DE10350331B4 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ausgabe von Analogsignalen durch einen Mikroprozessor - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung zur Ausgabe von Analogsignalen durch einen Mikrocontroller,
mit einem Mikrocontroller, der mehrere Anschlüsse (P1-P10) aufweist, die wahlweise folgende drei Schaltzustände einnehmen können:
– hoher Spannungspegel (High)
– niedriger Spannungspegel (Low) und
– hochohmig,
wobei mehrere der Anschlüsse (P1-P10) über eine Tiefpaßschaltung aus einem Widerstand (R1-R10) und einem Kondensator (C2, C4) mit einem Steuergerät verbindbar sind und mindestens einer der Anschlüsse (R1) mit einem Analog/Digital-Wandler verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Mikrocontroller für jeden Anschluß eine Steuerschaltung (G1, G2, T1, T2) vorgesehen ist, die den jeweiligen Anschluß (P1-P10) wahlweise als analogen Signaleingang oder Signalausgang umschaltet,
daß jeder Anschluß (P1-P10) mit einer zwischen Masse und Betriebsspannung (VDD) liegenden Reihenschaltung aus zwei Dioden (D1, D2) verbunden ist und
daß alle Widerstände (R1-R8; R9-R10) gruppenweise parallel geschaltet und gruppenweise mit einem gemeinsamen Kondensator (C2, C4) der Tiefpaßschaltung verbunden sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ausgabe von Analogsignalen durch einen Mikroprozessor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Ausgabe von Analogsignalen durch einen Mikroprozessor, insbesondere zur Aufbereitung von Sensorsignalen.
• Die DE 199 22 060 A1 zeigt eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art mit einem Mikroprozessor, der mehrere Tristate-Ausgangsports und mehrere Eingangsports hat, wobei die Eingangsports jeweils eine A/D-Wandlerfunktion haben. Die Ausgangsports sind in zwei Kanäle aufgeteilt, die jeweils mit einem Integrierer, der ein RC-Glied enthält, und einem Treibertransistor verbunden sind. Das auszugebende Analogsignal wird zunächst in einem 16-Bit-A/D-Wandler digitalisiert, worauf die acht höherwertigen Bits dem einen Kanal und die acht niederwertigen Bits dem anderen Kanal zugeordnet werden. Die Ausgänge der beiden Kanäle (Strom oder Spannung) werden zu einem resultierenden Ausgangssignal addiert. Weiter werden die Ausgänge der beiden Kanäle den Eingangsports des Mikrocontrollers zugeführt, durch die dort vorhandenen A/D-Wandler digitalisiert und mit dem auszugebenden Signal verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleich werden an die Integrierer der beiden Kanäle Impulse ausgegeben.
• Die WO 95/29388 A1 zeigt eine Sensorschaltung mit einem Piezosensor, der in Abhängigkeit von der Tatsache, ob er in eine Flüssigkeit eingetaucht ist oder nicht, zwei unterschiedliche Resonanzfrequenzen hat. Ein Mikrocontroller mit einem als Eingang oder Ausgang umschaltbaren Port steuert eine Treiberschaltung wahlweise mit einer dieser beiden Frequenzen an, schaltet dann den Port als Eingangsport um und überprüft, ob der dann als frei schwingender Oszillator wirkende Schaltkreis aus Piezosensor und Treiber auf der entsprechenden Resonanzfrequenz schwingt.
• Die US 5,633,625 A zeigt eine Schaltung zur Ansteuerung eines Lautsprechers. Ein Mikrocontroller gibt an einen Port ein digitales Ausgangssignal an ein Tiefpaßfilter mit einem RC-Glied und eine nachgeschaltete Treiberschaltung aus. Eine Rückführung des Ausgangssignals zu dem Mikroprozessor ist nicht vorgesehen.
• In der Kraftfahrzeugtechnik wird eine Vielzahl von Sensoren eingesetzt, die Signale an ein Steuergerät übermitteln, das diverse Funktionen des Kraftfahrzeuges steuert. Die Sensorsignale werden in unterschiedlicher Form ausgegeben, beispielsweise als analoge Spannung, als pulsweitenmodulierte Signale, als sonstige digital codierte Signale usw. Diese Signale müssen zur Weiterverarbeitung bzw. zur Auswertung aufbereitet werden. Je nach Art der Weiterverarbeitung müssen die sensierten Werte wahlweise analog oder digital übermittelt werden. Bei analoger Übertragung wird das Sensorsignal häufig mittels Operationsverstärkerschaltungen verstärkt und niederohmig ausgegeben. Die Überspannungs- und Verpolungsfestigkeit eines solchen Ausgangssignales sowie die Ratiometrie bezogen auf die Versorgungsspannung erfordern üblicherweise die Verwendung spezieller Schutzschaltungen. Die Niederohmigkeit des Ausgangssignales sowie die Fähigkeit, bis möglichst nahe an die Aussteuergrenzen der Versorgungsspannung zu gelangen (Rail-to-Rail) erzwingen unerwünschte Kompromisse. Bekannte Schaltungen analoger Auswerteschaltungen haben daher im Grenzbereich der Aussteuergrenzen einen vergleichsweise hohen Innenwiderstand. Häufig steht zur Versorgung der Schaltung lediglich eine im Vergleich zum Aussteuerbereich geringfügig höhere Versorgungsspannung zur Verfügung. Eine nur eingeschränkte Überspannungs- und Verpolungsfestigkeit sind die Folge.
