DE4035803A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur auswertung von analogen spannungssignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von analogen Spannungssignalen mit Hilfe einer Auswerte­ einrichtung, die einen Analog/Digigal-Wandler, eine Referenzspannungsquelle mit einer vorbestimmten Soll­ spannung und eine Recheneinrichtung aufweist, und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Analog/Digital-Wandler, einer Referenzspan­ nungsquelle und einer Recheneinrichtung, insbesondere zur Verwendung im Kraftfahrzeugbereich.

Für die Steuerung von Verbrennungsmotoren werden in zunehmendem Maße elektronische Steuergeräte verwendet, die eine Vielzahl von Eingangsgrößen verarbeiten müssen. Die Eingangsgrößen werden hierbei von Sensoren zur Ver­ fügung gestellt, die bestimmte Ein- und Ausgangsgrößen des Verbrennungsmotors ermitteln. Die Sensoren stellen ihre Information in der Regel in Form eines Spannungssig­ nals zur Verfügung. Hierbei gibt es verschiedene Sen­ soren, die als aktive Spannungsquelle wirken, d. h. sie stellen eine Spannung an ihrem Ausgang zur Verfügung, ohne selber fremdspannungsversorgt zu sein. Ihre Aus­ gangsspannung ist unabhängig von einer Vorsorgungsspan­ nung oder einer Bordnetzspannung. Beispiele für solche Sensoren sind eine Lambdasonde, ein Klopfsignalsensor, der ein Klopfsignal mit Hilfe eines Piezo-Elements er­ zeugt, oder ein Luftmassensensor, der die vom Verbren­ nungsmotor angesaugte Luftmasse ermittelt. Die Ausgangs­ spannung dieser Sensoren ist somit nicht mit der Spannung im Bordnetz des Kraftfahrzeugs korreliert.

In modernen Steuergeräten werden die Sensorausgangssig­ nale in der Regel digital verarbeitet, d. h. zur Auswer­ tung ist eine Analog/Digigal-Wandlung notwendig. Der dazu verwendete Analog/Digital-Wandler benötigt eine Referenzspannung, um seinen Wandlungsbereich festzule­ gen. Die Referenzspannung wird aus der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines Spannungsreglers, der an seinem Ausgang eine vorbestimmte Sollspannung erzeugen soll, zur Verfügung gestellt. Die Ausgangs­ spannung des Spannungsreglers muß dabei relativ genau sein. Abweichungen des Ist- vom Soll-Wert führen zu Fehlern im digitalen Ausgangssignal des Analog/Digi­ tal-Wandlers. Je nach der Ausgangskennlinie des betrach­ teten Sensors, d. h. den Zusammenhang zwischen der Ein­ gangsgröße des Sensors und seiner Ausgangsspannung, führen Fehler der Referenzspannung somit zu gleichen oder sogar größeren Fehlern in der Auswertung des Sensor­ signals. Wenn beispielsweise die Sensorkennlinie in bestimmten Abschnitten relativ steil ist, kann sich der durch eine Abweichung der Ist-Spannung von der Soll-Spannung der Referenzspannungsquelle ergebende Fehler leicht verdoppeln. Um diese Fehler zu reduzieren, kann man Spannungsregler mit einer sehr kleinen Toleranz, d. h. einer sehr großen Genauigkeit, verwenden. Eine andere Alternative sind abgleichbare Spannungsregler. Je größer die Genauigkeit eines Spannungsreglers ist, desto aufwendiger und teurer wird er. Ein Abgleichen kommt bei Produkten, die in Massen gefertigt werden sollen, aufgrund des hohen dafür notwendigen Aufwands praktisch nicht mehr in Betracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den durch die Referenzspannungsquelle bedingten Fehler auf preis­ werte Art und Weise zu reduzieren.

Dazu wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art in einem Initialisierungsabschnitt einmal ein Korrek­ turfaktor aus der Ist-Spannung und der Sollspannung der Referenzspannungsquelle gebildet und in allen auf den Initialisierungsabschnitt folgenden Verarbeitungs­ abschnitten das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wand­ lers mit dem Korrekturfaktor korrigiert.

