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Technisches Gebiet
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Bei den bisher bekannten Lösungen zur Diagnose von Halbleiter-Endstufen (zum Beispiel diskreten FET-Endstufen) wird an diesen die aktuell an der Endstufe anliegende Spannung (Drain-Source-Spannung) von einem Analogport eingelesen und in einen Digitalwert umgesetzt.
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Stand der Technik
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Aus
EP 0 516 633 B1 ist darüber hinaus ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Verbrauchers bekannt. Durch Vergleich eines der Ansteuerung des Verbrauchers dienenden Signals und eines der Steuerschaltung zugeleiteten Rückmeldesignals wird die Funktion eines von der Steuerschaltung angesteuerten elektrischen Verbrauchers überwacht. Das Rückmeldesignal wird von einem zwischen Versorgungsspannung und Masse liegenden RC-Glied beeinflusst. Zur Erkennung eines Kurzschlusses des Verbrauchers gegen Masse, gegen Versorgungsspannung oder eine Unterbrechung einer Leitung zwischen der Steuerschaltung und dem Verbraucher erfolgt wenigstens je eine Vergleichsabfrage zeitlich gestaffelt, vor, während und nach einem Schaltereignis des Verbrauchers.
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DE 42 24 477 A1 hat Verbesserungen an einer Sicherheitseinrichtung, wie beispielsweise eines Airbags zum Schutz von Fahrzeuginsassen, zum Gegenstand. Eine elektrische Endstufe, die als Zündtransistor ausgebildet ist, wird hinsichtlich eines Kurzschlusses der Endstufe gegen die Versorgungsspannung oder gegen Masse überwacht. Es wird eine Zentralrechnereinheit
5 vorgeschlagen, die die elektrische Endstufe über eine Steuerleitung steuert. Dazu wird mittels einer Sicherheitsvorrichtung eine Stromversorgung unwirksam gemacht oder unterbrochen. Zu diesem Zweck wird ein Potential von einem vorbestimmten Punkt in eine Reihenschaltung abgeleitet. Das abgegriffene Potential wird sowohl von einer Zentralrecheneinheit als auch von einem Vergleichsglied, das das abgegriffene Potential mit einem Bezugspotential vergleicht, überwacht.
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DE 44 32 301 A1 hat ein elektronisches Steuergerät für Rückhaltesysteme von Fahrzeuginsassen zum Gegenstand. Das elektronische Steuergerät umfasst einen Mikrorechner und eine über den Mikrorechner ansteuerbare Endstufe. Die Endstufe ist über mindestens je einen Widerstand mit den Polen einer Spannungsquelle verbunden. Ein positiver Anschluss der Endstufe ist mit dem Mikrorechner verbunden. Für jede der mehreren Anschlussleitungen des Zündelementes ist ein separates Schaltelement vorgesehen, über das die jeweilige Anschlussleitung mit dem Masseanschluss verbunden werden kann.
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Darstellung der Erfindung
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird ein Diagnosekonzept zur Verfügung gestellt, welches die analoge Auswertung über einen separat vorzuhaltenden Analog/Digital-Port umgeht und die Drain-Source-Information direkt an einem Digitalport ausgewertet werden kann. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können die zur Diagnose einer Endstufe erforderlichen Fehlerfälle ”Kurzschluss nach Versorgungsspannung”, ”Kurzschluss zur Masse” und ”Kabelabfall” mit einer geringeren Anzahl von Bauelementen an Endstufen ermittelt werden. Zur Diagnose der genannten drei Fehlerfälle wird ausschließlich ein Digital-Port benötigt, welcher eine I/O-Funktionalität aufweist. Dies bietet den Vorteil, dass am Mikroprozessor ein wertvoller Analog/Digital-Port frei wird, der die Beschaltungsvarianten des Mikrocontrollers (μC) erheblich erweitert.
