DE102017218336A1

DE102017218336A1 - Schaltungsanordnung mit einem Mikroprozessor und einem Spannungserzeugungs-Schaltkreis

Info

Publication number: DE102017218336A1
Application number: DE102017218336.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wunderlich; Alfons Fisch; Bernhard Bieg
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2019-04-18
Also published as: US20210011081A1; WO2019072593A1; KR20200067870A; KR102377205B1; CN111247729B; CN111247729A; US11067626B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Mikrocontroller (MC'), der einen ersten Analog-Digital-Wandler (ADC1), dessen Eingang mit dem Ausgang eines ersten Multiplexers (MUX1) mit n Eingängen und dessen Ausgang mit einer ersten Vergleichseinrichtung (VE1) zum Vergleichen von Referenzspannungen verbunden ist, und eine erste serielle Schnittstellenschaltung (SPI1), die mit der ersten Vergleichseinrichtung (VE1) verbunden ist, aufweist. Sie ist außerdem mit einem Spannungserzeugungs-Schaltkreis (SES') gebildet, der einen zweiten Analog-Digital-Wandler (ADC2), dessen Eingang mit dem Ausgang eines zweiten Multiplexers (MUX2) mit k Eingängen und dessen Ausgang mit einer Anzahl k von Registern (REG1 bis REGk) verbunden ist, die mit einem Sicherungswertgenerator (SWG) verbunden und ausgebildet sind, digitale Werte zusammen mit einem jeweiligen Sicherungswert zu speichern, und eine zweite serielle Schnittstellenschaltung (SPI2), die mit den k Registern (REG1 bis REGk) verbunden ist, aufweist. Die erste und die zweite serielle Schnittstellenschaltung (SPI1, SPI2) sind zur Kommunikation des Mikrocontrollers (MC') mit dem Spannungserzeugungs-Schaltkreis (SES') miteinander verbunden, wobei die erste Schnittstellenschaltung (SPI1) mit einer zweiten Vergleichseinrichtung (VS2) zum Vergleichen von Versorgungsspannungen (V_in, V_out1 bis V_outx) und/oder Versorgungsströmen (Iin, I_out1 bis I_outx) mit Sollspannungen (U_soll_i) und/oder Sollströmen (I_soll_i) verbunden ist.

