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Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Verarbeitung
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von Signalen Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren
zur Messung und Verarbeitungen von Signalen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Schaltungsanordnungen zur Erfassung von Zündsignalen sind beispielsweise bei der
Motormeßtechnik allgemein bekannt. Die dort verwendeten Zündwinkel und Schließwinkelmeßschaltungen
sind üblicherweise analog aufgebaut und benötigen einen erheblichen Bau-teileaufwand,
um die beispielsweise beim Zündfunkenbeginn und -ende auftretenden Schwingungen
zu unterdrücken. Weiterhin sind auch bei digitalen Schaltungen Störimpulse bekannt,
die beispielsweise auf dem Übertragungsweg nach einer Uustandsänderung auftreten
können. Auch diese Störimpulse waren bislang nur mit großem Aufwand zu erkennen
und zu eliminieren.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,
daß sowohl
bei analogen als auch bei digitalen Signalen die erste und richtige tmpulsflanke
erkannt wird, ährend störende Impulse, die beispielsweise aufgrund von Aus-und Einschwingvorgängen
auftreten, eliminiert werden. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die gesamte
Schaltung digital aufgebaut ist und somit einfach integrierbar ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
So ist es vorteilhaft, ein analog anliegendes Meßsignal in ein digitales Signal
mit vorgegebenen Pegeln umzuwandeln. Dadurch können auch beliebige analoge-Signale
aufbereitet werden. Das Interruptsignal wird vorteilhafterweise beim Erreichen eines
Nulidurchganges des zu messenden Signales erzeugt. Dadurch ergibt sich eine besonders
einfache Ausgestaltung der Schaltung zur Erzeugung des Interruptsignales. Sollen
nur ansteigende oder nur abfallende Impulse ausgewertet werden, so ist es vorteilhaft,
ein Merksignal nur zu erzeugen, wenn zusätzlich eine abfallende Flanke des Signales
vorausgegangen ist. Die erforderlichen digitalen Signale lassen sich am günstigsten
mittels Komparatoren erzeugen, die Signale dann abgeben, wenn das zu messende Signal
das Fenster erreicht, oder die in bezug auf einen vorgegebenen Bezugswert den Zustand
ihres Ausgangssignals ändern. Insbesondere be-i hohen zu erwartenden Eingangssignalen,
wie es im Falle von ündsignalen gegeben ist, ist es zweckmäßig, dem Eingang einen
Begrenzer folgen zu lassen, der zu hohe Spannungen herabsetzt, so daß die nachfolgenden
Bauelemente nicht gefährdet sind. Gleichfalls ist es vorteilhaft, diesen Begrenzer
zusätzlich die Spannungswerte und Vergleichspunkte des ewertes in einen Spannungsbereich
bringen zu lassen, der innerhalb des Eingangsspannungsbereiches der Komparatoren
liegt.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung, Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung
der Schaltungsanordnung nach Figur 1 und Figur 3 ein-Ablaufdiagramm zur Erläuterung
der Funktionsweise des Mikroprozessors.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels rn Figur 1 wird das Eingangssignal
einem Begrenzer 1 zugeführt, der zu hohe Spannungen des Eingangssignales t~erhindern
soll. Der Begrenzer 1 verschiebt gleichzeitig den Vergleichspunkt des Meßsignals
(z.B. den Nullpunkt) in einen Bereich, der von den nachfolgenden Komparatoren als
Eingangssignal akzeptiert werden kann. Das Ausgangssignal des Begrenzers 1 ist jeweils
einem Komparator 2 und 3 zugeführt. Die Komparatoren 2 und 3 sind in einem Fensterkomparator
zusammengefaßt. Es eignet sich beispielsweise der Fensterdiskriminator des Typs
TCA965 der Firma Siemens. Der Komparator 2 arbeitet so, daß beim Überschreiten einer
vorgegebenen Spannung an seinem Ausgang ein logisches Eins-Signal abgegeben wird,
während beim Unterschreiten einer gewissen Spannung ein logisches Null-Signal abgegeben
wird. Der Komparator 3 liefert an seinem Ausgang einen Impuls, wenn das zu messende
Signal sich im vor-,egebenen Fenster befindet. Der Ausgang des Komparators 2 führt
zu einem Eingang eines Ports eines Mikroprozessors 4. Der Ausgang des Komparators
3 führt zu einem Interrupt- oder Timereingang des Mikroprozessors 4.