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Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine Schaltung mit Diagnosepfad für verschiedene Fälle unter Einsatz eines Analog/Digital-Wandlers gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine erfindungsgemäße Schaltung unter Verwendung eines Digitalports mit I/O-Funktionalität als Diagnoseport,
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3 die bauteiloptimierte Schaltungsvariante der Schaltung gemäß 2,
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4 einen Diagnoseablauf unter Einsatz der Schaltung gemäss 2,
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5 eine Erweiterung des Diagnoseablaufs gemäss 4 und
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6 einen Diagnoseablauf unter Verwendung der Schaltung gemäss der Darstellung in 3.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäss 1 ist eine Schaltung zu entnehmen, die eine Signalpfadbeschaltung zur Diagnose von Fehlerzuständen einer Endstufe unter Verwendung eines Analog/Digital-Wandler-Ports wiedergibt.
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In der in 1 dargestellten Beschaltungsvariante eines Mikrocontrollers 1 (μC) gemäß dem Stand der Technik liegt in der Zuleitung zu einem Analogport 2 ein Schutzwiderstand 9 (R1). Ein Endstufentransistor 4 wird über einen Digitalport 3 und eine Ansteuerleitung 6 angesteuert, wobei die Ansteuerleitung 6 mit der Transistorbasis 5 des Endstufentransistors 4 verbunden ist. Der Endstufentransistor 4 ersetzt im Ausführungsbeispiel eine Endstufe, welche eine schaltungsexterne Last schaltet. Anstelle eines hier dargestellten Transistors 4 kann es sich bei diesem Endstufentransistor auch um einen MOS-FET oder eine integrierte Endstufe in einem Leistungs-IC handeln. Je nach eingesetztem elektronischen Bauteil 4, kann mit Bezugszeichen 5 dann entweder eine Transistorbasis, wie dargestellt, oder ein Gate eines MOS-FET oder ein Ansteuerpin eines Endstufen IC ohne Eigendiagnose bezeichnet sein. In der dargestellten Schaltung handelt es sich um einen Endstufentransistor 4, dem eine mit Bezugszeichen 5 bezeichnete Transistorbasis zugeordnet ist.
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Dem Steuergerätstecker 13 wird in der Regel ein Steckerkondensator 7 (C1) zur EMV-Verbesserung zugeordnet.
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Dem Schutzwiderstand 9 (R1) ist ein Stütz-Kondensator 8 (C2) zugeordnet. Die Widerstände 9 (R1) sowie der Stützkondensator 8 (C2) bilden einen Tiefpass zur Filterung von Signalstörungen. Zudem wirkt der Stützkondensator 8 (C2) stabilisierend auf die Analogspannung und verbessert die Genauigkeit des Wandelergebnisses. Der mit Bezugszeichen 9 gekennzeichnete Widerstand R1 stellt zugleich einen Schutzwiderstand dar, während die beiden hinter dem Schutzwiderstand 9 (R1) liegenden Widerstände 10 und 11 (R2) bzw. (R3) zur Kabelabfalldiagnose erforderlich sind. Die Widerstände 10 (R2) und 11 (R3) bilden einen Spannungsteiler zur Versorgungsspannung Vx. Eine sich einstellende Spannung 14 ist ein dem auftretenden Fehlerfall ”Kabelabfall” entsprechender Diagnosewert.
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Die Diagnosefunktion dieser Schaltung ergibt sich wie nachfolgend beschrieben:
Um den Fehlerfall ”Kurzschluss nach Versorgungsspannung” zu diagnostizieren, stellt sich am Steuergerätestecker 13 bei EIN-geschalteter Endstufe ein High-Pegel ein. Der Fehler wird durch Rücklesen des Analog-Wertes bei eingeschalteter Endstufe 4 erkannt. Der Fehlerfall ”Kurzschluss nach Masse” wird dadurch diagnostiziert, dass sich am Steuergerätestecker 13 bei ausgeschalteter Endstufe 4 ein Low-Pegel einstellt. Der Fehler wird durch Rücklesen des Analog-Wertes bei ausgeschalteter Endstufe 4 erkannt. Der Fehlerfall ”Kabelabfall” wird bei AUS-geschalteter Endstufe 4 durch Rücklesen des Analog-Wertes erkannt. Der zurückgelesene Wert wird durch das Teilerverhältnis der Widerstände 9 und 10, d. h. (R1) bzw. (R2) bestimmt und liegt im allgemeinen zwischen 0 V und Vx. Die Erkennung dieser Signalspannung, d. h. die Diagnose eines Kabelabfalls, ist ausschließlich mit Hilfe eines A/D-Wandler-Ports 2 am Mikrocontroller 1 möglich.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante einer Schaltung mit digitalem Diagnoseport anstelle eines A/D-Wandler-Ports am Mikrocontroller (μC).
