DE3624139C2 - Schaltungsanordnung für die Betätigung eines Verbrauchers mittels eines Mikroprozessors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die Betätigung eines Verbrauchers.

Die Anwendung von Mikroprozessoren gewinnt in letzter Zeit in fast allen Bereichen der Technik eine wachsende Bedeu­ tung, und insbesondere auch in Kraftfahrzeugen werden Mi­ kroprozessoren bevorzugt eingesetzt. Dabei beschränkt sich ihre Verwendung nicht nur in einer bestimmungsge­ mäßen Ablaufsteuerung unterschiedlicher Vorgänge, viel­ mehr werden die Mikroprozessoren daneben auch für die Be­ tätigung von Verbrauchern, beispielsweise von Kontrollampen oder Elektromotoren usw., herangezogen.

Aus der DE-OS 27 32 781 ist eine Schaltungsanordnung bekannt mit einem Mikroprozessor bekannt, der über eine Eingabe/Ausgabe-Ein­ heit Schaltendstufen ansteuert, die mit Zündstrecken (Verbraucher) verbunden sind.

Aus der DE-OS 30 17 827 ist eine Steuerschaltung bekannt, bei der durch Ausgabe von Impulsen an eine Ausgangsklemme und der damit verbundenen Rückantwort erkannt werden kann, welche Schal­ tungsanordnung an die Ausgangsklemme angeschlossen ist.

Bei den bekannten Anwendungen von Mikroprozessoren taucht bei einer gewünschten Betätigung und Anzeige eines Ver­ brauchers das Problem auf, daß für die angestrebten Funktionen für jeden Verbraucher im allgemeinen zwei elektrische Anschlüsse (Pins) benötigt werden, nämlich ein Ausgang für das Ausgangssignal des Mikroprozessors und ein Eingang für die Übermittlung bestimmter Infor­ mationen zum Mikroprozessor.

Wenn der Mikroprozessor - was in der praktischen An­ wendung üblich ist - mit mehreren Verbrauchern be­ schaltet ist, ergibt sich daher in nachteiliger Weise die Notwendigkeit nach vielen Anschlüssen. Dies muß in der Praxis wegen der damit verbundenen Abmessungen des als Chip vorliegenden Mikroprozessors sowie auch wegen der Vielzahl der benötigten Verbindungsleitungen und des damit verbundenen Platzbedarfs als ungünstig eingestuft werden.

Zwar ist es grundsätzlich möglich, auf getrennte Ein­ gänge und Ausgänge zu verzichten und jeweils einen soge­ nannten einzigen bidirektionalen Eingang am Mikropro­ zessor zu verwenden, allerdings ist diese Lösung wegen der bezüglich des Innenwiderstandes des bidirektionalen Eingangs und des Verbrauchers auf geringe Lasten be­ schränkt. Bei größeren Verbrauchern mit hoher Leistung hat man sich deshalb bisher damit beholfen, für die Betätigung und die Anzeige der Last getrennte Ein- und Ausgänge am Mikroprozessor vorzusehen, mit den voran­ stehend geschilderten Nachteilen.

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine Schaltungsanordnung für die Betätigung und Anzeige eines Verbrauchers bei einem Mikroprozessor zu schaffen, welche die Verwendung von Mikroprozes­ soren mit wenigen Anschlüssen bei geringem Platzbedarf ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Durch die neuen Merkmale dieser Schaltungsanordnung ist es möglich, sowohl die Betätigung des Verbrauchers als auch die Anzeige des jeweiligen Betriebszustandes über einen einzigen Anschluß des Mikroprozessors vor­ zunehmen, d. h. es wird nur eine Leitung für den Mikro­ prozessor benötigt. Über diese eine Leitung kann der betreffende Anschluß des Mikroprozessors sowohl als Eingang als auch als Ausgang verwendet werden, und es besteht die Möglichkeit, den Verbraucher mit Hilfe von digitalen Signalen ("1" oder "0") zu betätigen, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Handschalter betätigt ist oder nicht. Ein wesentlicher Vorteil be­ steht darin, daß sich mit der neuen Schaltungsanordnung auch große Verbraucher mit großen Lasten schalten lassen.

