DE4138015A1 - Schaltungsanordnung zur ueberwachung des programmablaufs eines mikrorechners - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Mikrorechner, die dessen Programmablauf überwacht und bei gestörtem Programmablauf den Mikrorechner zurücksetzt oder abschaltet.

Mikrorechner werden in der Steuerungs- und/oder Regelungstechnik eingesetzt. Beispielsweise dienen sie zum Regeln von Universalmotoren, beispielsweise von Waschmaschinen, Wäschetrocknern, Spülmaschinen. Wenn solche Mikrorechner in einen gestörten Programmablauf fallen, was durch externe Einflüsse gelegentlich geschieht, gibt der Mikrorechner an das von ihm gesteuerte Gerät solange falsche Befehle, bis er zurückgesetzt oder abgeschaltet wird. Arbeitet der Mikrorechner längere Zeit mit einem gestörten Programmablauf, dann können dadurch an dem Gerät, beispielsweise an einer Waschmaschine, Schäden entstehen. Im übrigen arbeitet bei einem gestörten Programmablauf das Gerät nicht in der vorgesehenen Weise.

Es sind Mikrorechner, beispielsweise pic 16C54, bekannt, die sich selbst auf den richtigen Programmablauf überwachen und sich bei einem gestörten Programmablauf von selbst zurücksetzen. Solche Mikrorechner-Bauelemente sind teuer.

Es ist auch bekannt, Mikrorechner ohne integrierte Programmablauf-Überwachung (Watchdog) durch einen zusätzlichen integrierten Schaltkreis zu überwachen. Solche Schaltkreise sind teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die baulich einfach ist und dennoch einen gestörten Programmablauf sicher erfaßt.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die Synchronschaltung belegt nur einen Eingang des Mikrorechners. Die Auswerteschaltung belegt nur einen Ausgang des Mikrorechners. Die Synchronschaltung und die Auswerteschaltung lassen sich einfach aufbauen, da die Synchronschaltung im Prinzip lediglich die Netzfrequenz erfaßt und die Auswerteschaltung ein gegenüber den Rechteckimpulsen der Synchronschaltung in den Flanken verschobenes Ausgangssignal und die Rechteckimpulse verarbeiten muß.

Die Schaltungsanordnung ist betriebssicher, da sie die verschiedensten gestörten Programmabläufe erkennt. Durch ihr RC-Glied ist gewährleistet, daß auch dauernde, statische, Ausgangssignale, die ebenfalls auf einen gestörten Programmablauf hinweisen, einfach erfaßt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Überwachung des Programmablaufs eines Mikrorechners mit Netzteil und Mikrorechner und

Fig. 2 Signaldiagramme der Schaltungsanordnung.

Am Wechselstromnetz (1, 1′) liegt ein Netzteil (2), an dessen Ausgang (3) eine Gleichspannung von beispielsweise +5 V anliegt.

Das Netzteil (2) ist ein geschaltetes Netzteil (2) mit Gleichrichterdiode (D1), Widerstand (R1), Siebkondensator (C1), Längstransistor (T1) und Zenerdiode (Z), wobei der Transistor (T1) über einen Widerstand (R2) von einem Schalttransistor (T2) schaltbar ist. Ein solches Netzteil ist an sich bekannt. Es könnte auch ein anderes Netzteil verwendet werden.

Ein Mikrorechner (4) ist mit seinem Speisespannungseingang (V_DD) und über einen Widerstand (R2) mit seinem Reset-Eingang (R) an den Ausgang (3) des Netzteils (2) gelegt. Sein anderer Speisespannungseingang (V_SS) liegt am Netzpol (1′). Der Mikrorechner (4) ist beispielsweise ein Typ Valvo PCF84C12.

Ein Taktoszillator (5) erzeugt die Taktfrequenz für den Mikrorechner (4). An Eingänge des Mikrorechners (4) sind durch einen Block (6) symbolisierte Eingabedaten gelegt. Der Mikrorechner (4) erzeugt an Ausgängen durch einen Block (7) symbolisierte Ausgabedaten zur Steuerung des Geräts, für das er vorgesehen ist.

Der Mikrorechner (4) weist einen weiteren Eingang (8) und einen weiteren Ausgang (9) auf. An den Eingang (8) ist eine Synchronschaltung (10) angeschlossen. Am Ausgang (9) liegt eine Auswerteschaltung (11). Die Synchronschaltung (10) und die Auswerteschaltung (11) bilden gemeinsam die Schaltungsanordnung zur Überwachung des Programmablaufs des Mikrorechners (4).