Description

Steuergeräte zur Steuerung verschiedenster Funktionen in einem Kraftfahrzeug wie beispielsweise Motorsteuergeräte, Getriebesteuergeräte oder Airbagsteuergeräte weisen eine Vielzahl von elektrischen und elektronischen Komponenten auf, von denen eine wesentliche Komponente ein Mikrocontroller ist, der unter anderem Sensorsignale verarbeitet, um Steuersignale für Aktoren bereitstellen zu können.
Da viele Sensorsignale in analoger Form vorliegen, weisen die in solchen Steuergeräten verwendeten Mikrocontroller Analog-Digital-Wandler auf, um die Sensorsignale zur weiteren Verarbeitung in digitaler Form vorliegen zu haben. Um eine größere Anzahl analoger Eingangssignale in digitale Werte wandeln zu können, ohne dass eine entsprechende Anzahl an Analog-Digital-Wandlern nötig wäre, ist einem Analog-Digital-Wandler zumeist ein Multiplexer vorgeschaltet, an dessen Eingänge die analogen Signale angelegt werden.
Um den Mikrocontroller und andere elektronische Komponenten wie beispielsweise ASICs mit entsprechenden Spannungen versorgen zu können, wobei bei heutigen integrierten Schaltkreisen häufig mehrere Versorgungspannungen im Bereich von etwa 1,3 Volt bis 5 Volt erforderlich sind, weisen die genannten Steuergeräte einen Spannungserzeugungs-Schaltkreis auf, der aus einer von einem Gleichspannungswandler aus der Fahrzeugbatterie erzeugten Gleichspannung die erforderlichen Versorgungspannungen erzeugt und geregelt an entsprechenden Ausgängen zur Verfügung stellt.
Die 1 zeigt eine Kombination eines solchen Mikrocontrollers MC und eines solchen Spannungserzeugungs-Schaltkreises SES, wie sie in Motorsteuergeräten der Anmelderin realisiert ist. Um den Analog-Digital-Wandler ADW1 des Mikrocontrollers MC auf seine korrekte Funktion überprüfen zu können, weist der Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES ebenfalls einen Analog-Digital-Wandler ADW2 auf. Beiden Analog-Digital-Wandlern ADW1, ADW2 - dem des Spannungserzeugungs-Schaltkreises SES direkt und dem des Mikrocontrollers MC über den diesem zugeordneten Multiplexer MUX1 - wird ein Gleichspannungssignal V_Ref an deren Eingängen zugeführt und die digitalen Wandlungsergebnisse werden im Mikrocontroller MC mittels einer ersten Vergleichseinrichtung VE1 miteinander verglichen. Das Vergleichsergebnis zeigt an, ob die beiden Analog-Digital-Wandler ADW1, ADW2 das gleiche Ergebnis liefern und damit ordnungsgemäß funktionieren oder nicht. Das Wandlungsergebnis des Analog-Digital-Wandlers ADW2 des Spannungserzeugungs-Schaltkreises SES wird über in beiden Bausteinen vorhandene SPI-Schnittstellen SPI1, SPI2 an den Mikrocontroller MC übertragen.
Der Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES stellt in der in der 1 dargestellten Ausführung Ausgangsspannungen V_outl, V_out2 bis V_outx zur Verfügung, die zu entsprechenden Strömen I_out1 bis I_outx führen. Am Eingang des Spannungsversorgungs-Schaltkreises SES liegt eine Eingangsspannung V_in an, die beispielsweise von einem Schaltregler aus der Batteriespannung der Kraftfahrzeugbatterie gewonnen werden kann.
Es gibt Anforderungen, diese Spannungen auf die Einhaltung eines bestimmten Spannungswertes zu überprüfen. Wenn dies im Mikrocontroller erfolgen soll, müssen die zu überprüfenden Spannungen und Ströme dem Analog-Digital-Wandler ADW1 des Mikrocontrollers MC zugeführt werden, was, wie in der 1 angedeutet ist, über den Multiplexer MUX1 erfolgen muss, wodurch allerdings eine große Anzahl an Eingängen dieses Multiplexers MUX1 belegt ist und diese Eingänge dann nicht mehr für andere analoge Signale zur Verfügung stehen. Außerdem müssen diese Spannungen und Ströme über geeignete Filterschaltungen den Multiplexereingängen zugeführt werden, was einen entsprechenden Schaltungsaufwand erfordert.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden.
Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach weist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen Mikrocontroller und einen Spannungserzeugungs-Schaltkreis auf, wobei der Mikrocontroller einen ersten Analog-Digital-Wandler, dessen Eingang mit dem Ausgang eines ersten Multiplexers mit n Eingängen und dessen Ausgang mit einer ersten Vergleichseinrichtung zum Vergleichen von Referenzspannungen verbunden ist, und eine erste serielle Schnittstellenschaltung, die mit der ersten Vergleichseinrichtung verbunden ist, aufweist und wobei der Spannungserzeugungs-Schaltkreis einen zweiten Analog-Digital-Wandler, dessen Eingang mit dem Ausgang eines zweiten Multiplexers mit k Eingängen und dessen Ausgang mit einer Anzahl k von Registern verbunden ist, die mit einem Sicherungswertgenerator verbunden und ausgebildet sind, digitale Werte zusammen mit einem jeweiligen Sicherungswert zu speichern, und eine zweite serielle Schnittstellenschaltung, die mit den k Registern verbunden ist, aufweist. Die erste und die zweite serielle Schnittstellenschaltung sind dabei zur Kommunikation des Mikrocontrollers mit dem Spannungserzeugungs-Schaltkreis miteinander verbunden, wobei die erste Schnittstellenschaltung mit einer zweiten Vergleichseinrichtung zum Vergleichen von Versorgungsspannungen und/oder Versorgungsströmen mit Sollspannungen und/oder Sollströmen verbunden ist.
Es können also vom zweiten Analog-Digital-Wandler gewandelte digitale Daten in einem der k Register gespeichert und mit einem Sicherungswert des Sicherungswertgenerators im Spannungserzeugungs-Schaltkreis versehen werden. Anschließend können sie über die serielle Schnittstelle an den Mikrocontroller übertragen und dort mit Sollwerten oder Sollwertbereichen verglichen werden. Dadurch werden analoge Eingangspins am Mikrocontroller frei für andere analoge Signale. Durch den Sicherungswert, der in einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein einfacher Zeitstempel oder Botschaftszählerwert sein kann aber auch ein Wert für eine zyklische Redundanzprüfung (CRC cyclic redundancy check), kann einerseits überprüft werden, ob aktuelle gewandelte Werte vorliegen und verglichen werden, es können andererseits aber auch sicherheitsrelevante Werte auf diese Weise gewandelt und verglichen werden.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Schaltungsanordnung ist der Spannungserzeugungs-Schaltkreis als integrierter Schaltkreis ausgebildet und Ausgangsanschlüsse zur Bereitstellung von Versorgungsspannungen sind innerhalb des integrierten Schaltkreises mit Eingängen des zweiten Multiplexers verbunden.
Statt die zu überprüfenden, vom Spannungserzeugungs-Schaltkreis generierten Versorgungsspannungen an die analogen Eingänge des Mikrocontrollers anzulegen, wodurch diese für andere Aufgaben blockiert wären, werden diese Versorgungsspannungen und ggf. aufgrund dieser fließende Ströme in erfindungsgemäßer Weise innerhalb des als ASIC ausgebildeten Spannungserzeugungs-Schaltkreises direkt an die Eingänge des zweiten Multiplexers gelegt, wodurch Anschlusspins am integrierten Schaltkreis oder am Mikrocontroller eingespart werden können. Eine Überprüfung findet trotzdem im Mikrocontroller statt, indem die digitalen Daten seriell zu diesem übermittelt und dort mit Sollwerten verglichen werden. In vorteilhafter Weise können diese digitalen Daten durch den Sicherungswert gesichert werden, so dass diese Vorgehensweise auch bei sicherheitsrelevanten Daten angewandt werden kann.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher beschrieben werden. Dabei zeigen