Erfindungsgemäß wird also die Tatsache ausgenutzt, daß der durch die Referenzspannungsquelle, also dem Span­ nungsregler, erzeugte Fehler ein systematischer Fehler ist. Dieser Fehler kann auch systematisch korrigiert werden. Die von der Referenzspannungsquelle gelieferte Spannung bildet die Bezugsgröße des Analog/Digital-Wand­ lers. Wenn diese Größe verschoben wird, liefert der Analog/Digital-Wandler fehlerhafte Ausgangsdaten. Werden nun diese fehlerhaften Ausgangsdaten mit dem Korrektur­ faktor korrigiert, stehen der Verarbeitungseinrichtung wieder korrekte Eingangsdaten zur Verfügung.

Bevorzugterweise ist der Korrekturfaktor der Quotient aus Ist- und Soll-Spannung der Referenzspannungsquelle. Die Ist-Spannung läßt sich im Intitialisierungsabschnitt mit hoher Genauigkeit messen. Da in der Fertigung ein Spannungsmesser nur kurzzeitig benötigt wird, ein ein­ ziger Spannungsmesser also wiederholt eingesetzt werden kann, können hier durchaus Genauigkeiten von 0,1% oder besser erreicht werden. Für die Spannungsmessung kann beispielsweise ein Analogeingang verwendet werden, der über einen internen Widerstand mit der Referenzspannungs­ quelle verbunden ist. Ein derartiger Eingang steht in der Regel zur Verfügung. An ihm kann beispielsweise mit Hilfe eines durch einen NTC-Widerstand mit gebildeten Spannungsteilers im Betrieb eine Temperaturmessung durch­ geführt werden. Da der Spannungsmesser hochohmig arbei­ tet, läßt sich an diesem Eingang unmittelbar die Spannung der Referenzspannungsquelle ermitteln. Die Sollspannung ist bekannt. Sie liegt beispielsweise bei genau 5 V. Der Korrekturfaktor läßt sich durch eine einfache Quo­ tientenbildung ermitteln.

Dabei ist bevorzugt, daß der Ausgangswert des Analog/Di­ gital-Wandlers mit dem Korrekturfaktor multipliziert wird. Wenn die Ist-Spannung unterhalb der Sollspannung liegt, liefert der Analog/Digital-Wandler zu große Aus­ gangswerte. Durch Mulitplikation mit einem Korrektur­ faktor, der in diesem Fall kleiner eins ist, läßt sich dieser Fehler entsprechend korrigieren.

Bevorzugterweise wird der Korrekturfaktor in einem nicht flüchtigen Speicher abgespeichert. Er muß dann nicht mehr nach jeder Spannungsunterbrechung erneut eingegeben werden.

Mit Vorteil wird der Korrekturfaktor digital mit minde­ stens 10, insbesondere 16 Bit abgespeichert. Der Digita­ lisierungsfehler bleibt hierbei in der Größenordnung von 1 Promille oder weniger. Es kommt also durch die Verwendung eines digital gespeicherten Korrekturfaktors praktisch nicht zu zusätzlichen Fehlern. Die 16 Bit ergeben sich normalerweise aus der Architektur der ver­ wendeten Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einem 16-Bit-Mikroprozessor. Bei Verwendung eines 8-Bit-Prozes­ sors muß der Korrekturfaktor auf zwei Bytes verteilt werden.

Die Aufgabe wird auch durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, bei der eine Diagnose­ schnittstelle vorgesehen ist, die mit der Referenzspan­ nungsquelle verbunden ist, mit der eine externe Initiali­ sierungseinrichtung lösbar verbunden ist, die einen Korrekturfaktor aus dem Quotienten aus Ist- und Soll- Spannung der Referenzspannungsquelle bildet und in einen mit der Recheneinrichtung verbundenen nicht flüchtigen Speicher einspeist.