• Erfolgt die Ausgabe von Sensorsignalwerten mit pulsweitenmodulierten. Signalen (PWM), so werden diese empfängerseitig wahlweise digital oder mittels eines Tiefpasses analog eingelesen. Dafür muß die Amplitude des pulsweitenmodulierten Signals jedoch eine gleichbleibende und/oder zur Versorgungsspannung ratiometrische Signalhöhe aufweisen. Für die Ausgabe digital übertragener Signale werden spezielle Treiberschaltungen angeboten, wobei auch dort wieder spezielle Schutzschaltungen für eine Überspannungsfestigkeit benötigt werden.
• Digital codierte Signale mit mehreren Bits werden üblicherweise über ein Bussystem übertragen und mit gängigen Digital-Analog-Wandlern in analoge Signale umgewandelt. Analoge Signale werden entsprechend mit Analog-Digital-Wandlern in digitale Signale umgewandelt. Dabei gehen jedoch die Ausgangspegel der DA-Wandler auf die Genauigkeit des ausgegebenen Analogsignals ein.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst universelle Schaltungsanordnung zur Aufbereitung von Sensorsignalen zu schaffen, die eine zur Versorgungsspannung ratiometrische Analogausgabe ermöglicht, weiterhin eine gute Überspannungs- und Verpolungsschutzfestigkeit besitzt und gleichzeitig einen möglichst geringen Innenwiderstand aufweist. Die analoge Ausgangsspannung soll dabei möglichst niederohmig bis nahe an die Ansteuergrenzen gelangen (Rail-to-Rail).
• Des weiteren soll die Signalausgabe alternativ auf möglichst verschiedene Arten erfolgen können, beispielsweise nicht nur als Analogausgabe sondern auch als pulsweitenmoduliertes Signal oder in Form einer bidirektionalen seriellen Schnittstelle. Auch soll eine Überwachung der Ausgabeschaltung ermöglicht werden, so daß Nebenschlüsse, Übergangswiderstände und Fehlbeschaltungen erkannt werden können. Der Aufwand an Bauelementen soll dabei möglichst gering sein, damit Platz und Kosten eingespart werden können.
• Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Das Grundprinzip der Erfindung liegt darin, zur Aufbereitung analoger Sensorsignale einen Mikrocontroller zu verwenden, an dessen mindestens einem Anschluß eine aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehende Tiefpaßschaltung angeschlossen ist. Zur Ausgabe eines analogen Wertes wird die Spannung an dem Kondensator mit einem im Mikrocontroller vorgegebenen Sollwert verglichen. Dabei muß der Anschluß des Mikrocontrollers neben der digitalen Portausgabefunktion auch als Analogeingang verwendbar sein. In Abhängigkeit von dem genannten Vergleich wird der Anschluß des Mikrocontrollers als Eingang oder Ausgang umgeschaltet und mit hohen oder niedrigen Spannungsimpulsen beaufschlagt, wodurch der Kondensator aufgeladen oder entladen wird. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Spannung an dem Kondensator dem Sollwert entspricht.
• Mikroprozessoren verfügen in der Regel über eine ganze Reihe von Ein- und Ausgängen, die insbesondere bei Sensorsignalaufbereitungsschaltungen nur selten alle benutzt werden. Somit stehen bei Steuergeräten für Kraftfahrzeuge, die einen Mikrocontroller verwenden, mehrere Anschlüsse (Rechnerpins) zur freien Verfügung. Die Erfindung verwendet diese Rechnerpins zur Sensorsignalausgabe. Gleichzeitig können diese Rechnerpins auch als serielle Schnittstelle z.B. zur Bandendeprogrammierung verwendet werden. Sie sind auch in der Lage, eine fehlerhafte Beschaltung der Signalübertragungsleitung zu erkennen. Durch Ausnutzung dieser freien Rechnerpins, die ohnehin vorhanden sind, wird kein zusätzlicher Schaltungsaufwand benötigt. Die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten der Portpins des Mikrocontrollers als Eingang oder Ausgang werden für die Signalaufbereitung in den verschiedensten Formen eingesetzt, beispielsweise als Analog-Eingang/-Ausgang, Eingang/Ausgang für pulsweitenmodulierte Signale oder als bidirektionale serielle Schnittstelle.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
• 1 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung;
• 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes von Ausgabeimpulsen zur Darstellung der Abhängigkeit eines Lastwiderstandes zur Impulslänge; und
• 3 ein Diagramm von Ausgangsspannungsbereichen für verschiedene Schaltzustände.