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Als Mikroprozessor kann beispielsweise der Typ Mm6801 der Firma Motorola
Verwendung finden. Mit dem Mikroprozessor ist es möglich, die gewünschten Größen
2U berechnen und an einer Anzeigeeinheit auszugeben. Aus
diesem
Grunde ist ein Ausgang des Mikroprozessors 4 mit einer Anzeigevorrichtung 5 verbunden.
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Die Wirkungsweise der gesamten Schaltungsanordnung sei anhand der
Auswertung eines Zündsignaies in Verbindung mit der Figur 2 näher erläutert. Statt
eines Zündsignales können als Singangssignale auch TD-Signale und beispielsweise
auch nicht entprellte Signale oder ähnliche Signale mit Ein- und Ausschwingverhalten
anliegen. In Figur 2a ist das Zündsignal an der Primärwicklung der Zündspule dargestellt.
Ist der Unterbrecherkontakt geschlossen, so liegt an den Klemmen der Primärwicklung
der Zündspule eine vorgegebene Spannung an. Wird der Unterbrecherkontakt geöffnet,
so setzt das bei Zündimpulsen übliche Einschwingverhalten ein, das in Form einer
gedämpften Sinusschwingung verläuft und in der sogenannte Brennspannungslinie endet,
der auf die Primärseite der Zündspule transformierten Spannung über dem brennenden
Zündfunken. Nach der fast vollständigen Wandlung der elektrisch gespeicherten Energie
in thermische Energie durch den Zündfunken bricht die Spannung mit einem Ausschwingvorgang
zusammen. Bei einem bestimmten Kurbelwellenwinkel wird der Unterbrecherkontakt wiederum
geschlossen. Dieses Zündsignal nach Figur 2a wird mittels einer hochohmigen Begrenzerschaltung
auf die Eingangsspannungsbandbreite der Komparatoren 2 und 3 reduziert und angepaßt.
Diese beträgt beispielsweise 1,5 bis 4 V. Mittels Widerständen ist es möglich, bei
den Komparatoren 2 und 3 den Schaltpunkt bzw. beim Komparator 3 eine Fensterbreite
vorzugeben. Die vergleichsspannung für den Komparator 2 liegt beispielsweise zwischen
der maximalen Eingangsstannung und der minimalen Eingangsspannung, die Fenstermitte
von Komparator 3 ebenso.
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Durch den Komparator 2 wird am Ausgang aus einem Signal nach Figur
2a ein Signal nach Figur 2 gebildet. Alle Zündspannungen von z.B. 'Sull Volt oder
kleiner werden als logisches
Null-Signal abgebildet, während alle
Zündspannungen größer als Null Volt als logisches Eins-Signal abgebildet werden.
Am Ausgang des Fensterkomparators 3 steht ein Signal nach Figur 2c an, das als Interruptsignal
bezeichnet ist. Dieses Signal tritt kurzzeitig bei jedem Nulldurchgang des Zündsignals
nach Figur 2a auf. Hierbei ist es gleichgültig, in welcher Richtung der Nulldurchgang
erfolgt. In Figur 2d ist schließlich das Merksignal dargestellt, das vom Mikrocomputer
4 generiert wird. Das Merksignal weist dann eine logische Eins auf, wenn eine vorgegebene
Zeit kein Interrupt aufgetreten ist und eine negative Flanke des Zündsignals detektiert
wurde. Es wird dann auf eine logische Null zurückgesetzt, wenn eine vorgegebene
Zeit kein Interrupt aufgetreten ist und eine Änderung des Zündsignals in Richtung
einer logischen eins erfolgt. Dieses Zurücksetzen des Merksignals, kann an zwei
Punkten erfolgen und wird im allgemeinen am Ende der Brennspannungslinie (in Figur
2d durch I gekennzeichnet) erfolgen. Bei unregelmäßigem und gestörtem Ablauf des
Zündvorgangs kann aber auch die Brennspannungslinie ganz ausbleiben. In diesem Fall
wird das Zurücksetzen des Merksignals am zweiten Punkt (in Figur 2d durch II gekennzeichnet),
dem Schließbeginn, durchgeführt.
