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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Steuergerät und ein Verfahren zu seinem Betrieb. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Steuergeräteverbund, der mehrere identische erfindungsgemäße Steuergeräte aufweist.
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Stand der Technik
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Hersteller von Steuergeräten für die Bahnindustrie sind mit der Herausforderung konfrontiert, dass die Aufgaben, für welche solche Steuergeräte eingesetzt werden sollen, sehr vielseitig sind. So werden sie beispielsweise für die Traktionssteuerung, zur Klimatisierung, zur Steuerung von Türen, Pantographen und Nasszellen sowie von Fahrgastinformationssystemen eingesetzt. Gleichzeitig sind die Stückzahlen, in denen solche Steuergeräte produziert werden, sehr gering. Des Weiteren sind sie jeweils für den Einsatz unter sehr spezifischen Umweltbedingungen, insbesondere bezüglich ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) optimiert, was noch kleinere Stückzahlen bedingt.
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In der Regel werden modulare Systeme als Steuergeräte eingesetzt, die aus einem Hauptrechner und je nach Anzahl und Art der angeschlossenen Sensoren und Aktuatoren aus unterschiedlichen Baugruppen bestehen. Die Baugruppen unterscheiden sich dabei vor allem durch ihre Ein- und Ausgänge, welche an den jeweiligen Verwendungszweck des modularen Systems angepasst sein müssen. Für jede Baugruppe muss eine Typzulassung bei den zuständigen Behörden, in der Bundesrepublik Deutschland beispielsweise dem Eisenbahnbundesamt, erwirkt werden. Zudem muss jede dieser Baugruppen als Ersatzteil mehr als 40 Jahre lang bevorratet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät weist mindestens einen Eingangsblock mit mindestens einem Widerstand auf. Der Widerstand ist ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Spannungsteilerwiderstand, einem Pull-Down-Widerstand und einem Pull-Up-Widerstand. Der mindestens eine Widerstand ist elektrisch mit einem Analog-Digital-Wandler und mit einem Eingang des Steuergeräts verbunden. Die elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Widerstand und dem Analog-Digital-Wandler ist eingerichtet, um mittels einer Ansteuerung unterbrechbar zu sein. Während ein Eingang eines herkömmlichen elektronischen Steuergeräts immer nur für eine einzige Eingangsfunktion nutzbar ist und hierzu fest mit dem dafür notwendigen Widerständen beschaltet ist, ermöglicht es die Unterbrechbarkeit der elektrischen Verbindung zwischen dem mindestens einen Widerstand und dem Analog-Digital-Wandler des erfindungsgemäßen elektronischen Steuergeräts je nach Anzahl der vorgesehenen unterbrechbaren Widerstände einen einzigen physikalischen Eingang durch geeignete Ansteuerung für unterschiedliche Anwendungen zu verwenden. Dadurch können alle Regelungs- und Steuerungsaufgaben, die herkömmlicherweise durch mehrere verschiedene Typen von Steuergeräten übernommen werden, insbesondere bei einem Einsatz in der Bahnindustrie, erfindungsgemäß durch ein und dasselbe Steuergerät realisiert werden.
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Um die Unterbrechbarkeit der elektrischen Verbindung zwischen dem mindestens einen Widerstand und dem Analog-Digital-Wandler zu gewährleisten, ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der mindestens eine Widerstand ein Festwiderstand ist, der mit einem Schalter verbunden ist. Der Schalter ist insbesondere als Transistor ausgeführt. Die Unterbrechung kann in dieser Ausführungsform durch Ansteuerung des Schalters erfolgen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Widerstand ein steuerbarer Widerstand. Die elektrische Verbindung des steuerbaren Widerstandes mit dem Analog-Digital-Wandler kann durch direkte Ansteuerung des steuerbaren Widerstandes unterbrochen werden.
