar ist, und – einem gerätespezifischen Funktionssteuerprogramm (11), das die individuellen Funktionen des mit dem elektronischen Steuergerät (1) bestückten mechanischen Systems (7) steuert und ebenfalls reprogrammierbar ist, wobei das Betriebsprogramm (6) hierarchisch in mehrere Programmebenen gegliedert ist, welche durch das Kernsteuerprogramm, das Basissteuerprogramm und das Funktionssteuerprogramm gebildet werden.
Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kernsteuerprogramm (9) grundlegende allgemeine Initialisierungsfunktionen, Funktionen zur Kommunikation über ein Standardprotokoll und/oder grundsätzliche Programmierfunktionalitäten implementiert sind.
Steuergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Basissteuerprogramm (10) Funktionen zur Kommunikation über anwenderspezifische Pro tokolle und/oder anwenderspezifische Reprogrammierfunktionen implementiert sind.
Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernsteuerprogramm (9) vor dem Einbau des Steuergeräts (1) in das anwenderspezifische mechanische System (7) einprogrammiert ist.
Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Basissteuerprogramm (10) in Abhängigkeit anwenderspezifischer Anforderungen vor oder nach dem Einbau des Steuergerätes (1) in das mechanische System (7) einprogrammierbar ist.
Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Funktionssteuerprogramm (11) nach dem Einbau des Steuergerätes (1) in das mechanische System (7) einprogrammiert ist.