• Ein Mikrocontroller μC hat diverse Anschlüsse (sog. Ports), die hier mit P1 bis P10 bezeichnet sind. Weiter hat er einen Anschluß für Versorgungsspannung VDD und einen Masseanschluß GND. Als Mikrocontroller kann beispielsweise der Typ PIC16F818 der Firma Mikrochip Technology Inc. verwendet werden. Alle dargestellten Ports P1 bis P10 sind extern mit einem Widerstand R1 bis R10 beschaltet, wobei die Widerstände R1 bis R8 gemeinsam über einen Kondensator C2 mit Masse und einen Widerstand R11 mit einem Anschluß Ua2 verbunden sind, wobei der Anschluß Ua2 über einen Kondensator C1 mit Masse verbunden ist. Die Widerstände R9 und R10 sind gemeinsam mit einem Kondensator C4 und mit dem Anschluß Ua1 verbunden. Zusätzlich ist der gemeinsame Anschluß der Widerstände R1 bis R8 über einen Widerstand R13 mit Versorgungsspannung VDD verbunden.
• Fakultativ kann der gemeinsame Verbindungspunkt der Widerstände R9 und R10 auch über eine Tiefpaßschaltung aus einem Widerstand R12 und einem Kondensator C3 mit dem Anschluß Ua1 verbunden sein.
• Die Anschlüsse Ua1 und Ua2 sind mit einem Steuergerät SG verbindbar, das hier durch einen ohm'schen Innenwiderstand Ri symbolisiert ist. Der Widerstand Ri liegt im dargestellten Ausführungsbeispiel an Masse. Er kann auch gegen Versorgungsspannung VCC geschaltet sein. In diesem Fall muß dann der Widerstand R13 gegen GND geschaltet sein.
• Jeder Port P1 bis P10 des Mikrocontrollers μC hat eine Reihenschaltung von zwei Dioden D1 und D2, die zwischen Masse und Versorgungsspannung VDD liegen und als Schutzschaltung dienen, indem sie Spannungen am jeweiligen Port begrenzen und einen Fehlerstrom abführen. Über zwei in Reihe geschaltete Transistoren T1 und T2, die von Logikgattern G1 und G2 angesteuert werden, läßt sich jeder Port auf Ausgabe Low (GND-Potential) bzw. Ausgabe High (VDD-Potential) schalten sowie über das Gatter G1 auf Eingabe (E) oder Ausgabe (A). Die Transistoren T1 und T2 sind hierbei üblicherweise Feldeffekttransistoren mit geringem Innenwiderstand, die somit als Schalter genutzt werden können. Die Widerstände R1 bis R10 dienen als Schutzwiderstände, die den jeweiligen Port vor Überspannung und Verpolung schützen. Die Widerstände R1 bis R8 bilden jeweils zusammen mit dem Kondensator C2 einen Tiefpaß. Für eine bessere Filterung hochfrequenter Störsignale sind der Widerstand R11 und der Kondensator C1 als weiterer Tiefpaß vorgeschaltet. In gleicher Weise bilden die Widerstände R9 bzw. R10 mit dem Kondensator C4 einen Tiefpaß und der Widerstand R12 mit dem Kondensator C3 einen weiteren Tiefpaß. Die Widerstände R11 und R12 sind vorzugsweise so niederohmig gewählt, daß die Ausgangsspannungen an den Anschlüssen Ua1 und Ua2 der Spannung an den Kondensatoren C4 bzw. C2 gleichgesetzt werden kann.
• Der Widerstand R13 hat den gleichen Widerstandswert wie die externe Last Ri des Steuergerätes und dient zusammen mit einem Port (hier den Port P2) und dessen Widerstand R2 zur statischen Grobanpassung an den externen Lastwiderstand Ri.
• Im folgenden werden die verschiedenen Arbeits- bzw. Betriebsweisen der Schaltung der 1 beschrieben. Generell lassen sich die Ports zur analogen oder digitalen Sensorsignalausgabe realisieren als auch als serielle Schnittstelle, z.B. zur Bandende-Programmierung. Auch sind sie in der Lage, eine fehlerhafte Beschaltung der Signalübertragungsleitung an den Anschlüssen Ua1 und/oder Ua2 zu erkennen.