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Die Arbeitsweise des Mikroprozessors zur Erzeugung des Merksignals
nach Figur 2d in Abhängigkeit vom Pegelsignal nach Figur 2b und dem Interruptsignal
nach Figur 2c ist anhand des btrukturdiagrnmmes nach Figur 3 näher erläutert. Das
Programm wird gestartet, sobald am Timereingang des Mikroprozessors 4 ein Interruptsignal
nach Figur 2c auftritt. Zuerst speichert der Mikroprozessor an der Abfragestelle
10 den Zeitpunkt SP des Auftretens des Interruptsignals ein. Gleichzeitig wird der
Pegel-P aus Figur 2b an der Abstation 11 eingespeichert. Der Pegel P kann dabei
nur den Wert Null oder Eins annehmen. An der Entscheidungsstelle 12 wird der aktuelle
Pegelwert
mit dem ersten Vergangenheitswert verglichen.
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Ist dieser Wert gleich, so wird das Programm abgebrochen.
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Durch diese Maßnahmen werden kurze Störimpulse, die einen Interrupt
auslösten, ausgefiltert. Als nächste Maßnahme wird in der Entscheidungsstelle 13
der zeitliche Abstand vom aktuellen Interrupt zum vorhergehenden Interrupt festgestellt.
Dieser Wert wird mit einer festen Zeit T verglichen. Ist diese Zeit kleiner, wird
der Auswertevorgang abgebrochen. Die genannte Zeit wird zweckmäßigerweise so groß
gewählt, daß alle halben Periodendauern der Ausschwingvorgänge des zu beobachtenden
Signals kleiner sind.
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Durch diese Maßnahme sind die dem Startinterrupt folgenden Interruptsignale
in Figur 2c zu erkennen und auszuscheiden.
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Die während des Zündbeginns auftretenden Zündausschwinger in der Frequenz
zwischen 10 kHz bis- 40 kHz und die Ausschwinger nach Beendigung des Funkenbrennvorgangs
in der Frequenz von 2 bis 4 kHz können daher die Abfragestelle 13 nicht passieren.
Die in Figur 2c -dem ersten Impuls folgende erste Impulsfolge gelangt daher nicht
über die Abfragestelle 13 hinaus. Ebenso gelangen die in Figur 2c dargestellten
zweiten und weiteren Impulse des Impulspaketes nach dem Ende der Brennspannungslinie
nicht über die Abfragestelle 13 hinaus. Für die Zeit T empfiehlt es sich daher,
im Falle der Messung von Zündsignalen eine Zeit von etwa 400 Mikrosekunden zu wählen.
Ist diese Zeitbedingung nicht erfül-lt, so werden die aktuellen Werte des Interruptzeitpunktes
SP des Pegels P und des n n später zu besprechenden Zündzeitpunktes xZ? als erster
n Vergangenheitswert für den nächsten Programmdurchlauf abgespeichert und das Programm
beendet. Dies ist in der Station 14 realisiert. In der Entscheidungsstation 15 -wird
abgefragt, ob der aktuelle Pegel P eine logische Eins darstellt. Ist dies nicht
der Fall, so muß aufgrund der Abfragebedingung 12 der erste 7ergangenheitswert eine
logische Eins gewesen sein. Das zu messende Signal wies daher zum Startzeitpunkt
des aktuellen Programmablaufs eine abfallende Flanke auf, wie dies auf der linken
Seite des Diagramms dargestellt ist. Eine abfallende
Flanke, die
nach einer Zeit gröMerm eintritt muß jedocn ier 3eginn eines ündzeitpunktes sein.
Der aktuelle Zeitpunkt 5? wird daher als Zündzeitpunkt ZZP an der Station :6 gesetzt.