Über die Diagnoseschnittstelle läßt sich die Initiali­ sierungseinrichtung mit der Referenzspannungsquelle verbinden. Die Initialisierungseinrichtung kann mit hoher Genauigkeit die Ist-Spannung der Referenzspannungs­ quelle ermitteln, beispielsweise am oben beschriebenen Analogeingang. Die Sollspannung der Referenzspannungs­ quelle ist bekannt. Aus diesen beiden Werten ermittelt die Initialisierungseinrichtung den Korrekturfaktor und speist ihn in den nicht flüchtigen Speicher ein. Da der Speicher mit der Recheneinrichtung verbunden ist, steht der Korrekturfaktor der Recheneinrichtung für alle künftigen Berechnungen zur Verfügung. Die Re­ cheneinrichtung korrigiert den Ausgang des Analog/Digi­ tal-Wandlers, d. h. sie multipliziert den Ausgangswert des Analog/Digital-Wandlers mit dem Korrekturfaktor, bevor sie den so bereinigten Ausgangswert des Analog/Di­ gital-Wandlers nach außen abgibt oder für weitere Berech­ nungen verwendet. Die Diagnoseschnittstelle erlaubt sowohl eine analoge Informationsübertragung, beispiels­ weise für die Ausgangsspannung der Referenzspannungs­ quelle, als auch eine digitale Informationsübertragung, beispielsweise für den Korrekturfaktor. Die Übertragung kann über zwei verschiedene Strecken mit getrennten Kontakten erfolgen. Beide Streckenverbindungen werden unter dem Begriff "Diagnoseschnittstelle" zusammengefaßt, auch wenn sie räumlich voneinander entfernt sind und beispielsweise nicht im gleichen Steckergehäuse angeord­ net sind.

Bevorzugterweise ist der Eingang des Analog/Digital-Wand­ lers mit einem Sensor verbunden. Der Analog/Digital-Wand­ ler ist also das erste Glied in der Auswerteschaltung für die Ausgangssignale des Sensors.

Hierbei ist bevorzugt, daß der Sensor ein Lambdasonden­ sensor, ein Klopfsignalsensor oder ein Luftmassensignal­ sensor ist. Alle drei Sensoren haben Ausgangssignale, die lediglich von der zu ermittelnden Größe abhängen, nicht jedoch von der Spannung im Bordnetz oder anderen Größen, die auch die Spannung der Referenzspannungsquel­ le beeinflussen könnten. Die Ausgangssignale dieser Sensoren sind also ohne Bezug zu dem Ausgangssignal der Referenzspannungsquelle.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ermittelt der Analog/Digital-Wandler die Eingangsspannung einer Motorsteuerungseinrichtung. Die Schaltungsanordnung kann umfassend verwendet werden, d. h. sie kann zur Erfas­ sung der Parameter aller Betriebsbedingungen verwendet werden.

Hierbei ist bevorzugt, daß der Eingang des Analog/Digi­ tal-Wandlers mit der Versorgungsspannung eines Einspritz­ ventils und mit der Zündspule verbunden ist. Daraus läßt sich die Einspritzzeit und die Schließzeit der Zündung in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung korrigieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt die einzige Figur eine Schal­ tungsanordnung zur Auswertung von analogen Spannungsig­ nalen.

Eine Schaltungsanorndung 1 weist eine beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnete Fahrzeugschaltung 2 und eine über eine Schnittstelle 3, 3a mit der Fahrzeug­ schaltung 2 lösbar verbundene Initialisierungseinrichtung 4 auf, die nur in einer Fertigungs- oder Diagnoseanlage vorhanden sein muß.

Die Fahrzeugschaltung 2 weist einen Analog/Digital-Wand­ ler 5 auf, dessen Ausgang mit einer Recheneinrichtung 6, beispielsweise einem Mikroprozessor, verbunden ist. Der Ausgang der Recheneinrichtung 6 ist mit einer Steue­ rungs- oder Anzeigeeinrichtung 7 verbunden. Der Ana­ log/Digital-Wandler 5 und der Mikroprozessor 6 werden über eine Referenzspannungsquelle 8 versorgt, die wie­ derum über das Bordnetz des Kraftfahrzeugs mit einer Spannung U_B versorgt wird.