• Betriebsart Analogausgabe
• Bereits mit Verwendung nur eines Ports, z.B. des Ports P1, kann die Ausgabe eines präzise ausgeführten Analogwertes ermöglicht werden. Voraussetzung hierfür ist, daß dieser Port alternativ zur Signalausgabe auch als analoger Eingangskanal verwendet werden kann. Um einen analogen Spannungswert am Anschluß Ua2 auszugeben, wird der aktuelle Spannungswert an Ua2, der der Ladung des Kondensators C2 entspricht, über den Widerstand R1 am Port P1 eingelesen und über eine Analogerfassung mit einem Analog-Digital-Wandler ADU im Mikrocontroller μC ausgewertet und mit einem internen Sollwert verglichen. Ist der eingelesene Spannungswert kleiner als der interne Sollwert, so wird der Port P1 über das Gatter G1 auf Ausgang geschaltet und für eine kurze Zeitdauer t2 (vgl. 2) ein High-Signal ausgegeben. Nach Ablauf dieser kurzen Zeit t2, die nur einige μ-Sekunden beträgt, wird der Port P1 wieder auf Eingang und damit hochohmig geschaltet. Durch Anlegen dieses kurzen High-Impulses an den Port P1 wird die Ladung und damit der analoge Spannungswert am Kondensator C2 geringfügig erhöht. Der Kondensator C2 bildet dabei zusammen mit dem Widerstand R1 einen Tiefpaß, um den kurzen Ausgangsimpuls am Port P1 zu glätten. Alle übrigen Ports P2 bis P8 sind dabei hochohmig geschaltet. Da in der übrigen Zeit auch der Port P1 hochohmig geschaltet ist, bleibt dieser Spannungspegel am Kondensator C2 weitgehend erhalten, bis nach Ablauf einer zyklischen Wartezeit t1 (2) erneut der Spannungspegel an Port P1 eingelesen und mit dem aktuellen Sollwert verglichen wird. Ist der gemessene Wert immer noch kleiner als der Sollwert, so wird in der gleichen Ablauffolge der Port P1 wiederum kurzzeitig auf High gesetzt, solange bis die Spannung am Kondensator C2 dem intern im Mikrocontroller vorgegebenen Sollwert entspricht.
• Ist umgekehrt die Spannung am Port P1 größer als der vorgegebene Sollwert, so wird während einer Zeitdauer t2 (2) kurzzeitig GND-Potential an den Port P1 gelegt und damit der Kondensator kurzzeitig entladen. Auch dies erfolgt iterativ solange, bis am Kondensator C2 und damit am Port P1 die gewünschte Sollspannung anliegt.
• In Abhängigkeit von der Größe der Abweichung des internen Sollwertes zum gemessenen Istwert am Port P1 kann die Pulszeit t2 für Low- oder High-Impulse verlängert oder verkürzt werden. Dies ist in 2 beim dritten Impuls durch die verlängerte Zeitdauer t3 dargestellt. Je mehr sich die Spannung im Anschluß Ua2 der maximalen Aussteuergrenze nähert, die nahe an der Versorgungsspannung VDD liegt, desto länger werden die Pulszeiten t3 für einen High-Impuls. Gleichzeitig werden die Low-Impulse immer kürzer, da sich die Differenz zwischen dem low-Pegel, der nahe GND liegt und der Spannung C2 immer vergrößert. So verlängert sich bei einer Halbierung der Differenz zwischen Ausgangsspannung Ua2 an c2 und der Versorgungsspannung die Pulsdauer auf die doppelte Einschaltzeit. Damit kann unabhängig von der jeweiligen Höhe der Ausgangsspannung die Ladungsänderung am Kondensator C2 und damit der Betrag der Spannungsänderung pro Ausgabezyklus konstant gehalten werden. Da an den Ports nur über einen kurzen Zeitraum t2 eine pulsierende Ausgabe stattfindet und in der übrigen Zeit t1 alle Ausgänge hochohmig sind, können auch größere Toleranzen bezüglich der Pausezeit t1 innerhalb eines Zyklus hingenommen werden.
• Erkennt der Mikrocontroller, daß trotz langem oder gar permanentem Ansteuern eines Ports der Sollwert an C2 nicht erreicht werden kann, so können mehrere oder alle Ports P1 bis P8 gleichzeitig auf Ausgabe geschaltet werden, um den Kondensator parallel über diese Ports aufzuladen. Damit kann der Sollwert besser oder zumindest weitgehend erreicht werden.
• Der Arbeitsbereich der Soll-Kennlinie reicht in der Regel nicht bis an die möglichen Aussteuergrenzen der Analog-Ausgabeschaltung heran. Um lediglich im Fehlerfall einen entsprechenden Ausgangswert nahe der Aussteuergrenzen ausgeben zu können, wird definiert, daß die analoge Ausgangsspannung den maximal bzw. minimal möglichen Ausgabewert annimmt. Um in diesem Fall möglichst nahe an die Aussteuergrenzen zu gelangen, können mehrere Ports über einen jeweils eigenen Schutzwiderstand dauerhaft gegen GND (Ausgabe Low) bzw. VDD (Ausgabe High) geschaltet werden. Durch die Verwendung von Feldeffekttransistoren t1 und t2 im Mikrocontroller können hierfür die Ports mit geringem Innenwiderstand als Schalter genutzt werden. Jeder einzelne Port wird durch einen eigenen Längswiderstand vor Überspannung und Verpolung geschützt. Die Dioden D1 und D2 begrenzen hierzu die Spannungen am jeweiligen Port und führen den Fehlerstrom über die Versorgungspins des Mikrocontrollers ab. Der gesamte Ableitstrom bei Überspannung ist für den gesamten Mikrocontroller wesentlich höher definiert (z.B. +/–200 mA) als für die einzelnen Ports (z.B. +/–25 mA).