Die Synchronschaltung (10) weist einen Transistor (T3) auf. Dessen Basis liegt an einer Diode (D2) und über einen Widerstand (R3) an der Phase (1) des Wechselstromnetzes. Der Kollektor des Transistors (T3) ist an den Eingang (8) gelegt und liegt über einen Widerstand (R4) am Ausgang (3) des Netzteils (2). Dadurch entsteht am Kollektor des Transistors (T3) bzw. am Eingang (8) das in Fig. 2a gezeigte Synchronsignal (U_S). Bei diesem tritt während jeder negativen Halbwelle der Netzspannung (U_N) ein Rechteckimpuls mit H-Potential auf, wogegen während der positiven Halbwellen L-Potential vorliegt. Der Rechteckimpuls beginnt und endet in den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung (U_N).

Die Auswerteschaltung (11) weist ein RC-Differenzierglied aus einem Widerstand (R5), einem Kondensator (C2) und einem Widerstand (R6) in Reihenschaltung auf. Der Widerstand (R5) liegt am Ausgang (9). Der Widerstand (R6) ist an die Basis eines Schalttransistors (T4) angeschlossen. Zwischen dem Kondensator (C2) und dem Widerstand (R6) ist eine Diode (D3) gegen den Netzpol (1′) geschaltet. An der Basis des Transistors (T4) liegt außerdem über einen Widerstand (R7) der Kollektor des Transistors (T3). Der Kollektor des Transistors (T4) ist über einen Widerstand (R8) mit dem Ausgang (3) des Netzteils (2) verbunden. An dem Kollektor des Transistors (T4) entsteht das Überwachungssignal (U_K).

Im Ausführungsbeispiel ist an den Kollektor des Transistors (T4) ein Inverter-Transistor (T5) mit seiner Basis angeschlossen. Seine Kollektor-Emitterstrecke liegt zwischen dem Ausgang (3) des Netzteils (2) und dem Netzpol (1′).

Der Mikrorechner (4) ist von seinem Programm so gesteuert, daß an seinem Ausgang (9) bei ungestörtem Programmablauf ein Ausgangssignal (U_W) auftritt, wie es in Fig. 2b gezeigt ist. Dieses Ausgangssignal (U_W) hat eine von H-Potential auf L-Potential abfallende Impulsflanke, beispielsweise 1 ms nach dem Beginn des Rechteckimpulses des Synchronsignals (U_S). Es hat eine von L-Potential auf H-Potential ansteigende Flanke vor dem Ende des Rechteckimpulses des Synchronsignals (U_S), beispielsweise liegt diese ansteigende Impulsflanke 9 ms nach dem Beginn des Rechteckimpulses (U_S), also 1 ms vor dem Ende des Rechteckimpulses. Nach der ansteigenden Impulsflanke bleibt das Ausgangssignal (U_W) für beispielsweise 12 ms auf H-Potential und fällt dann wieder auf L-Potential, was also etwa 1 ms nach dem Beginn des zweiten Rechteckimpulses geschieht.

Die Entladezeitkonstante des RC-Gliedes, speziell des Kondensators (C2) und des Widerstands (R6), das sich über den Transistor (T4) entladen kann, ist größer als 10 ms, vorzugsweise auch größer als 100 ms, um kurzzeitige Ausfälle der Netzwechselspannung zu überbrücken, die sonst zu einem Ansprechen der Schaltung führen könnten. Bei einer H-L-Flanke am Ausgang (9) vom Mikrorechner (4) entlädt sich der Kondensator (C2) direkt über die in Flußrichtung liegende Diode (D3). U_D ist somit nach der H-L-Flanke von Ausgang (9) sofort definiert -0,7 V. Damit wird erreicht, daß die Auswerteschaltung (11) nach einer H-L-Fanke keine undefinierte Totzeit für die nachfolgende L-H-Flanke hat.

Das über das RC-Glied (R5, C2, R6) ausgekoppelte bzw. differenzierte, an der Basis des Transistors (T4) anliegende Signal (U_D) weicht aufgrund der langen Zeitkonstante in dem kurzen Zeitraum von 12 ms somit nicht wesentlich vom Ausgangssignal (U_w) ab.

