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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur redundanten
Signalisierung des Schaltzustandes mindestens eines Schaltmittels
mittels zweier Signalisierungsspannungen.
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In
einem Kraftfahrzeug findet sich eine Vielzahl von Schaltmitteln,
von deren Zustand Fahr- und Komfortfunktionen des Fahrzeuges abhängen. Daher
müssen
die Schaltzustände
der Schaltmittel an die Bordelektronik übermittelt werden. Insbesondere
bei Schaltmitteln zur Bedienung sicherheitsrelevanter Funktionen
ist eine redundante Signalisierung des Schaltzustandes notwendig,
um kritische Ausfälle
zu verhindern. Darüber hinaus
ist es wünschenswert,
den Zustand mehrerer räumlich
oder funktional benachbarter Schaltmittel über eine gemeinsame Leitung
zu übertragen,
um den Verkabelungsaufwand innerhalb des Kraftfahrzeugs zu minimieren.
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Aus
der
DE 103 47 979
A1 ist eine diagnostizierbare Schalteranordnung mit einem
physikalischen Schalter, welcher einen offenen Schaltzustand und
einen geschlossenen Schaltzustand aufweist, mit wenigstens einem
ersten Schaltwiderstand, welcher sich in einer Reihenschaltung mit
dem Schalter befindet und wenigstens einem zweiten Schaltwiderstand,
welcher sich in einer Parallelschaltung zum ersten Schaltwiderstand und
zum Schalter befindet, sowie einem ersten Schalterkontakt, welcher
mit dem Spannungsteilerknoten einer Spannungsteilerschaltung verbunden
ist und einem zweiten Schalterkontakt, welcher mit dem Erdungspotenzial
der Spannungsteilerschaltung verbunden ist, bekannt.
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Dadurch
ist diagnostizierbar, ob zwischen dem Steuergerät und dem Schalter eine Unterbrechung oder
ein Kurzschluss vorliegt oder der Schalter fehlerfrei angeschlossen
ist.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und kostengünstige Schaltungsanordnung
bereitzustellen, die die redundante Signalisierung des Schaltzustandes
mindestens eines Schaltmittels mit möglichst wenig Signalleitungen
erlaubt und die Detektion des Schaltzustandes auch bei einer gestörten Signalleitung
ermöglicht.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zur redundanten Signalisierung des Schaltzustandes mindestens eines
Schaltmittels mittels zweier Signalisierungsspannungen weist zwei
unabhängige
ohmsche Spannungsteiler zwischen einer Versorgungsspannung und Massepotential
mit jeweils einem konstanten Widerstand und einem variablen Widerstand
auf, wobei die variablen Widerstände
abhängig
sind von dem zu übertragenden
Schaltzustand. Der konstante Widerstand des ersten Span nungsteilers
ist mit der Versorgungsspannung verbunden und die erste Signalisierungsspannung
ist über
dem variablen Widerstand des ersten Spannungsteilers abgreifbar.
Der konstante Widerstand des zweiten Spannungsteilers ist mit Masse
verbunden und die zweite Signalisierungsspannung ist über dem
konstanten Widerstand des zweiten Spannungsteilers abgreifbar. Dabei
beeinflusst jedes Schaltmittel die Größe der variablen Widerstände in beiden
Spannungsteilern. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat
den Vorteil, dass der Schaltzustand in zwei unabhängigen analogen
Signalisierungsspannungen übertragen
wird. Dadurch lassen sich Fehler in einem Teil der Schaltungsanordnung
erkennen und lokalisieren. Die Stellung mehrerer Schaltmittel wird
in die Signalisierungsspannungen codiert, indem die variablen Widerstände entsprechend
des Schaltzustandes variiert werden. Bei den Schaltmitteln handelt
es sich beispielsweise um Schalter oder Taster.
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In
einer Ausführungsform
ist die Schaltungsanordnung in ein Steuergerät und eine Schaltereinheit
unterteilt, wobei die Schaltereinheit die variablen Widerstände und
das Steuergerät
die konstanten Widerstände umfasst.
Daraus ergibt sich, dass die Schnittstelle zwischen Steuergerät und Schaltereinheit
aus vier elektrischen Leitern besteht, wobei ein Leiter mit der
Versorgungsspannung verbunden ist, ein Leiter mit der Fahrzeugmasse
verbunden ist und die letzten beiden Leiter die zwei Signalisierungsspannungen übertragen.