• Durch Parallelschalten mehrerer Widerstände R1 bis R10 kann der Innenwiderstand der Analogausgabeschaltung im Grenzbereich der Aussteuergrenzen verkleinert werden. Gleichzeitig kann die Verlustleistung der Schutzwiderstände R1 bis R10 bei Überspannung gleichmäßig verteilt werden.
• Pulsweitenmodulierte Ausgabe
• Neben der Ausgabe von Analogwerten kann alternativ auch eine digitale Übermittlung von Sensorinformationen gefordert sein. Dies kann mit der in 1 dargestellten Schaltung ohne Änderung der Hardwareausführung realisiert werden.
• Durch die Möglichkeit der Analogausgabe kann auf die Verwendung größerer Kapazitätswerte der Kondensatoren C1 und C2 verzichtet werden, Damit kann bei gleichzeitiger Ansteuerung aller Ausgangsports P1 bis P8 bzw. P9 und P10 eine schnelle Spannungsänderung am Ausgang von C1 bzw. C3 erreicht werden. Alle Ausgangsports werden dabei permanent mit einem Low- oder High-Pegel angesteuert. Es erfolgt also kein zeitweises hochohmig Schalten der Ports). Somit können die Ports impulsweitenmoduliert abwechselnd mit High- und Low-Pegeln angesteuert werden, so daß eine entsprechende Pulsweitenmodulierte Ausgabe erfolgt.
• Datenempfang
• Alternativ zur Ausgabe von pulsweitenmodulierten Signalen können auch Daten empfangen werden. Dies kann durch Aktivieren eines Interrupteinganges, wie z.B. des Ports P8 in 1, erfolgen. Wird ein solcher Interrupteingang beispielsweise auf die Erkennung ansteigender Flanken aktiviert, so braucht dieser Eingang lediglich während der Ausgabe steigender Flanken des pulsweitenmodulierten Signals deaktiviert zu werden. Sofort nach Ausgabe der steigenden Flanke des pulsweitenmodulierten Signals kann der Interrupteingang wieder aktiviert werden. Das Empfänger-Steuergerät SG kann damit nahezu während der gesamten Zeit durch aktives Überschreiben des pulsweitenmodulierten Signals in Form der Generierung einer steigenden Flanke die Aufforderung senden, daß anstelle der weiteren Ausgabe von pulsweitenmodulierten Signalen auf Empfang umgeschaltet wird. Mittels Abfrage eines länger anstehenden gleichbleibenden Pegels oder eines Startkontrollbytes können dabei eventuelle Störsignale ausgeblendet werden. Damit können dem Mikrocontroller der 1 adaptive Größen oder sonstige Korrekturwerte vom Steuergerät SG übermittelt werden. Da der Mikrocontroller im Gegensatz zum Steuergerät in den meisten Fällen nicht über Informationen von Vorgängen des Gesamtsystems verfügt, ist die Möglichkeit zu Korrekturen seitens des Steuergerätes sinnvoll. Solche Korrekturen können beispielsweise infolge des Wechselns einer Systemkomponente im Rahmen einer Reparatur nützlich sein.
• Ein-/Ausgabe von Daten über eine serielle Schnittstelle
• In der Schaltung der 1 ist die Ausgabe von zwei Analogwerten an den Anschlüssen Ua1 und Ua2 dargestellt. Mit der Schaltung läßt sich aber auch eine serielle Schnittstelle ohne Hardwareänderung betreiben, die zur seriellen Eingabe oder Ausgabe von Daten benutzt werden kann. Dies ist beispielsweise für die sog. Bandendeprogrammierung nützlich, wenn am Ende eines Fertigungsprozesses, d.h. am Bandende, ein Steuergerät programmiert werden soll, beispielsweise um eine adaptive Korrekturkennlinie einzugeben. Durch die Verwendung niederohmiger Treiberendstufen können dabei trotz der Filterkondensatoren C1 bis C4 schnelle Pegelwechsel während der Übertragung erreicht werden. Bei Verwendung einer solchen Schnittstelle, die beispielsweise als Zweidrahtschnittstelle mit den Anschlüssen Ua1 und Ua2 ausgebildet ist, kann zur Ausgabe eines Sensorwertes alternativ zur Analogausgabe entweder die Baudrate heruntergesetzt oder die Filterbeschaltung C1 bis C4 adaptiert werden.
• Fehlermeldungen
• Häufig werden die Eingangsbeschaltungen, die die Sensorausgabesignale einlesen, mit Eingangswiderständen (z.B. Ri in 1) gegen GND beschaltet. Dadurch können die Sensorausgangstreiber der Ports problemlos Ausgabespannungen von nahezu 0 V realisieren (bei nicht verwendetem R13). Die Ausgabe von Maximalwerten (nahe VDD) ist dagegen begrenzt, da der Sensorausgang durch den Widerstand Ri belastet ist.