Die Betätigung und Anzeige eines Verbrauchers über nur einen Ein- und Ausgang des Mikroprozessors führt zu einer bedeutsamen Platzeinsparung hinsichtlich der Ab­ messungen und der Zahl der Anschlüsse des Mikroprozessors als auch hinsichtlich der benötigten Anschlußleitungen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist eine durch den Mikroprozessor vorgenommene Abfrage mittels mehrerer Impulse (Mehrfachabfrage) vorgesehen, wodurch der Mikroprozessor feststellen kann, ob der Handschalter betätigt ist oder nicht. Durch die genannte Mehrfach­ abfrage "merkt" der Mikroprozessor also, ob der Hand­ schalter betätigt wurde, d. h. der Anschluß des Mikro­ prozessors wirkt hier als Eingang. Danach kann der Mikroprozessor den Verbraucher mit digitalen Signalen schalten, d. h. die gleiche Leitung bzw. der gleiche Anschluß wirkt jetzt als Ausgang.

Dadurch ergeben sich bei Verwendung jeweils nur einer Leitung vorteilhafte Anwendungsgebiete bei Kraftfahr­ zeugen. So kann der erwähnte Handschalter beispiels­ weise der Fernlichtschalter oder der Bedienhebel eines Automatik-Getriebes sein. Die Betätigung des jeweiligen Handschalters wird dem Mikroprozessor mitgeteilt, der daraufhin eine entsprechende Kontroll- bzw. Anzeige­ lampe einschalten und im folgenden eine gewünschte Ablaufsteuerung veranlassen kann.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und der Zeichnung zu entnehmen.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele zum besseren Verständnis näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer neuen Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer Mehr­ fachabfrage durch einen Mikro­ prozessor,

Fig. 3-7 jeweils weitere Ausführungs­ formen für die neue Schaltungs­ anordnung bzw. für inner­ halb der Schaltungsanordnung verwendete Bauteile.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung umfaßt einen hier als Leuchtdiode für Anzeigezwecke ausgebil­ deten Verbraucher 10, der über einen Widerstand 12 und einen Handschalter 14 einschaltbar ist und an der Betriebsspannung + U_B liegt.

An dem dem Verbraucher 10 abgewandten Ende des Wider­ standes 12 befindet sich eine Klemme 16, die zu einem durch eine gestrichelte Umrandung gekennzeichneten elektronischen Schalter 18 sowie zu einer ebenfalls durch eine gestrichelte Umrandung gekennzeichnete Digitalschaltung 24 führt. Sowohl der elektronische Schalter 18 als auch die Digitalschaltung 24 sind ge­ meinsam mit einem elektrischen Anschluß 20 eines sche­ matisch dargestellten Mikroprozessors 22 verbunden.

Der elektronische Schalter 18 umfaßt im einzelnen ei­ nen ersten Transistor 26, dessen Kollektorwiderstand 28 zu der Klemme 16 führt, und dessen Basis über einen Widerstand 30 mit einer Verstärkerstufe 32 verbunden ist, deren Eingang zu dem elektrischen Anschluß 20 des Mikroprozessors 22 führt.

Die Digitalschaltung 24 besitzt einen von der Klemme 16 zu einer Schwellwertschaltung 40 führenden Wider­ stand 34. Vom Eingang der Schwellwertschaltung 40 führt eine Diode 38 an eine positive Spannung + U sowie ein Kondensator 36 nach Massepotential. An den Ausgang der Schwellwertschaltung 40 ist in Sperrichtung eine Diode 42 geschaltet, die mit dem elek­ trischen Anschluß 20 des Mikroprozessors 22 verbunden ist.

Die Spannung U₁ an den Eingängen des elektronischen Schalters 18 und der Digitalschaltung 24 besitzt bei entsprechender Dimensionierung der Bauelemente je nach dem Schaltzustand des ersten Transistors 26 ei­ nen Wert von + U_B oder größer als 3 V. In jedem Fall reicht diese Spannung U₁ aus, um die Schwellwertschal­ tung 40 bzw. die gesamte Digitalschaltung 24 so anzu­ steuern, daß am Ausgang der Schwellwertschaltung 40 ein digitales "1"-Signal vorhanden ist.