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Die Schaltung gemäss 2 umfasst einen Mikrocontroller (μC) 1, der einen digitalen Diagnoseport 12 sowie einen Digitalport 3 aufweist. In der Diagnoseleitung ist ein Schutzwiderstand 9 (R1) aufgenommen; über die vom Digitalport 3 abzweigende Ansteuerleitung 6 wird die Transistorbasis 5 eines Endstufentransistors 4 (T1) angesteuert. Die Schaltung umfasst ferner einen Steckerkondensator 7 (C1), der dem Steuergerät bzw. dem Steuergerätestecker 13 zugeordnet ist. Dieser Steckerkondensator 7 (C1) wird im beschriebenen Diagnoseverfahren für Diagnosezwecke eingesetzt. Daneben umfasst die Schaltung gemäss der ersten Ausführungsvariante einen Widerstand 10 zur Kabelabfalldiagnose. Der mit Bezugszeichen 10 bezeichnete Widerstand (R2) wird auch als Pull-Up-Widerstand nach Vx bezeichnet.
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3 zeigt eine zweite, bauteiloptimierte Schaltung mit digitalem Diagnoseport 12 am Mikrocontroller 1 als Diagnose-Eingang.
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Die in 3 wiedergegebene Schaltung entspricht im wesentlichen der in 2 bereits dargestellten Schaltungsversion, jedoch mit dem Unterschied, dass die in 3 dargestellte Schaltungsvariante ohne einen Pull-Up-Widerstand 10 (R2) auskommt. Gemäss dieser zweiten Ausführungsvariante der Schaltung kann ein zusätzliches Bauteil in Gestalt eines Widerstandes eingespart werden.
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Der Darstellung gemäß 4 ist ein Diagnoseablauf unter Einsatz der Schaltung gemäss 2 zu entnehmen.
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Daraus ergibt sich die nachfolgende Diagnosetabelle
| | Pegel am Diagnoseport | Systemzustand |
| Endstufe eingeschaltet | L | i. O. |
| Endstufe ausgeschaltet | H | i. O. |
| Endstufe eingeschaltet | H | Kurzschluss nach Vx |
| Endstufe ausgeschaltet | L | Kurzschluss nach GND oder Kabelabfall, weiterer Diagnoseablauf siehe Ablaufdiagramm |
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Mit Bezugszeichen 22 ist der Low-Level des Diagnoseportpegels bezeichnet, während das Bezugszeichen 23 den High-Level des Diagnoseportpegels identifiziert.
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Gemäß des Ablaufdiagrammes zur Diagnose in 4 wird ein Fehlerzustand 28 ”Kurzschluss nach Versorgungsspannung bzw. Vx” durch den sich einstellenden Diagnoseportpegel 23 erkannt. Der Fehler wird durch Rücklesen des Diagnoseportzustandes bei eingeschaltetem elektrischen Verbraucher 15 im Einschaltzustand 20 der Endstufe eines Steuergerätes erkannt. Ein Fehlerzustand 30 ”Kurzschluss nach GND (Ground) bzw. Masse” wird dadurch erkannt, dass sich am Steuergerätestecker 13 ein Low-Level 22 im Ausschaltzustand 21 der Endstufe 4 einstellt. Der Fehler wird durch Rücklesen des Diagnoseportzustandes 22 bei ausgeschalteter Endstufe 4 erkannt. Stellt sich im ausgeschalteten Zustand 23 der Endstufe 4 ein High-Level 23 am Diagnoseport ein, wird auf einen korrekten Systemzustand 27 erkannt.