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Um eine Kalibrierung des erfindungsgemäßen elektronischen Steuergeräts zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Eingang des Steuergeräts und dem Analog-Digital-Wandler eingerichtet ist, um mittels einer Ansteuerung unterbrechbar zu sein. Hierzu ist in dieser elektrischen Verbindung vorzugsweise ein Schalter, insbesondere ein Transistor angeordnet. Dies ermöglicht ein Ausmessen oder Abstimmen des Eingangs.
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Das elektronische Steuergerät weist weiterhin vorzugsweise ein CPLD (Complex Programmable Logic Device) auf, das eingerichtet ist, um die Ansteuerung vorzunehmen. Durch die Programmierbarkeit des CPLD ist es möglich, eine Softwarekonfiguration der Eingänge des erfindungsgemäßen elektronischen Steuergeräts vorzunehmen.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen elektronischen Steuergeräts, wird durch Vornehmen der Ansteuerung der Eingang des Steuergeräts an eine Anwendung angepasst. Die Anwendung kann dabei durch einen Einsatzbereich des Steuergeräts bestimmt werden. Es ist bevorzugt, dass durch das Vornehmen einer Ansteuerung weiterhin mindestens ein Ausgang des Steuergeräts an eine Anwendung angepasst wird. Das elektronische Steuergerät weist hierzu vorzugsweise mindestens einen Ausgangsblock auf, der mindestens einen Ausgang aufweist, wobei der Ausgang mit zwei in Reihe geschalteten Transistoren verbunden ist. Die Transistoren fungieren in dem Fachmann bekannter Weise als High-Side-Schalter und als Low-Lide-Schalter. Diese bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es, nicht nur eine Varianz der Einsatzmöglichkeiten der Eingänge des Steuergeräts, sondern auch eine Varianz der Einsatzmöglichkeiten seiner Ausgänge zu erreichen.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, insbesondere wenn es auf einem CPLD abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem erfindungsgemäßen Steuergerät. Hierzu kann es auf dem erfindungsgemäßen maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden.
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Ein erfindungsgemäßes elektronisches Steuergerät, welches ein CPLD aufweist, ist bevorzugt eingerichtet, um eine Ansteuerung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzunehmen.
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Der erfindungsgemäße Steuergeräteverbund weist mehrere identische erfindungsgemäße Steuergeräte auf. Da er aus identischen Bauteilen besteht, ist dieser Steuergeräteverbund einfach herstellbar. Durch die Kombination mehrerer Steuergeräte kann er auch komplexe Aufgabe realisieren.
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Es ist bevorzugt, dass der erfindungsgemäße Steuergeräteverbund ein erstes erfindungsgemäßes Steuergerät und ein zweites erfindungsgemäßes Steuergerät aufweist, die eingerichtet sind, um sich gegenseitig zu überwachen. Hierdurch ist es leicht möglich, redundante Strukturen zu schaffen, wodurch auch sicherheitskritische Anwendungen mit hohen SIL-Anforderungen (Sicherheitsintegritätslevel gemäß der Norm IEC 61508) einfach möglich sind. Besonders bevorzugt weist der Steuergeräteverbund ein drittes erfindungsgemäßes Steuergerät auf, das eingerichtet ist, um als Backup des ersten Steuergeräts oder des zweiten Steuergeräts zu fungieren. Aufgrund der Baugleichheit aller Steuergeräte in dem Steuergeräteverbund kann das dritte Steuergerät problemlos alle Funktionen eines der anderen Steuergeräte übernehmen.
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Alle Steuergeräte des Steuergeräteverbunds sind untereinander vorzugsweise mittels Ethernetverbindungen und/oder CAN-Bussen verbunden. Dies ermöglicht einen schnellen Datenaustausch zwischen den Steuergeräten.