Das am Ausgang der Schwellwertschaltung anstehende "1"- Signal wird durch die Diode 42 gesperrt, und der Mi­ kroprozessor 22 kann über den Anschluß 20 ein "1"- Signal oder ein "0"-Signal über die Verstärkerstufe 32 ausgeben. Somit ist es möglich, den Verbraucher 10 über den ersten Transistor 26 zu schalten.

Wenn der Handschalter 14 betätigt wird, liegt am Ausgang der Digitalschaltung 24 bzw. am Ausgang der Schwellwertschaltung 40 ein "0"-Signal, so daß auch die Eingangsspannung U_E am Anschluß 20 des Mikro­ prozessors 22 auf "0"-Signal gelegt wird.

Dieser geschilderte Zustand ist schematisch in Fig. 2 durch die untere Kurve 78 dargestellt. Durch eine Mehrfachabfrage des Mikroprozessors 22 mittels Im­ pulse 72 wird die Betätigung des Handschalters 14 erkannt. Die Mehrfachabfrage erfolgt in der Weise, daß mit Hilfe der Impulse 72 dreimal abgefragt wird, ob die Eingangsspannung U_E auf "0"-Signal liegt. Wenn diese Voraussetzung bei drei aufeinanderfol­ genden Impulsen 72 gegeben ist, erkennt der Mikro­ prozessor 22 die Betätigung des Handschalters 14. Die Impulsbreiten der Impulse 72 können bei 20 Mikro­ sekunden liegen, während der Impulsabstand 20 Milli­ sekunden beträgt.

Nach der Betätigung des Handschalters 14 kann der Mikroprozessor 22 den Verbraucher 10 wieder zu- bzw. abschalten. Insgesamt ist es in der beschriebenen Weise also möglich, den elektrischen Anschluß 20 des Mikroprozessors 22 sowohl als Eingang als auch als Ausgang zu benutzen, d. h. die Betätigung und An­ zeige des Verbrauchers 10 erfolgt über einen einzigen Anschluß 20 mit nur einer Leitung. Voraussetzung für die angestrebte Funktion der Schaltungsanordnung ist es, daß am Ausgang der Schwellwertschaltung 40 ein "1"-Signal ansteht, unabhängig davon, ob der Transis­ tor 26 gesperrt oder leitend ist.

Die Spannung U₁ muß also größer sein als die Schwell­ spannung der Schwellwertschaltung 40, um in jedem Fall ein "1"-Signal am Ausgang der Schwellwertschal­ tung 40 zu erzielen. Dieses "1"-Signal wird unter­ drückt, wenn der Handschalter 14 betätigt wird, was der Mikroprozessor 22 dann durch die geschilderte Mehrfachabfrage feststellt. Der elektrische Anschluß 20 des Mikroprozessors 22 wird also bidirektional betrieben und gleichzeitig als Eingang und Ausgang verwendet.

Eine andere Ausführungsform der neuen Schaltungsanord­ nung ist in Fig. 3 dargestellt. Anstelle der Schwell­ wertschaltung 40 wird hier eine Schaltstufe 44 mit einem folgenden Schalttransistor 52 eingesetzt, der über einen Widerstand 50 mit dem Ausgang der Schalt­ stufe 44 verbunden ist. Am Eingang der verstärkenden Schaltstufe 44 ist ein Kondensator 48 nach Masse ge­ schaltet, und über einen Widerstand 46 ist die Schalt­ stufe 44 mit der Klemme 16 verbunden.

Der Kollektor des Schalttransistors 52 liegt am An­ schluß 20 des Mikroprozessors 22, der außerdem zu einem Verstärker 56 mit dem nachgeschalteten Tran­ sistor 54 führt.

Bei den Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 1 und 3 be­ trägt die Betriebsspannung +U_B 12 V, und der Wert der Eingangsspannung U₁ liegt bei größer 3 V. Mit der in Fig. 4 dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die Eingangsspannung U₁ bis auf einige Hundert Millivolt abzusenken, d. h. es können sehr kleine Spannungssprünge erfaßt wer­ den. Dies wird durch die Verwendung eines Kompara­ tors 58 erreicht, dessen Ausgang mit dem Anschluß 20 des Mikroprozessors 22 verbunden ist.

An dem einen Eingang des Komparators 58 liegt ein zwischen der Spannung +U und Massepotential geschal­ teter Spannungsteiler 74, 76, und der andere Eingang des Komparators 58 ist über einen Widerstand 80 mit der Klemme 16 verbunden, die über einen anderen Wi­ derstand 82 auf Massepotential liegt.