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Die Erkennung des Fehlerzustandes ”Kabelabfall” erfolgt über eine kombinierte Auswertung des Diagnoseportpegels 22 bzw. 23 und dessen zeitlichem Verlauf. Bei Einschalten des elektrischen Verbrauchers wird der Kondensator 7 (C1) gemäss der Schaltung in 2 über die eingeschaltete Endstufe entladen. Dadurch stellt sich am Diagnoseport 12 ein Low-Level 22 ein. Nach Abschalten der Endstufe stellt sich im Fehlerfalle 30 ”Kurzschluss nach Masse” ein dauerhaft anliegender Low-Pegel 22 ein. Der jeweilige Diagnoseportzustand 22 oder 23 wird unmittelbar nach dem Ausschalten 21 der Endstufe 4 zurückgelesen. Wird ein Low-Pegel 22 zurückgelesen, so muss in einem folgenden Schritt 25 eine Fallunterscheidung des Fehlerzustandes 30 ”Kurzschluss nach Masse” und des Fehlerzustandes 29 ”Kabelabfall” vorgenommen werden. Liegt der Fehlerzustand 29 ”Kabelabfall” vor, so lädt sich der Kondensator 7 (C1) über den Pull-Up-Widerstand 10 mit der Zeitkonstanten: T1 = R2 × C1 auf. Nach Ablauf einer Zeitspanne T1 (d. h. 3 × R2 × C1) kann im Fehlerzustand 29 ”Kabelabfall” über den digitalen Diagnoseport 12 des Mikrocontrollers 1 ein High-Level 23 rückgelesen werden. Im dritten Fehlerzustand ”Kurzschluss nach Masse” verbleibt der Pegel des Diagnoseportsignals auf einem Low-Level 22.
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Mit der in 2 dargestellten Schaltung kann auch ein Diagnoseablauf gemäss des in 5 dargestellten Ablaufdiagramms erfolgen. Zur Erkennung des Fehlerzustandes 29 ”Kabelabfall” lässt sich die Diagnose wie folgt realisieren:
Über den Pull-Up-Widerstand 10 (R2) wird nach der Zeit T2 > 5 × R1 × C1 bzw. bei intaktem System 27 direkt über den elektrischen Verbraucher oder im Fehlerzustand 28 ”Kurzschluss nach Versorgungsspannung”, der Kondensator 7 (C1) auf den High-Level 23 aufgeladen. Dieser High-Level-Zustand 23 wird vom digitalen Diagnoseport 12 des Mikrocontrollers 1 eingelesen. In einem weiteren sich anschließenden Verfahrensschritt wird der digitale Diagnoseport 12 einer Umkonfiguration 34 auf Ausgang: Low unterzogen. Über den Schutzwiderstand 9 (R1) fließt ein Strom in den digitalen Diagnoseport 12 des Mikrocontrollers 1 hinein. Nach Ablauf einer Zeitspanne 35, t2, die abhängig von der Dimensionierung des Schutzwiderstandes 9 (R1) des Pull-Up-Widerstandes (R2) und der Dimensionierung des Kondensators 7 (C1) ist, wird der digitale Diagnoseport 12 einer erneuten Umkonfiguration 36 auf Eingang unterzogen. In dem darauf unmittelbar folgenden Schritt wird das Potential an diesem Diagnoseport 12 rückgelesen und ausgewertet. Bei fehlerfreiem Systemzustand 27 liegt nach einer Umkonfiguration 36 am digitalen Diagnoseport 12 weiterhin ein High-Level 23 als Diagnosesignal an. Der während der Umkonfiguration 34 des digitalen Diagnoseports 12 ”Ausgang: Low” in den digitalen Diagnoseport 12 hinfließende Strom wird durch die am Anschluss des elektrischen Verbrauchers 15 anliegende Batteriespannung injiziert. Die Ladung des Kondensators 7 (C1) bleibt somit erhalten und liegt über der Kennungsschwelle des High-Pegels 23 des digitalen Diagnoseports 12. Es wird auf den Systemzustand i. O. 27 erkannt.