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Auch wenn das erfindungsgemäße Steuergerät durch die Notwendigkeit zusätzlicher Bauteile und durch eine für eine konkrete Anwendung unter Umständen unnötige oder unnötig hochwertige Bestückung höhere Herstellungskosten verursacht als ein herkömmliches Steuergerät, werden diese doch durch Einsparungen, die sich aus der verringerten Varianz der Komponenten ergeben, mehr als ausgeglichen. Im Fall der Verwendung in der Bahnindustrie muss ein Bahnbetriebshof anstelle der heute benötigen Vielzahl verschiedener Steuergeräte nur noch einen einzigen Steuergerätetypus auf Lager halten, der verwendet werden kann, egal welches der Steuergeräte im Zug ausgetauscht werden muss. Das spezifische Computerprogramm, welches notwendig ist, um die Ein- und Ausgänge des Steuergeräts an dessen konkrete Anwendung anzupassen, kann gegebenenfalls kurzfristig aus einer Cloud heruntergeladen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuergeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt ein Blockschaltbild eines Eingangsblocks des elektronischen Steuergeräts gemäß 1.
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3 zeigt schematisch einen Steuergeräteverbund gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4 zeigt schematisch Verwendungsmöglichkeiten erfindungsgemäßer elektronischer Steuergeräte in einem Bahnwagon.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Ein elektronisches Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist zwei Leiterplatten auf, die schematisch in 1 dargestellt sind. Die erste Leiterplatte besteht aus einem ersten isolierten Bereich 100 und einem fahrzeugversorgten Bereich 200, und die zweite Leiterplatte besteht ausschließlich aus einem zweiten isolierten Bereich 300. In dem ersten isolierten Bereich 100 ist ein Mikrocontroller 101 angeordnet, der über eine erste Energieversorgung 102 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die erste Energieversorgung 102 ist über eine DC/DC-Schnittstelle 103 mit dem fahrzeugversorgten Bereich 200 der ersten Leiterplatte verbunden. Über diesen wird sie von einer zweiten Energieversorgung 201, die mit einer Fahrzeugspannungsquelle 202 verbunden ist, versorgt. Zur Kommunikation mit anderen Steuergeräten ist der Mikrocontroller 101 über eine Ethernetschnittstelle 104 mit zwei Ethernetanschlüssen 203, 204 auf dem fahrzeugversorgten Bereich 200 der Leiterplatte verbunden. Weiterhin ist der Mikrocontroller 101 über eine CAN-Schnittstelle 105 mit drei CAN-Anschlüssen 205, 206, 207 auf dem fahrzeugversorgten Bereich 200 der ersten Leiterplatte verbunden. Eine weitere Schnittstelle 106 verbindet den Mikrocontroller 101 direkt mit einem digitalen Signalanschluss 208 auf dem fahrzeugversorgten Bereich 200 sowie zur differentiellen seriellen Datenübertragung mit einer RS422-Schnittstelle 209 mittels einer physikalischen Schicht 210. Eine erste digitale Leiterplattenschnittstelle 107 verbindet den Mikrocontroller 101 mit der zweiten Leiterplatte. Sie wird von der ersten Energieversorgung 102 mit elektrischer Energie versorgt. Der Mikrocontroller 101 ist unmittelbar mit digitalen Abgabeblöcken 110, 120 des ersten isolierten Bereichs 100 verbunden. Hierzu ist er an den Schnittstellen 108, 109 der digitalen Ausgangsblöcke 110, 120 angeschlossen. Jeder digitale Ausgangsblock 110, 120 weist eine Ausgangssteuerung 111, 121, eine Ausgangsstufe 112, 