1 eine Schaltungsanordnung mit einem Mikrocontroller und einem Spannungserzeugungs-Schaltkreis nach dem Stand der Technik, und
2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.

Die Schaltungsanordnung im Ausführungsbeispiel nach 2 weist in gleicher Weise wie die bekannte Schaltungsanordnung einen Mikrocontroller MC' auf, der einen ersten Analog-Digital-Wandler ADW1 enthält, dessen Eingang oder einer von ggf. mehreren Eingängen mit dem Ausgang eines ersten Multiplexers MUX1 verbunden ist. Die Eingänge des ersten Multiplexers MUX1 sind mit Eingangsanschlüssen des Mikrocontrollers MC' verbunden und können mit beliebigen analogen Signalen - beispielsweise Sensorsignalen - beaufschlagt werden.
Der erste Analog-Digital-Wandler ADW1 ist mit einer Bandgap-Referenzspannungsquelle BG1 verbunden. Sein Ausgang ist mit einem ersten Eingang einer ersten Vergleichseinrichtung VE1 verbunden, deren zweiter Eingang mit einer ersten seriellen Schnittstelle SPI1 verbunden ist. Statt einer SPI-Schnittstelle kann auch jede andere serielle Schnittstelle verwendet werden. Am Ausgang der ersten Vergleichseinrichtung VE1 wird ein Signal bereitgestellt, das das Vergleichsergebnis repräsentiert.
Der Mikrocontroller MC' weist eine zweite Vergleichseinrichtung VE2 auf, deren einer Eingang ebenfalls mit der ersten seriellen Schnittstelle SPI1 verbunden ist. Weitere Eingänge sind mit Sollwerten für zu überprüfende Spannungs- und/oder Stromwerte U_soll_i, I_soll_i vorgesehen. Die Vergleichseinrichtungen VE1, VE2 können im Mikrocontroller MC' als Programme realisiert oder festverdrahtet sein.
Die Schaltungsanordnung im Ausführungsbeispiel nach 2 weist außerdem einen Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES' auf, der als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist und eine zweite serielle Schnittstellt SPI2 aufweist, die mit der ersten seriellen Schnittstelle SPI1 des Mikrocontrollers MC' verbunden ist. Diese serielle Verbindung dient zur Kommunikation zwischen dem Mikrocontroller MC' und dem Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES', welche auch eine Datenübermittlung umfasst.
Der Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES' weist einen zweiten Analog-Digital-Wandler ADW2 auf, der mit einer zweiten Bandgap-Referenzspannung BG2 verbunden ist. Sein Eingangsanschluss ist mit dem Ausgang eines zweiten Multiplexers MUX2 verbunden, der eine Anzahl k Eingangsanschlüsse aufweist. Der Ausgang des zweiten Analog-Digital-Wandlers ADW2 ist mit einer Anzahl k von Registern REG1 bis REGk verbunden, die mit der zweiten seriellen Schnittstelle SPI2 und mit einem Sicherheitswertgenerator SWG verbunden sind.
Der Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES' hat zumindest einen Eingangsanschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung V_in, aus der Ausgangsspannungen V_outl, V_out2 bis V_out_x generiert und als geregelte Spannungen an Ausgangsanschlüssen für andere Schaltungen, beispielsweise für den Mikrocontroller MC', bereitgestellt werden.
Ein weiterer Eingangsanschluss ist mit einem der Eingangsanschlüsse des zweiten Multiplexers MUX2 verbunden. An diesen und an einen Eingangsanschluss des ersten Multiplexers MUX1 des Mikrocontrollers MC' kann eine Spannung DC angelegt werden. Sie wird sowohl im Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES' als auch im Mikrocontroller MC' analog-digital gewandelt und der im Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES' gewandelte Wert mittels der SPI-Kommunikations-Schnittstelle SPI1, SPI2 vom Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES' zum Mikrocontroller MC' übertragen, wo die beiden gewandelten Werte in der ersten Vergleichseinrichtung VE1 miteinander verglichen werden. Am Ausgang der ersten Vergleichseinrichtung VE1 wird angezeigt, ob die Werte übereinstimmen und folglich die Analog-Digital-Wandler ADW1, ADW2 korrekt funktionieren.
In erfindungsgemäßer Weise sind die im Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES' erzeugten Ausgangsspannungen V_outl, V_out2 bis V_out_x und ggf. die durch sie generierten Ströme I_out1, I_out2 bis I_out_x, sowie die Eingangsspannung V_in und der Eingangsstrom I_in innerhalb des Spannungserzeugungs-Schaltkreis SES' direkt an die Eingänge des zweiten Multiplexers MUX2 gelegt und werden nach der analog-digital Wandlung in jeweilige Register REG1 bis REGk ggf. zusammen mit einem Sicherungswert gespeichert. Sie können von dort über die serielle Kommunikationsschnittstelle SPI1, SPI2 an den Mikrocontroller MC' übertragen werden, wo sie in der zweiten Vergleichseinrichtung VE2 mit Spannungs- und Stromsollwerten U_soll_i, I_soll_i mit i=l bis k verglichen werden. Damit kann überprüft werden, ob die Ausgangsspannungen und Ausgangsströme V_outl, V_out2 bis V_out_, I_out1, I_out2 bis I_out_x und die Eingangsspannung U_in und der Eingangsstrom I_in und ggf. weitere Werte wie beispielsweise die Temperatur Temp in einem vorgegebenen Bereich liegen.
Die Sicherungswerte können einfache Zeitstempel oder Werte eines Botschaftszählers sein, um überprüfen zu können, ob die übertragenen digitalen Werte aktuelle Werte sind, es können aber für sicherheitskritische Werte auch z.B. Ergebnisse einer zyklischen Redundanzprüfung (CRC) sein.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bietet eine hohe Flexibilität, da der zweite Multiplexer zahlreiche analoge Parameter extern zum Mikrocontroller MC' wandeln kann. Der Vorteil liegt in der Einsparung mehrerer Mikrocontroller-Analogeingangspins und deren Eingangsbeschaltung zur Signalkonditionierung wie z.B. Spannungsteiler und eine Filterstruktur. Des Weiteren ergeben sich Vorteile im Layout und verbesserte Signalintegrität. Durch die Integration der Funktionen im Spannungserzeugungs-Schaltkreis sind geringere Toleranzen z.B. bei der Spannungs-/Strommessung möglich.