An der Entscheidungsst-elle 17 wird festgestellt, ob das Merksignal MB auf eine
logische Null gesetzt war. Eine logische Eins kann dann auftreten, wenn die Schaltungsanordnung
kurz nach dem Einschalten noch nicht synchronisiert ist. in dies-em Falle werden
an der Abfragestation Ih die aktuellen Speicherwerte als erste Vergangenheitswerte
abgeleg und das Programm beendet. Weist das Merksignal eine logische Null auf, so
wird der erste Vergangenheitswert des Interruptzeitpunktes als Schließzeitpunkt
SWP definiert. Dies erfolgt in der Station 18.
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weiterhin wird das Merksignal nach Figur 2d -auf eine lotische Eins
gesetzt. Dieser Fall kann nur dann auftreten, wenn die erste abfallende Flanke nach
Figur 2a auftritt.
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n der Station 14 werden die aktuellen Werte als erste -,ergangenneitswerte
neu abgelegt. Die ursprünglichen ersten Vergangenheitswerte fallen aus dem Programm
heraus.
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fst an der Abfragestation 15 das an der Station 11 aufgenommene Pegelsignal
High, so muß der erste Vergangenheitswert aufgrund der Abfrage 12 Low sein. Der
Interrupt wurde daher durch die ansteigende Flanke eines Signals ausgelöst. An der
Entscheidungsstation 20 wird nunmehr festgestellt, ob das Merksignal auf eine logische
Null gesetzt ist. Ist das Merksignal nach Figur 2d nicht Null, wird es an der Station
21 auf Null gesetzt. Dies geschieht in der Regel am Ende der Br-ennspannungslinie
(in Figur 2d durch 1 gekennzeichnet). War die Brennspannungslinie gestört, unvollständig
oder vollständig ausgeblieben, wird das Rücksetzen an der durch II gekennzeichneten
Stelle, den Schließpunkt des Wnterzrechers, durchgeführt. An den Rechenstellen 22
und 23 -wird der Schließwinkel SW und
die Zündfunkenbrenndauer
BD bestimmt. Der Schließwinkel in Prozent des Einheitskreises berechnet sich aus
dem aL-tuellen Zündzeitpunkt minus dem Schließzeitpunkt dividiert durch den aktuellen
Zündzeitpunkt abzüglich den Vergangenheitszündzeitpunkt. Es wird also die zeitdauer
zwischen Schließen und Öffnen des Unterbrechers durch die Gesamtzeitdauer zwischen
zwei Zündzeitpunkten dividiert. Die Zündfunkenbrenndauer bestimmt sich aus dem aktuellen
Interruptzeltpunkt und dem Zündzeitpunkt und muß in der Station 24 noch bestätigt
werden. Das Programm wird auch in diesen Fall durch die Station 14 beendet, wo der
aktuelle Interruptzeitpunkt, Pegel und nündzeitpunkt als erster Vergangenheitswert
abgespeichert werden.
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Befindet sich das Merksignal in der Abfragestation 20 auf einer logischen
Null, so wurde ein Schließpunkt des Unterbrechers detektiert, dem ein ordnungsgemäßer
Zündfunken-Brennvorgang vorausging, dessen Ende das Merksignal schon zurückgesetzt
hat. Die Zündfunken-Breandauer wird bestätigt.
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Das gesamte Verfahren zur Messung und Verarbeitung von Signalen ist
nicht nur zur Bestimmung von Zündsignalen geeignet sondern auch für die z.B. aus
Transistorzündgeräten gewonnenen sogenannten Signale (TD = macho-Diagnose) und ebenfalls
für solche Signale, bei enen aufgrund von Prellerscheinungen oder falschen Abschlüssen
bei Schaltvorgängen Schwingungen auftreten. Dies kann beispielsweise bei digitalen
Signalleitungen oder bei Lasten und Relais der Fall sein. Je nach -ler Ausgestaltung
der Abbruchkriterien, insbesondere der Zelt an der Abfragestation 13 und den Jmsena
vbedingungen der Abfragestation 15 kann las ursprüngliche Signal einwandfrei detektiert
werden.
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