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Liegt hingegen ein Fehlerzustand 29 ”Kabelabfall” vor, wird der Kondensator 7 (C1) der Schaltung gemäss 2 über den Portpin entladen. Nach einer endlichen Zeitspanne stellt sich am Kondensator 7 (C1) eine Spannung ein, die vom Spannungsteilerverhältnis des Schutzwiderstands 9 (R1) und des Pull-Up-Widerstandes 10 (R2) und der über dem digitalen Diagnoseport 12 abfallenden Dropspannung gebildet wird. Die Dimensionierung des Schutzwiderstandes 9 (R1) ist so zu wählen, dass sich am Kondensator 7 (C1) eine Spannung einstellt, die unterhalb der Kennungsschwelle des Low-Pegels 22 des digitalen Diagnoseports 12 liegt. Unmittelbar nach der Umkonfiguration 36 des digitalen Diagnoseports 12 von ”Ausgang: Low” auf Eingang kann dieser Low-Pegel 22 rückgelesen und der zweite Fehlerzustand 29 ”Kabelabfall” erkannt werden.
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Bei der Auswertung von dynamisch sich ändernden Signalen muss eine entsprechend große Zeitkonstante gewählt werden, die eine Erfassung der Signalverläufe bzw. der Pegelspannungen in von der Software vorgegebenen Zeitrastern ermöglicht. So sind entsprechend große Dimensionierungswerte für den Pull-Up-Widerstand 10 (R2) und den Kondensator 7 (C1) zu wählen.
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Der Vorteil dieses Diagnoseverfahrens liegt in der nahezu zeitunabhängigen Auswertung von Signalpegeln 22 bzw. 23. Nach einer endlichen Entladezeit 35 (t2) kann der Spannungspegel am Kondensator 7 (C1) unmittelbar nach der Umkonfiguration von 34 auf 36 des digitalen Diagnoseports 12 zurückgelesen werden. Ein weiterer Vorteil ist die Diagnose der Endstufe während des Betriebszyklusses durch Wiederholung des beschriebenen Diagnosevorganges, ohne den elektrischen Verbraucher dabei ein- und ausschalten zu müssen.
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6 zeigt einen Diagnoseablauf unter Verwendung der Schaltung gemäss 3 ohne Pull-Up-Widerstand.
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Die Diagnose des Fehlerzustands 28 ”Kurzschluss gegen Versorgungsspannung” und des Fehlerzustands 30 ”Kurzschluss gegen Masse” erfolgt auf gleiche Weise wie in der Schaltung gemäss 2 und den in Zusammenhang mit 4 bzw. 5 durchlaufenen Diagnoseschritten.
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Die Unterscheidung des Fehlerzustandes 29 ”Kabelabfall” vom Fehlerzustand 30 ”Kurzschluss gegen Masse” erfolgt durch das nachstehend beschriebene Verfahren. Bei eingeschaltetem elektrischen Verbraucher wird der Kondensator 7 (C1) über die eingeschaltete Endstufe 4 entladen. Dadurch stellt sich am digitalen Diagnoseport 12 ein Low-Pegel 22 ein. Nach Ausschalten des elektrischen Verbrauchers 15 stellt sich im Fehlerzustand 30 ”Kurzschluss gegen Masse” ein dauerhafter Low-Pegel 22 ein. Demgegenüber stellt sich im Fehlerzustand 28 ”Kurzschluss gegen Versorgungsspannung” oder bei intaktem Zustand 27 am digitalen Diagnoseport 12 sofort ein High-Pegel 23 ein. Wird hingegen durch den digitalen Diagnoseport 12 am Mikrocontroller 1 (μC) ein Low-Pegel 22 im ausgeschalteten Zustand 21 zurückgelesen, so wird in einem zweiten Verfahrensschritt die Unterscheidung einer Analyse des Fehlerzustandes 30 ”Kurzschluss gegen Masse” und des Fehlerzustandes 29 ”Kabelabfall” vorgenommen. Zur Diagnose des Fehlerzustandes 29 ”Kabelabfall” wird der digitale Diagnoseport 12 des Mikrocontrollers 1 durch eine Umkonfiguration 31 auf ”Ausgang: High” geschaltet. Liegt der Fehlerzustand 29 ”Kabelabfall” vor, wird der Kondensator 7 (C1) mit dem vom Mikrocontroller 1 getriebenen Strom aufgeladen.