Die Referenzspannungsquelle 8 ist ein Bestandteil der Fahrzeugschaltung 2. Die Referenzspannungsquelle kann beispielsweise ein Spannungsregler sein, an dessen Aus­ gang eine konstante Spannung erzeugt wird, beispielsweise 5 V. Die Referenzspannung, d. h. die von der Referenz­ spannungsquelle 8 erzeugte Spannung, wird über eine Leitung 9 an die Recheneinrichtung 6 übertragen. Die Recheneinrichtung 6 gibt die Referenzspannung über eine weitere Busleitung 10 an den Analog/Digital-Wandler weiter. Unabhängig vom für die Analog/Digital-Wandlung verwendeten Verfahren ist die Referenzspannung eine der für das Ergebnis der Analog/Digital-Wandlung aus­ schlaggebenden Größe. Ein Fehler in der Referenzspan­ nung, d. h. eine Abweichung der Ist-Spannung von der Soll-Spannung führt zu einem entsprechenden Fehler am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 5. Um diesen Fehler zu kompensieren, wird das Ausgangssignal des Analog/Digi­ tal-Wandlers 5 in der Recheneinrichtung 6 mit einem Korrekturfaktor multipliziert, der in einem nicht flüch­ tigen Speicher 11, beispielsweise einem NV-RAM (Non Volatile Random Excess Memory), gespeichert ist. Der Korrekturfaktor im Speicher 11 wird in einem Initiali­ sierungsabschnitt dort eingespeichert. Zu diesem Zweck wird die Initialisierungseinrichtung 4 über die Schnitt­ stelle 3, 3a mit der Fahrzeugschaltung 2 verbunden. Sie ermittelt über einen Widerstand 20 und den Anschluß 3a der Schnittstelle 3, 3a die Ist-Spanung der Referenz­ spannungsquelle 8 und bildet den Quotienten aus der Ist-Spannung und der Soll-Spannung. Die beiden Anschlüsse 3 und 3a der Schnittstelle können räumlich voneinander entfernt sein. Sie können auch in verschiedenen Stecker­ oder Kontaktgehäusen angeordnet sein. Wenn die Ist-Span­ nung mit der Soll-Spannung der Referenzspannungsquelle übereinstimmt, ist der Korrekturfaktor gleich eins. Wenn die Ist-Spannung größer ist als die Sollspannung, ist der Korrekturfaktor größer als 1. Im umgekehrten Fall ist er kleiner als 1. Die Initialisierungseinrich­ tung 4 speist den ermittelten Korrekturfaktor über eine Leitung 17 in den Mikroprozessor 6 ein. Von dort wird er über eine Leitung 18 in den Speicher 11 übertragen. Dort steht er andauernd zur Verfügung, da er auch bei Spannungsunterbrechungen nicht gelöscht wird. Nach dem Initialisierungsabschnitt wird die Initialisierungsein­ richtung 4 von der Fahrzeugschaltung 2 getrennt, d. h. die durch die Schnittstelle 3, 3a gebildeten Anschlüsse werden gelöst. Eine einzelne Initialisierungseinrich­ tung 4 ist also für eine Vielzahl von Fahrzeugschaltungen verwendbar. Da sie praktisch lediglich Rechen- und Spei­ cheroperationen ausführen muß, läßt sich die Initiali­ sierungseinrichtung 4 auch bevorzugt durch eine elektro­ nische Recheneinrichtung, beispielsweise einen Mikro­ computer, realisieren. Dieser Mikrocomputer kann bei­ spielsweise am Ende des Fertigungsprozesses der Fahrzeug­ schaltung 2 automatisch eingesetzt werden, um den Kor­ rekturfaktor zu ermitteln und in dem Speicher 11 abzu­ speichern. Aufgrund der im Verhältnis zur Zahl der Fahr­ zeugschaltungen 2 geringen Zahl der benötigten Initia­ lisierungseinrichtungen 4 läßt sich ohne merkliche Kostensteigerung beim Aufbau der Initialisierungseinrich­ tung 4 ein erhöhter Aufwand betreiben. Beispielsweise können hochgenaue Spannungsmesser eingesetzt werden, die einen Fehler von 0,1% oder weniger haben. Die Ist-Spannung der Referenzspannungsquelle 8 läßt sich also mit hoher Genauigkeit ermitteln. Da die Soll-Span­ nung mit der gleichen hohen Genauigkeit bekannt ist, ist der Korrekturfaktor mit einem ausgesprochen geringen Fehler behaftet. Dieser Fehler wird auch durch die Digi­ talisierung und die nachfolgende Speicherung im Speicher 11 nicht nennenswert vergrößert, da hierbei mindestens 10, bevorzugterweise aber 16 Bit für die Abspeicherung des Korrekturfaktors verwendet werden. Der Fehler des Korrekturfaktors liegt also im Promillebereich. Dies ist gering im Verhältnis zum Fehler der Referenzspan­ nungsquelle, der üblicherweise bei ± 5% liegt.