Claims

Schaltungsanordnung mit einem Mikrocontroller (MC'), der aufweist: einen ersten Analog-Digital-Wandler (ADC1), dessen Eingang mit dem Ausgang eines ersten Multiplexers (MUX1) mit n Eingängen und dessen Ausgang mit einer ersten Vergleichseinrichtung (VE1) zum Vergleichen von Referenzspannungen verbunden ist, und eine erste serielle Schnittstellenschaltung (SPI1), die mit der ersten Vergleichseinrichtung (VE1) verbunden ist, und mit einem Spannungserzeugungs-Schaltkreis (SES'), der aufweist: einen zweiten Analog-Digital-Wandler (ADC2), dessen Eingang mit dem Ausgang eines zweiten Multiplexers (MUX2) mit k Eingängen und dessen Ausgang mit einer Anzahl k von Registern (REG1 bis REGk) verbunden ist, die mit einem Sicherungswertgenerator (SWG) verbunden und ausgebildet sind, digitale Werte zusammen mit einem jeweiligen Sicherungswert zu speichern, und eine zweite serielle Schnittstellenschaltung (SPI2), die mit den k Registern (REG1 bis REGk) verbunden ist, wobei die erste und die zweite serielle Schnittstellenschaltung (SPI1, SPI2) zur Kommunikation des Mikrocontrollers (MC') mit dem Spannungserzeugungs-Schaltkreis (SES') miteinander verbunden sind und wobei die erste Schnittstellenschaltung (SPI1) mit einer zweiten Vergleichseinrichtung (VS2) zum Vergleichen von Versorgungsspannungen (V_in, V_out1 bis V_outx) und/oder Versorgungsströmen (Iin, I_out1 bis I_outx) mit Sollspannungen (U_soll_i) und/oder Sollströmen (I_soll_i) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei dem der Spannungserzeugungs-Schaltkreis (SES') als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist und Ausgangsanschlüsse zur Bereitstellung von Versorgungsspannungen (V_in, V_out1 bis V_outx) innerhalb des integrierten Schaltkreises mit Eingängen des zweiten Multiplexers (MUX2) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Sicherungswertgenerator (SWG) eingerichtet ist, einen Zeitstempel zu erzeugen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Sicherungswertgenerator (SWG) einen Botschaftszähler aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Sicherungswertgenerator (SWG) ausgebildet ist, Werte einer zyklischen Redundanzprüfung zu zeugen.