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Nach Ablauf einer Zeit T3 = f(R1, C1 und iμc), welche eine Funktion des Schutzwiderstandes 9 des Kondensators 7 und der Mikrocontrollerporttreiberfähigkeit ist, und die in erster Näherung T3 > R1 × C1, entspricht, ist der Kondensator 7 (C1) auf einen High-Level 23 aufgeladen. Danach erfolgt eine Umkonfiguration 32 des digitalen Diagnoseports 12 am Mikrocontroller 1 auf ”Eingang” und der High-Level 23 am Kondensator 7 (C1) kann zurückgelesen werden. Dieser zeitliche Spannungsverlauf am Kondensator 7 (C1) stellt sich ausschließlich bei Vorliegen des Fehlerzustandes 29 ”Kabelabfall” ein.
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Wird nach der Zeitspanne T3 hingegen ein Low-Level 22 durch den digital Diagnoseport 12 des Mikrocontrollers zurückgelesen, so handelt es sich um den Fehlerzustand 30 ”Kurzschluss nach Masse”.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mikrocontroller (μC)
- 2
- Analog/Digitalport
- 3
- Ansteuerport für Transistor
- 4
- Endstufentransistor T1
- 5
- Transistorbasis
- 6
- Ansteuerleitung
- 7
- Kondensator (EMV) C1
- 8
- Stütz-Kondensator C2
- 9
- Schutzwiderstand R1
- 10
- Pull-Up-Widerstand R2 zur Kabelabfalldiagnose
- 11
- Widerstand R3 zur Kabelabfalldiagnose (Spannungsteiler mit R2)
- 12
- digitaler Diagnoseport
- 13
- Steuergerätestecker, Anschluß
- 14
- Spannung am Spannungsteiler
- 15
- elektrischer Verbraucher
- 20
- Einschaltzustand elektrische Endstufe
- 21
- Ausschaltzustand elektrische Endstufe
- 22
- Low-Level-Signal – Diagnoseport 12
- 23
- High-Level-Signal – Diagnoseport 12
- 24
- Zeitkonstante t1 << R2 × C1
- 25
- Verzweigung
- 26
- Zeitspanne T1 > 3 × R2 × C1
- 27
- Systemzustand i. O.
- 28
- Fehlerzustand ”Kurzschluss gegen Versorgungsspannung”
- 29
- Fehlerzustand ”Kabelabfall”
- 30
- Fehlerzustand ”Kurzschluss gegen Masse”
- 31
- Umkonfiguration Diagnoseport ”Ausgang: High”
- 32
- Umkonfiguration Diagnoseport ”Eingang”
- 33
- Wartezeit T2 > 5 × R1 × C1
- 34
- Umkonfiguration Diagnoseport ”Ausgang: Low”
- 35
- Zeitspanne t2 = f(R1, R2, C2)
- 36
- Umkonfiguration Diagnoseport ”Eingang”
- 37
- Übergangsbedingung von End stufe ”EIN” in ”AUS” durch Steuerleitung 6
- 38
- Übergangsbedingung von End stufe ”AUS” in ”EIN” durch Steuerleitung 6