122 sowie einen Diagnoseblock 113, 123 auf. Weiterhin weist jeder digitale Ausgangsblock 110, 120 jeweils acht Ausgänge 114, 124 auf. Der zweite isolierte Bereich 300 ist über eine zweite Leiterplattenschnittstelle 301 mit der ersten Leiterplatte verbunden. Die zweite Leiterplattenschnittstelle 301 ist über Eingangsschnittstellen 302, 303, 304 sowie über eine Ausgangsschnittstelle 305 mit drei Eingangsblöcken 310, 320, 330 und einem analogen Ausgangsblock 340 verbunden. Jeder Eingangsblock weist eine Eingangssteuerung 311, 321, 331, einen ADC/Komparatorblock 312, 322, 332 sowie einen Diagnoseblock 313, 323, 333 auf. Weiterhin weist jeder Eingangsblock 310, 320, 330 jeweils sechs Eingänge 314, 324, 334 auf. Der analoge Ausgangsblock verfügt über eine Ausgangssteuerung 341, einen Digital-Analog-Wandler 342 und über einen Diagnoseblocke 343. Er weist vier Ausgänge 344 auf. Einer der Eingangsblöcke 310 ist in 2 im Detail dargestellt. Seine Eingangsblockschnittstelle 302 besteht aus einer Datenschnittstelle 302a zum Datenaustausch mit dem Mikrocontroller 101 und einer DC/DC-Schnittstelle 302b zur Energieversorgung über die Versorgung 102. Die Kommunikation mit dem Mikrocontroller 101 und mit der Versorgung 102 erfolgt dabei über die beiden Leiterplattenschnittstellen 107, 301. Die Eingangssteuerung besteht aus einem CPLD 311a und einem Programmschutz 311b. Der Analog-Digital-Wandler 312a und der Komparator 312b des ADC/Komparatorblocks 312 sind in 2 separat dargestellt. Der Diagnoseblock 313 ist in 2 nicht dargestellt. Die sechs Eingänge 314 sind mit AIN_1 bis AIN_6 bezeichnet, wobei nur die Beschaltung des ersten Eingangs AIN_1 dargestellt ist. Dieser Eingang AIN_1 ist mit dem Analog-Digital-Wandler 312a und mit dem Komparator 312b elektrisch verbunden. Der Analog-Digital-Wandler 312a ist weiterhin mit einer Referenzmasse REF verbunden. Zwischen der Verbindung des Eingangs AIN_1 mit dem Analog-Digital-Wandler 312a und der Verbindung der Referenzmasse REF mit dem Analog-Digital-Wandler 312a sind drei vorliegend als Festwiderstände ausgeführte Spannungsteilerwiderstände 3141a, 3142a, 3143a angeordnet. Diese Verbindung ist jeweils durch einen vorliegend als Transistor ausgeführten Schalter 3141b, 3142b, 3143b unterbrechbar ausgeführt. Zwischen den Spannungsteilerwiderständen 3141a, 3142a, 3143a und dem Eingang AIN_1 ist ein Längswiderstand 3144 angeordnet, der beispielsweise für eine Tiefpassfilterung genutzt werden kann. Zwischen dem Längswiderstand 3144 und dem Eingang AIN_1 stellt ein Pull-Down-Widerstand 3145a eine weitere Verbindung zu der elektrischen Verbindung zwischen Analog-Digital-Wandler 312a und Referenzmasse REF dar, der ebenfalls durch einen Schalter 3145b unterbrechbar ist. Zwischen dem Längswiderstand 3144 und dem Eingang AIN_1 erfolgt weiterhin eine elektrische Verbindung zu einem Pull-Up-Widerstand 3146a, die ebenfalls mittels eines Schalters 3146b unterbrechbar ist. Schließlich ist ein Eingangsschalter 3147 unmittelbar an dem Eingang AIN_1 angeordnet, um diesen von dem Eingangsblock 310 abtrennen zu können. Alle Schalter 3141b, 3142b, 3143b, 3145b, 3146b, 3147 sind über das CPLD 311a ansteuerbar.
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Ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass die Ansteuerungen durch das CPLD 311a so durchgeführt werden, dass der Eingang AIN_1 an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden kann.