Durch diese Konstellation wird gewährleistet, dass der Schaltzustand
auch bei einer Störung
einer beliebigen der vier Schnittstellenleitungen korrekt signalisiert
wird, da dadurch nur ein Spannungsteiler beeinträchtigt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht ein variabler Widerstand aus einer Verschaltung
von den Schaltmitteln zugeordneten variablen Teilwiderständen. Jedes
Schaltmittel beeinflusst die Größe mindestens
eines ihm zugeordneten variablen Teilwiderstandes. Die variablen
Teilwiderstände
sind beliebig zu einem variablen Widerstand verschaltet, bevorzugt
in einer Parallelschaltung. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau
der Schaltungsanordnung, da die Schaltmittel unabhängig voneinander
die ihnen zugeordneten variablen Teilwiderstände und somit den gesamten
variablen Widerstand beeinflussen. Bevorzugt entspricht die Anzahl
der variablen Teilwiderstände,
aus denen ein variabler Widerstand gebildet ist, der Anzahl der
Schaltmittel, deren Schaltzustand signalisiert wird. Dementsprechend beeinflusst
ein Schaltmittel in jedem variablen Widerstand genau einen variablen
Teilwiderstand.
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In
einer einfachen Ausgestaltungsform besteht ein variabler Widerstand
beziehungsweise ein variabler Teilwiderstand aus mindestens zwei
Widerständen,
zwischen denen mittels des zugeordneten Schaltmittels wählbar ist.
Je nach Stellung des Schaltmittels wird daher einer der Widerstände zur
Bildung des variablen Widerstandes bzw. des variablen Teilwiderstandes
herangezogen, während
die anderen Widerstände
inaktiv sind. Es erfolgt also ein einfaches Umschalten zwischen
verschiedenen konstanten Widerstandswerten.
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In
einer speziellen Ausgestaltungsform sind die konstanten Widerstände der
Spannungsteiler gleich groß.
Weiterhin sind in jedem Schaltzustand der Schaltmittel die variablen
Widerstände
der beiden Spannungsteiler jeweils gleich groß. Demnach sind die beiden
Spannungsteiler in jedem Schaltzustand im Wesentlichen identisch.
Dies hat den Vorteil, dass sich die beiden Signalisierungsspannungen
stets zur Versorgungsspannung aufaddieren und somit das Vorliegen
eines Fehlers einfach erkannt werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher betrachtet
werden. Dabei zeigt:
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1 eine
Schaltungsanordnung mit zwei Schaltmitteln.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird eine beispielhafte Schaltungsanordnung zur Signalisierung der
Bedienereingaben für
eine elektronisch gesteuerte Feststellbremse in einem Kraftfahrzeug
beschrieben. Die Steuerung der Feststellbremse erfolgt über eine
Unlock-Taste und eine P-Taste, deren Schaltzustand redundant an
eine entsprechende, in 1 nicht dargestellte Steuerungselektronik
signalisiert werden soll.
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Die
Schaltungsanordnung weist zwei unabhängige Spannungsteiler auf,
die jeweils aus einem konstanten und einem variablen Widerstand
bestehen. Der erste Span nungsteiler besteht aus einem konstanten Widerstand
R10 und einem variablen Widerstand aus den Einzelwiderständen R11,
R12, R13 und R14. Der konstante Widerstand R10 ist mit der Versorgungsspannung
U0 verbunden, der variable Widerstand mit der Fahrzeugmasse. Der
zweite Spannungsteiler besteht aus einem konstanten Widerstand R20
und einem variablen Widerstand aus den Einzelwiderständen R21,
R22, R23 und R24, wobei der variable Widerstand mit der Versorgungsspannung
U0 und der konstante Widerstand R20 mit der Fahrzeugmasse verbunden
ist.
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Die
variablen Widerstände
der beiden Spannungsteiler bestehen jeweils aus einer Parallelschaltung zweier
variabler Teilwiderstände.
Jeder dieser variablen Teilwiderstände ist veränderbar, indem mittels eines Schalters
zwischen zwei konstanten Widerständen
umgeschaltet wird. So wird z. B. mittels des Schalters S1 zwischen
dem Widerstand R11 und dem Widerstand R12 umgeschaltet. Gleiches
gilt für
die Widerstände
R13 und R14, zwischen denen mittels des Schalters S2 umgeschaltet
wird. Der variable Widerstand des ersten Spannungsteilers besteht
also aus der Parallelschaltung eines der Widerstände R11 oder R12 mit einem
der Widerstände
R13 oder R14.