• Durch den Einsatz des Mikrocontrollers ist eine Fehlersignalausgabe in Form eines maximalen Ausgabepegels nicht notwendig. Es genügt, Fehlermeldungen grundsätzlich in Form eines minimal möglichen Ausgangspegels auszugeben, was für die Ausgabeschaltung ohne nennenswerte Einschränkungen möglich ist. Optional kann auch eine pulsierende Ausgabe eines minimalen/maximalen Ausgabepegels vorgenommen werden, um ggf. verschiedenartige Fehler ausgeben zu können.
• Lasterkennung und Adaption
• Die oben beschriebene Analogausgabeschaltung ermöglicht auch die Erkennung des Lastwiderstandes Ri sowohl in der Art seiner Beschaltung als Pull up oder Pull down Widerstand als auch hinsichtlich der Größe seines Widerstandswertes. Dies ist zum einen von Interesse für die Erkennung von Fehlern bei einer fehlerhaft zu kleinen oder zu großen Eingangslast (Ri in 1) sowie zur Optimierung der Ansteuerung während der Analogausgabe.
• Hierzu wird noch einmal auf 2 Bezug genommen. Bei der dort dargestellten Ausgabe einer Spannung, die der halben Maximalspannung entspricht, hier also 2,5 V, wäre am Ausgang bei Ri = unendlich und gleichen Pulslängen t2 für Low-Impulse bzw. High-Impulse auch langfristig keine Änderung der Spannungshöhe am Ausgangsanschluß Ua2 festzustellen. Wird jedoch eine Last gegen Masse geschaltet, wie z.B. Ri in 1, so muß der High-Impuls auf die Zeitdauer t3 verlängert werden, um die Ausgangsspannung auf konstantem Pegel der halben Maximalspannung, hier also 2,5 V halten zu können.
• Die Messung des Lastwiderstandes Ri kann z.B. direkt nach Einschalten des Mikrocontrollers durch ein Resetprogramm erfolgen. Da dem Mikrocontroller μC zunächst nicht bekannt ist, ob eine eventuelle Last gegen Masse oder Versorgungsspannung geschaltet ist, bietet sich an, die Ausgangsspannung Ua2 durch eine schnelle Folge von Ansteuerimpulsen und Einlesen des Pegels auf die Hälfte der maximal möglichen Ausgangsspannung (hier also 2,5 V) zu bringen. Nach Erreichen dieser Spannung bestehen verschiedene Möglichkeiten, den Betrag und die Art des Lastwiderstandes zu erfassen.
• Eine dieser Möglichkeiten besteht darin, abwechselnd High- und Low-Impulse mit gleicher Pulszeit t2 auszugeben. Die Impulse sollten dabei relativ kurz sein bei einer demgegenüber langen jedoch konstanten Wartezeit t1. Dies entspricht in seiner Wirkung einer hochohmigen, ungeregelten Analogausgabe von 2,5 V. Befindet sich am Ausgang kein Lastwiderstand Ri, so wird die Ausgangsspannung auf dem Spannungspegel der halben Maximalspannung verharren. Bei einem angeschlossenen Widerstand Ri gegen GND, wie er in 1 dargestellt ist, wird die Ausgangsspannung langsam absinken und sich auf tieferem Niveau einstellen, das dem Widerstandswert des Lastwiderstandes proportional ist.
• Dies erklärt sich dadurch, daß durch den über den Widerstand Ri abfließenden Strom und das dadurch abfallenden Spannungspegels an dem Kondensator C2 sich der Strom während des High-Impulses vergrößert, während gleichzeitig der Strom des Low-Impulses sich verkleinert. Die Ausgangsspannung verkleinert sich daher solange, bis die Ladungsdifferenz von High- zu Low-Impuls identisch ist mit der durch den Widerstand Ri konstant abfließenden Ladung. Verkleinert sich also die Ausgangsspannung, so ist von einem Lastwiderstand gegen GND auszugehen, vergrößert sich diese Spannung, so befindet sich ein Pull-up-Widerstand in der Eingangsbeschaltung des Steuergerätes SG. An der Größe der Spannungsabweichung gegenüber der eingestellten halben Maximalspannung kann die Größe des Lastwiderstandes ermittelt werden.
• Der auf diese Weise erfaßte Lastwiderstand stellt den gesamten Innenwiderstand dar, also sowohl den internen als auch den externen, denn die Leckströme der hochohmig geschalteten Ports P1 bis P8 bzw. p9 und P10 sowie der Kondensatoren C1, C2 bzw. C3, C4 verursachen gleichermaßen eine Abweichung vom Startwert, der halben Maximalspannung während der Messung. Da die Innenwiderstände der Mikroprozessor-Ports sehr hochohmig sind mit deutlich über 1 MT2, kann der externe Lastwiderstand mit ausreichender Genauigkeit erfaßt werden.