Gleichzeitig führt von der Klemme 16 eine Diode 64 zu einem zweiten Transistor 60, dessen Basis über einen Widerstand mit einem Verstärker 62 verbunden ist. Der Eingang des Verstärkers liegt an dem ge­ meinsamen Anschluß 20 des Mikroprozessors 22.

Die Erzielung eines geringen Wertes der Spannung U₁, wie sie in Fig. 4 erreicht wird, läßt sich in vor­ teilhafter Weise auch dadurch erzielen bzw. noch unter­ stützen, wenn für den zweiten Transistor 60 in Fig. 4 die in Fig. 5-7 dargestellten Transistoren ver­ wendet werden.

Gemäß Fig. 5 ist in die Kollektorleitung des Transis­ törs 26 ein Kaltleiter 66 eingeschaltet. Fig. 6 zeigt die Verwendung eines dritten Transistors 68 mit offenem Kollektor, und in Fig. 7 ist ein Feldeffekttransistor 70 dargestellt, der im "Open-Drain-Betrieb" verwendet wird.

In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sind das Eingangs- und Ausgangssignal mikroprozessorgeführt, mit der Möglichkeit einer Mehrfachabfrage durch den Mikroprozessor. Dabei ist von Vorteil, daß ein "RESET- Signal" nicht erforderlich ist. Die Betätigung des Handschalters 14 wird vom Mikroprozessor 22 erkannt, und einzelne Störimpulse sind somit unwirksam.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung für die Betätigung eines Verbrauchers sowie für die Anzeige des Betriebszustandes des Verbrauchers mittels eines Mikroprozessors durch einen von einem elektrischen Anschluß des Mikroprozes­ sors angesteuerten elektronischen Schalter, wobei der Verbraucher zusätzlich durch einen manu­ ell betätigbaren Handschalter einschaltbar ist, insbe­ sondere für Kraftfahrzeuge, wobei der den elektronischen Schalter (18) ansteuernde elektrische Anschluß (20) des Mikroprozessors (22) gleichzeitig mit dem Ausgang einer Digitalschaltung (24) verbunden ist, die von dem Handschalter (14) an­ gesteuert ist, derart, daß der Ausgang der Digitalschal­ tung (24) und damit der elektrische Anschluß (20) des Mikroprozessors (22) bei betätigtem Handschalter (14) zwangsweise auf "0"-Potential liegen, während der elektrische Anschluß (20) des Mikroprozessors (22) im anderen Fall ohne Beeinflussung durch die Digi­ talschaltung (24) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Betätigung des Hand­ schalters (14) durch eine Mehrfachabfrage mittels mehrerer Impulse (72) am elektrischen Anschluß (20) des Mikroprozessors (22) durch den Mikroprozessor (22) ermittelt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Digitalschaltung (24) durch eine Schwellwertschaltung (40) mit in Sperrichtung nachgeschalteter Diode (42) gebildet ist, deren Anode mit dem elektrischen Anschluß (20) des Mikroprozessors (22) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Digitalschaltung (24) durch eine verstärkende Schaltstufe (44) mit einem nachgeschalteten Schalttransisitor (52) gebildet ist, dessen Kollektor mit dem elektrischen Anschluß (20) des Mikroprozessors (22) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Digitalschaltung (24) durch einen Komparator (58) mit Open Collektor Ausgang gebildet ist, dessen Ausgang mit dem elektrischen An­ schluß (20) des Mikroprozessors (22) verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (18) eine Verstärker­ stufe (32) beinhaltet, die von dem elektrischen An­ schluß (20) des Mikroprozessors (22) angesteuert ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter durch einen ersten Transistor (26) gebildet ist, dessen Kollektor über einen Widerstand (28) zum Hand­ schalter (14) und zum Verbraucher (10) führt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter durch einen zweiten Transistor (60) gebil­ det ist, in dessen Kollektorleitung eine Diode (64) liegt.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Widerstand ein Kalt­ leiter (66) ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter durch einen dritten Transistor (68) mit offenem Kollektor gebildet ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter durch einen Feldeffekttransistor in "Open-Drain-Be­ trieb" gebildet ist.