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Die
Schalter S1 und S3 sind der Unlock-Taste zugeordnet, werden also
bei der Bedienung der Unlock-Taste gleichzeitig betätigt. Dies
geschieht dadurch, dass S1 und S3 unter einer gemeinsamen Tastenkappe
angeordnet sind. Analog sind die Schalter S2 und S4 der P-Taste
zugeordnet. 1 zeigt die Schaltstellungen
der Schalter S1 bis S4 im Ruhezustand bei unbetätigter Unlock- und P-Taste.
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Der
Schaltzustand der Schaltmittel Unlock-Taste und P-Taste wird über die
Signalisierungsspannungen U1 und U2 signalisiert. Dabei wird die
erste Signalisierungsspannung U1 über dem variablen Widerstand des
ersten Spannungsteilers abgegriffen, die zweite Signalisierungsspannung
U2 über
dem konstanten Widerstand R20 des zweiten Spannungsteilers. Die
Signalisierungsspannungen U1 und U2 sind im Wesentlichen von den
variablen Widerständen
der beiden Spannungsteiler und somit den Stellungen der Schalter
S1 bis S4 abhängig.
Sie enthalten beide jeweils die voll ständige Information über den
Schaltzustand der beiden Schaltmittel Unlock-Taste und P-Taste.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Schaltungsanordnung in ein Steuergerät und eine Schaltereinheit
unterteilt. Dabei umfaßt
das Steuergerät
die konstanten Widerstände
R10 und R20, die Schaltereinheit die variablen Widerstände aus
den Widerständen
R11 bis R14 bzw. R21 bis R24. Die Unterteilung ist in 1 durch
eine gestrichelte Linie angedeutet. Bevorzugt handelt es sich bei
dem Steuergerät
um einen Bestandteil der Bordelektronik des Kraftfahrzeugs. In einer
alternativen Ausgestaltungsform bildet das Steuergerät eine eigenständige Einheit,
die in elektronischem Kontakt mit der Bordelektronik steht.
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Die
Schnittstelle zwischen Steuergerät
und Schaltereinheit bilden vier Leitungen L1 bis L4. Die Leitung L3
ist mit der Fahrzeugmasse verbunden, die Leitung L1 führt die
Versorgungsspannung U0. Die Leitung L2 führt die durch den ersten Spannungsteiler
eingestellte Signalisierungsspannung U1, die Leitung L4 die durch den
zweiten Spannungsteiler eingestellte Signalisierungsspannung U2,
jeweils gegenüber
Masse. Ist eine der vier Leitungen L1 bis L4 gestört oder
unterbrochen, so ist der zugehörige
Spannungsteiler außer
Betrieb. Der Schaltzustand der beiden Schaltmittel wird jedoch weiterhin
mit Hilfe des anderen Spannungsteilers signalisiert. Ist zum Beispiel
die Leitung L3 unterbrochen, so fehlt dem ersten Spannungsteiler
die Verbindung zur Fahrzeugmasse und die Signalisierungsspannung
U1 entspricht im Wesentlichen der Versorgungsspannung U0. Der zweite
Spannungsteiler ist jedoch noch sowohl mit der Versorgungsspannung
U0 als auch mit Masse verbunden, weshalb seine Funktionalität erhalten
bleibt. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ist also in der Lage, den Schaltzustand trotz einer Leitungsstörung zu
signalisieren.
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Die
Funktion der Schaltungsanordnung und die Erkennung von Fehlern soll
anhand eines Zahlenbeispiels detaillierter betrachtet werden. Dabei
ist die Versorgungsspannung U0 = 5 Volt. Für die konstanten Widerstände gilt
R10 = R20 = 1 kΩ.
Für die
anderen Widerstände
gilt R11 = R21 = 10 kΩ,
R12 = R22 = 732 Ω, R13
= R23 = 6,8 kΩ und
R14 = R24 = 1,8 kΩ.
Die Spannungen U1 bzw. U2 sind im störungsfreien Normalbetrieb,
bei Unterbrechung des Schalters S1 beziehungsweise S3 und bei Unterbrechung
des Schalters S2 beziehungsweise S4 für die vier Schaltzustände der
beiden Schaltmittel in den Tabellen 1 und 2 angegeben.
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In
Ruhestellung der Schaltmittel und damit der Schalter S1 bis S4 bestehen
die variablen Widerstände der
Spannungsteiler aus der Parallelschaltung eines 10 kΩ-Widerstandes und
eines 6,8 kΩ-Widerstandes.