• Da für die Kompensation der Analogausgabeschaltung jedoch der gesamte Innenwiderstand, also der externe und der interne Innenwiderstand von Interesse sind, kann eine optimale Kompensation vorgenommen werden. Die Folge der Kompensation der Analogausgabeschaltung bezüglich Innenwiderstand Ri ist eine Minimierung der Restwelligkeit bei minimaler Größe des Tiefpasses und eine hohe mögliche Folgegeschwindigkeit gegenüber dem Sollwert. Die Prüfung der Art und Größe des Innenwiderstandes ist unabhängig von der Art der Ausgabe (Analog-, PWM- oder Seriellausgabe) möglich.
• Minimierung der Restwelligkeit der Ausgangsspannung
• Um zu verhindern, daß bei geforderter Restwelligkeit die Kapazität der Tiefpaßkondensatoren C1 und C2 nicht zu groß bzw. die Ausgabewiederholfrequenz des Mikroprozessors zu hoch wird, ist es möglich, eine statische Grobanpassung der Ausgabeschaltung an den Lastwiderstand Ri des Steuergerätes durchzuführen. Mit Hilfe des Widerstandes R13, der den gleichen Widerstandswert wie die externe Last Ri besitzt sowie einem zusätzlichen, von einem Port (hier Port P2) ansteuerbaren Widerstand R2 kann die statische Grobanpassung an den externen Lastwiderstand erfolgen. Dies wird im Zusammenhang mit 3 erläutert. Durch die Möglichkeit des hochohmig Schaltens des Ports P2 entstehen drei mögliche Schaltzustände, nämlich Schalten nach GND, VDD und hochohmig. Der Widerstand R2 ist dabei so dimensioniert, daß die drei statisch ansteuerbaren Spannungspegel in drei gleich große Spannungsbereiche aufgeteilt werden. Bei Ansteuerung des Widerstandes R2 mit Versorgungsspannung VDD (hier 5 V) stellt sich eine statische Ausgangsspannung von 3,83 V ein, bei Ansteuerung von P2 mit GND die Spannung von 1,16 V. Bei hochohmiger Schaltung des Ports P2 beträgt die Ausgangsspannung 2,5 V. Die jeweilige Ausgangsspannung wird auch hier durch hochfrequentes Pulsen eines Ports, z.B. des Ports P3, wie oben beschrieben eingestellt. Bei dieser Ausgabeart entsteht die relativ größte Restwelligkeit in den Spannungsbereichen um die Spannungen 0,5 V, 1,83 V, 3,16 V und 4,5 V. Praktisch keine Restwelligkeit besteht dagegen im Spannungsbereich von 1,16 V, 2,5 V 3,83 V sowie während der Fehlerausgabe nahe 0 V und 5 V.
• Durch diese Dimensionierung der Widerstände R2 und R13 ist die Restwelligkeit bei Ausgabe einer hohen Ausgangsspannung nahezu auf 1/8 der sonstigen Restwelligkeit reduziert. Hieraus folgt, daß die Kapazität der Kondensatoren C1 und C2 auf 1/8 ihres Ursprungswertes reduziert werden kann. Der einzige Nachteil dieser Schaltung liegt darin, daß die Ausgabe von 0 V im Fehlerfall wegen des Widerstandes R13 nicht ganz gegen 0 V möglich ist.
• Zusammenfassend erreicht man mit der Erfindung folgende Vorteile:
• – Kostengünstige Lösung ohne zusätzliche Bauelemente durch Nutzung bereits vorhandener Rechnerports.
• – Platzsparend, da keine weiteren integrierten Schaltungen nötig sind.
• – Großer Aussteuerbereich sowie relativ geringer Innenwiderstand Ri im Aussteuergrenzbereich durch Nutzung mehrerer parallel geschalteter Ausgangstreiber des Mikrocontrollers.
• – Große Überspannungsfestigkeit bei Fehlbeschaltung.
• – Unkritische Ansteuerwiederholzeiten während zyklischer Analogausgabe; alle Ports können bis zur nächsten Messung/Ausgabe hochohmig geschaltet werden.
• – Kleine Restwelligkeit durch Möglichkeit der Verwendung eines hochohmigen Widerstandes an einem der Ports oder Ansteuerung mit sehr kurzen Impulsen an nur einem der Ports.
• – Wahlweise Ausgabe von Analog- oder pulsweitenmodulierten Signalen (PWM-Ausgabe) ohne Hardwareänderung (bei PWM-Ausgabe permanente Ansteuerung aller Ports gegen GND oder VCC).
• – Große Änderungsgeschwindigkeit bei Ansteuerung mehrerer Ports möglich (z.B. bei PWM-Ausgabe).
• – Nutzung der Analogausgabeschaltung auch als Eingang für serielle Schnittstelle, z.B. zum Programmieren von adaptiven Korrekturwerten bei Bandende oder bidirektionaler Kommunikation zwischen Steuergerät und Sensoraufbereitungsschaltung (Mikrocontroller).
• – Erkennung von Fehlbeschaltungen, d.h. Erkennung der Ausgangslast Ri in seiner Beschaltungsart (Pull-up oder Pull-down) sowie der Größe des Widerstandswertes von Ri.
• – Prüfung der Art und Größe des Innenwiderstandes Ri unabhängig von der Art der Ausgabe (Analog-, PWM- oder Seriellausgabe) möglich.