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Hierzu können seine elektrischen Parameter als in den Spannungsbereichen 0 bis 5 V, 0 bis 10 V, 0 bis 21 V oder 0 bis 110 V und in den Strombereichen 0 bis 20 mA und 4 bis 20 mA variiert werden. Ein Computerprogramm zur Ansteuerung wird im CPLD 111a dabei von dem Mikrocontroller 101 zur Verfügung gestellt. Das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel sieht weiterhin vor, dass der Mikrocontroller 101 den Ausgangssteuerungen 111, 121, 341 der digitalen Ausgangsblöcke 110, 120 und des analogen Ausgangsblocks 340 Computerprogramme zur Ansteuerung der Ausgänge 114, 124, 344 zur Verfügung stellt. Dadurch können die Ausgänge 114, 124 der digitalen Ausgangsblöcke 110, 120 mittels High-Side-Schaltern und Low-Side-Schaltern umgeschaltet werden, und die Ausgänge 344 des analogen Ausgangsblocks 340 können zur Verwendung in den Spannungsbereichen 0 bis 5 V und in den Strombereichen 0 bis 20 mA oder 4 bis 20 mA variiert werden. Dies ermöglicht es alle Eingänge 314, 324, 334 und Ausgänge 114, 124, 344 des Steuergeräts je nach benötigter Anwendung zu konfigurieren.
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Drei Steuergeräte 400, 500, 600 eines Steuergeräteverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in 3 schematisch durch ihre Leiterplatten symbolisiert. Alle drei Steuergeräte 400, 500, 600 weisen eine identische Architektur auf, wie sie in den 1 und 2 dargestellt ist. Die ersten beiden Steuergeräte 400, 500 überwachen sich gegenseitig. Das Vorhandensein eines Steuergerätefehlers lässt sich so sehr zuverlässig detektieren. Das dritte Steuergerät 600 dient als Backup, so dass beispielsweise ein Zug, in welchem der Steuergeräteverbund verbaut ist, bei Ausfall eines der beiden ersten Steuergeräte 400, 500 ohne Einschränkung der Sicherheit seine Fahrt fortsetzen kann. Der Mikrocontroller 101 weist hierbei jeweils einen Multikernprozessor auf. Dadurch können Funktionen der Steuergeräte 400, 500, 600 jeweils in unterschiedlichen Hauptprozessorkernen 401, 402, 501, 502, 601, 602 durchgeführt werden. In 3 ist die Durchführung einer Funktion im ersten Hauptprozessorkern 401 des ersten Steuergeräts 400 und im zweiten Hauptprozessorkern 502 des zweiten Steuergeräts 500 dargestellt, wobei die Hauptprozessorkerne 501, 502 des zweiten Steuergeräts 500 gegenüber dem ersten Steuergerät 400 um 90° gedreht sind. Bei Ausfall eines der ersten beiden Steuergeräte 400, 500 kann die jeweilige Funktion sofort im ersten Hauptprozessorkern 601 bzw. im zweiten Hauptprozessorkern 602 des dritten Steuergeräts 600 weitergeführt werden. Die Steuergeräte 400, 500, 600 sind über die Ethernetschnittstellen 203, 204 und über die CAN-Schnittstellen 205, 206, 207 der Steuergeräte 400, 500, 600 miteinander verbunden.
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In einem Bahnwagon 700 bieten sich verschiedenste Anwendungsmöglichkeiten für erfindungsgemäße Steuergeräteverbünde, die untereinander mittels Ethernetleitungen 701, 702 oder CAN-Bussen 703, 704, 705 verbunden sein können. So können sie in der zentralen Zugsteuerung 706, in der Schlupfregelung BCU (Brake Control Unit) 707, der Steuerung 708 der Zugtüren, der Klimatisierungssteuerung 709, der Traktionskontrolle 710, dem Gateway 711 und der Steuerung 712 der Energieversorgung eingesetzt werden. Die erfindungsgemäßen Steuergeräteverbünde genügen dabei durch ihre Redundanz den hohen Sicherheitsanforderungen der Bahnindustrie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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