Es resultiert ein Spannungsteiler aus dem konstanten Widerstand
R10 = 1 kΩ und
dem variablen Widerstand mit einem momentanen Betrag von 4,05 kΩ. Daraus
ergibt sich eine Spannung U1 = 4,01 Volt und eine Spannung U2 =
0,99 Volt. Ist die P-Taste betätigt,
so besteht der variable Widerstand aus einer Parallelschaltung eines 10
kΩ-Widerstandes
mit einem 1,8 kΩ-Widerstand. Dies
führt zu
den Spannungen U1 = 3,02 Volt und U2 = 1,98 Volt.
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Liegt
in Ruhestellung eine Unterbrechung des Schalters S1 vor, durch den
der zugehörige
Schaltungszweig mit R11 und R12 hochohmig wird, so besteht der variable
Widerstand des ersten Spannungsteilers nur noch aus einem 6,8 kΩ-Widerstand.
Dies führt
zu einer Signalisierungsspannung U1 = 4,35 Volt, während der zweite
Spannungsteiler weiterhin eine Spannung U2 = 0,99 Volt erzeugt.
Anhand dieser Diskrepanz kann die Bordelektronik feststellen, dass
ein Defekt im Schalter S1 vorliegt.
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In
einem zweiten Fehlerfall ist der Stößel des Schalters S1 gebrochen,
der Schalter S1 stellt also unabhängig von dem Schaltzustand
der Unlock-Taste stets Kontakt mit dem 10 kΩ-Widerstand R11 her. Wird aus der
Ruhestellung die Unlock-Taste betätigt, so verharrt die Spannung
U1 auf 4,01 Volt, während
die Spannung U2 auf 3,01 Volt ansteigt. Aus der Spannung U2 erkennt
die Bordelektronik, dass die Unlock-Taste betätigt wurde. Da die Spannung
U1 nicht gleichzeitig auf den zu erwartenden Wert von 1,99 Volt
abfällt,
kann die Bordelektronik erkennen, dass der Schalter S1 trotz Betätigung der
Unlock-Taste nicht umschaltet.
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In
einem dritten Fehlerfall klemmt der Stößel des Schalters S1, so dass
der Schalter S1 unabhängig vom
Schaltzustand der Unlock-Taste stets Kontakt mit dem 732 Ω-Widerstand R12 herstellt.
Wird die Unlock-Taste losgelassen, so springt die Spannung U2 von
3,01 Volt auf 0,99 Volt, während
die Spannung U1 bei 1,99 Volt verharrt. Aus dem Wechsel der Spannung
U2 erkennt die Bordelektronik, dass die Unlock-Taste losgelassen
wurde. Da die Spannung U1 nicht wie erwartet von 1,99 Volt auf 4,01
Volt ansteigt, erkennt die Bordelektronik ebenfalls, dass der Stößel des
Schalters S1 klemmt.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist es demnach möglich,
den Schaltzustand der beiden Schaltmittel trotz einer Störung zuverlässig zu
signalisieren. Weiterhin kann die Art des Fehlers festgestellt und
beispielsweise auf einem Display des Kraftfahrzeuges angezeigt werden.
Dies gilt auch für
einen Kurzschlußfall,
indem eine der Spannungen U1 oder U2 mit der Fahrzeugmasse oder
der Versorgungsspannung kurzgeschlossen ist. Die fehlerhafte Signalisierungsspannung nimmt
einen Wert von 0 Volt bzw. U0 an, während der Schaltzustand der
Schaltmittel aus der anderen Signalisierungsspannung gewonnen werden kann.
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Im
vorliegenden Beispiel handelt es sich bei den Schaltern S1 und S3
beziehungsweise S2 und S4 um unabhängige Schalter, die mittels
einer gemeinsamen Tastenkappe bedient werden. Es könnte sich
jedoch auch um Zweifach-Umschalter handeln, beispielsweise um einen
Schalter mit zwei separaten Stößeln. Bei
jedem der Schalter S1 bis S4 kann es sich um einen Taster handeln,
der nur für
die Dauer der Betätigung
des zugehörigen
Schaltmittels die Ruhestellung verläßt, oder um einen Schalter,
der bis zur nächsten
Betätigung des
Schaltmittels in der aktuellen Position verharrt.
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Die
im Ausführungsbeispiel
realisierte Parallelschaltung der schaltbaren Widerstände zu den
variablen Widerständen
der Spannungsteiler sowie die Größen der
Widerstände
sind rein exemplarisch. Prinzipiell ist jede beliebige Anordnung
möglich,
die einen eindeutigen variablen Widerstand in Abhängigkeit
des Schaltzustandes der Schaltmittel erzeugt. Dabei können die
variablen Widerstände
auch unterschiedlich aufgebaut sein.