Die Fahrzeugschaltung 2 wird bevorzugt im Zusammenhang mit der Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine verwen­ det. Mit Hilfe der Fahrzeugschaltung 2 lassen sich die für die Steuerung dieses Verbrennungsmotors notwendigen Parameter ermitteln, und zwar sowohl Ausgangs- als auch Eingangs- und Zustandsgrößen. Beispielsweise kann der Eingang des Analog/Digital-Wandlers mit dem Ausgang einer Lambdasonde 12 verbunden sein. Hierdurch ist eine Aussage über die Zusammensetzung der vom Motor erzeugten Abgase möglich. Weiterhin kann der Eingang des Analog/Di­ gital-Wandlers 5 mit einem Klopfsensor 13 verbunden sein. Der Klopfsensor 13 überwacht im weitesten Sinne den Ablauf der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs im Zylinder. Weiterhin ist eine Verbindung des Eingangs des Analog/Digital-Wandlers mit einem Luftmassensensor 14 möglich. Der Luftmassensensor ermittelt die vom Motor angesaugte Luft. Die Luftmasse läßt sich als Eingangs­ größe betrachten. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Versorgungsspannung U_B der Einspritzventile 15 und der Zündspule 16 über eine Leitung 19 an den Analog/Digi­ tal-Wandler 5 zu führen, um eine Korrektur der Einspritz­ zeit bzw. eine Korrektur der Schließzeit als Funktion von U_B durchzuführen. Je nach Verarbeitungsgeschwindig­ keit der Recheneinrichtung 6 und des Analog/Digital-Wand­ lers 5 können alle gezeigten Einrichtungen oder nur ein Teil davon mit dem Analog/Digital-Wandler verbun­ den werden. Die Verwendung des Verfahrens und der Schal­ tungsanordnung ist natürlich nicht auf die genannten Sensoren beschränkt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Auswertung von analogen Spannungssig­ nalen mit Hilfe einer Auswerteeinrichtung, die einen Analog/Digital-Wandler, eine Referenzspannungsquelle mit einer vorbestimmten Sollspannung und eine Rechen­ einrichtung aufweist, insbesondere zur Verwendung im Kraftfahrzeugbereich, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Initialisierungsabschnitt einmal ein Korrekturfaktor aus der Ist-Spannung und der Soll- Spannung der Referenzspannungsquelle gebildet wird und in allen auf den Initialisierungsabschnitt folgen­ den Verarbeitungsabschnitten das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers mit dem Korrekturfaktor korri­ giert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor der Quotient aus Ist- und Soll-Spannung der Referenzspannungsquelle ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ausgangswert des Analog/Digital-Wandlers mit dem Korrekturfaktor multipliziert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor in einem nicht flüchtigen Speicher abgespeichert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor digital mit mindestens 10, insbesondere 16 Bit abgespeichert wird.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Analog/Di­ gital-Wandler (5), einer Referenzspannungsquelle (8) und einer Recheneinrichtung (6), dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Diagnoseschnittstelle (3, 3a) vorgesehen ist, mit der eine externe Initialisierungs­ einrichtung (4) lösbar verbunden ist, die einen Kor­ rekturfaktor aus dem Quotienten aus Ist- und Soll- Spannung der Referenzspannungsquelle (8) bildet und in einem mit der Recheneinrichtung (6) verbundenen nicht flüchtigen Speicher (11) einspeist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Diagnoseschnittstelle (3, 3a) über einen Widerstand (20) mit der Referenzspannungsquelle (8) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Analog/Digi­ tal-Wandlers (5) mit einem Sensor (12, 13, 14) verbun­ den ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor ein Lambdasondensensor (12), ein Klopfsignalsensor (13) oder ein Luftmassensignal­ sensor (14) ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandler die Eingangsspannung einer Motorsteuerungseinrichtung (15, 16) ermittelt.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Eingang des Analog/Digital-Wand­ lers mit der Versorgungsspannung eines Einspritz­ ventils (15) und mit der Zündspule (16) verbunden ist.