• – Möglichkeit zur Kompensation der Ansteuerung bezogen auf unterschiedliche Last mit Folge einer Minimierung der Restwelligkeit bei minimaler Größe des Tiefpasses (hohe mögliche Folgegeschwindigkeit gegenüber einem Sollwert).
• – Möglichkeit zum Einlesen von Daten aus einem Steuergerät alternativ zur Ausgabe von PWM-Signalen.
• – Pulszeiten der jeweiligen Low- bzw. High-Impulse während der Analogausgabe können in Abhängigkeit folgender Parameter variieren: 1. In Abhängigkeit zur aktuellen Differenz der Ausgangsspannung bezüglich der jeweiligen Aussteuergrenze, 2. in Abhängigkeit zur Differenz zwischen Istwert und rechnerinternem Sollwert, 3. in Abhängigkeit zum errechneten Innenwiderstand Ri (z.B. gemessen beim Systemstart).
• – Möglichkeit zur weiteren Minimierung der Restwelligkeit durch Verwendung eines Pull-up-Widerstandes R13 und Ansteuern eines Widerstandes (R2) in Abhängigkeit zur aktuellen Ausgangsspannung.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Ausgabe von Analogsignalen durch einen Mikrocontroller, mit einem Mikrocontroller, der mehrere Anschlüsse (P1-P10) aufweist, die wahlweise folgende drei Schaltzustände einnehmen können: – hoher Spannungspegel (High) – niedriger Spannungspegel (Low) und – hochohmig, wobei mehrere der Anschlüsse (P1-P10) über eine Tiefpaßschaltung aus einem Widerstand (R1-R10) und einem Kondensator (C2, C4) mit einem Steuergerät verbindbar sind und mindestens einer der Anschlüsse (R1) mit einem Analog/Digital-Wandler verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Mikrocontroller für jeden Anschluß eine Steuerschaltung (G1, G2, T1, T2) vorgesehen ist, die den jeweiligen Anschluß (P1-P10) wahlweise als analogen Signaleingang oder Signalausgang umschaltet, daß jeder Anschluß (P1-P10) mit einer zwischen Masse und Betriebsspannung (VDD) liegenden Reihenschaltung aus zwei Dioden (D1, D2) verbunden ist und daß alle Widerstände (R1-R8; R9-R10) gruppenweise parallel geschaltet und gruppenweise mit einem gemeinsamen Kondensator (C2, C4) der Tiefpaßschaltung verbunden sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaßschaltung (R1-R10, C2, C4) eine zweite Tiefpaßschaltung aus einem Widerstand (R11, R12) und einem Kondensator (C1, C3) nachgeschaltet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R11, R12) der zweiten Tiefpaßschaltung so niederohmig gewählt ist, daß die Spannung an dem Kondensator (C2, C4) der ersten Tiefpaßschaltung im wesentlichen gleich der Spannung an dem Kondensator (C1, C3) der zweiten Tiefpaßschaltung ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Anschlüsse (P1-P10) über die erste Tiefpaßschaltung (R1-R10, C2, C4) mit einem weiteren Widerstand (R13) verbunden sind, dessen Widerstandswert einem Lastwiderstand (Ri) des Steuergerätes (SG) entspricht, und daß der weitere Widerstand (R13) mit Versorgungsspannung (VCC) verbunden ist.
5. Verfahren zur Ausgabe von Analogsignalen durch einen Mikrocontroller, der mehrere Anschlüsse aufweist, die wahlweise folgende drei Schaltzustände einnehmen können: – hoher Spannungspegel (High) – niedriger Spannungspegel (Low) und – hochohmig, wobei diese Anschlüsse über eine Tiefpaßschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator mit einem Steuergerät verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Anschluß (P1-P10) während einer vorgegebenen ersten Zeitdauer (t1) als analoger Signaleingang umgeschaltet wird und die an dem Kondensator (C2, C4) anliegende Spannung gemessen und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, daß anschließend mindestens dieser Anschluß (P1-P10) als Signalausgang geschaltet wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich während einer zweiten Zeitdauer (t2) Impulse mit hohem oder niedrigem Spannungspegel ausgegeben werden und daß dieser Vorgang zyklisch wiederholt wird, so daß am Kondensator (C2, C4) ständig der Sollwert anliegt, und daß während der zweiten Zeitdauer (t2) mehrere Anschlüsse (P1-P10) die Impulse parallel an den einen gemeinsamen Kondensator (C2, C4) ausgeben.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Zeitdauer (t1, t2) in Abhängigkeit von dem Vergleich veränderbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung eines Lastwiderstandes (Ri) an den Anschlüssen (P1-P10) die Spannung durch Ausgabe von Impulsen auf den halben Maximalwert der Versorgungsspannung (VCC) gebracht wird und anschließend abwechselnd Impulse mit hohem und niedrigem Spannungspegel ausgegeben werden und während dieser Phase geprüft wird, ob sich die Spannung am Anschluß (P1-P10) ändert.