Die Funktionsweise der Schaltung ist etwa folgende:

Bei ungestörtem Programmablauf liegen an der Basis des Transistors (T4) das Synchronsignal (U_S) (Fig. 1a) und das Ausgangssignal (U_W), speziell das Signal (U_D). Es liegt also immer an der Basis des Transistors (T4) entweder vom Synchronsignal (U_S) und/oder vom Ausgangssignal (U_W) H-Potential. Der Transistor (T4) ist also bei ungestörtem Programmablauf ständig leitend. Er arbeitet dabei in ODER-Funktion. Bei leitendem Transistor (T4) liegt das Überwachungssignal (U_K) ständig auf L-Pegel. Dementsprechend ist der Transistor (T5) gesperrt, so daß der Mikrorechner (4) weder zurückgesetzt noch abgeschaltet wird.

Liegt dagegen ein in der Weise gestörter Programmablauf vor, daß das Ausgangssignal (U_W) am Ausgang (9) ständig auf L-Potential liegt, wie dies die Linie I in Fig. 2d zeigt, dann entlädt sich der Kondensator (C2) mit der Entladezeitkonstante über den Widerstand (R6) und den Transistor (T4), so daß nach dem Ablauf der Zeitkonstanten das Signal (U_D) an der Basis des Transistors(T4) dauerhaft auf L-Potential geht. Während der Impulspausen des Synchronsignals (U_S) bzw. der positiven Netz- Halbwellen wird der Transistor (T4) dann gesperrt, so daß das Überwachungssignal (U_K) während der positiven Halbwellen auf L-Pegel geht, wie dies in Fig. 2f gezeigt ist. Der Invertertransistor (T5) wird dadurch leitend und schließt das Netzteil (2) während der positiven Halbwellen kurz. Dadurch wird der Mikrorechner (4) abgeschaltet und zurückgesetzt, wonach dann ein neuer Programmablauf des Mikrorechners (4) beginnt.

Liegt in einem anderen Fall ein in der Weise gestörter Programmablauf vor, daß das Ausgangssignal (U_W) statisch ständig auf L-Potential liegt, wie dies die Linie II in Fig. 2d zeigt, dann wird ebenfalls während der Impulspausen zwischen den Rechteckimpulsen des Synchronsignals (U_S), also während der positiven Halbwellen der Transistor (T4) leitend, wobei wieder das in Fig. 2f dargestellte Überwachungssignal (U_K) entsteht, das den Mikrorechner (4) zurücksetzt oder abschaltet.

Dieser Fall unterscheidet sich vom vorher beschriebenen nur dadurch, daß der H-Pegel des Überwachungssignals (U_K) bereits bei der ersten positiven Halbwelle auftritt, wogegen er im zuerst beschriebenen Fall erst bei der ersten positiven Halbwelle nach Verstreichen der Entladezeitkonstanten auftritt.

In einem weiteren Störungsfall ist es möglich, daß das Ausgangssignal (U_W) invertiert zum Ausgangssignal (U_W) nach Fig. 2b auftritt. Das invertierte Ausgangssignal (U_W) ist in Fig. 2e gezeigt. In diesem Fall liegen während der positiven Halbwellen sowohl das Synchronsignal (U_S) (vgl. Fig. 2a) als auch das Ausgangssignal (U_W) (vgl. Fig. 2e) auf L-Potential. Dadurch sperrt der Transistor (T4) und es ergibt sich wieder die in Fig. 2f gezeigte Form des Überwachungssignals (U_K), so daß auch in diesem Fall der Mikrorechner (4) zurückgesetzt und/oder gesperrt wird. Bei einem weiteren gestörten Programmablauf tritt das Ausgangssignal (U_W) mit gegenüber Fig. 2b falscher Frequenz auf. Ein solches störungsbedingtes Ausgangssignal (U_W) ist in Fig. 2g gezeigt. Auch bei diesem Ausgangssignal (U_W) ergibt sich, daß während der positiven Halbwellen der Transistor (T4) weder von dem Synchronsignal (U_S) noch von dem Ausgangssignal (U_W) durchgesteuert ist, so daß er sperrt, also das Überwachungssignal (U_K) gegebenenfalls mehrfach auf H-Potential geht. Dies ist in Fig. 2h gezeigt. Jedesmal wenn das Überwachungssignal (U_K) auf H-Potential geht, wird der Transistor (T5) leitend und führt zu einem Abschalten und Zurücksetzen des Mikrorechners (4).

Zusammenfassend ist also festzuhalten, daß es trotz des einfachen Aufbaus der Synchronschaltung (10) und der Auswerteschaltung (11) möglich ist, Störungen des Programmablaufs zu erfassen, die zu einem statischen H-Pegel oder einem statischen L-Pegel (vgl. Fig. 2d, I und II) oder zu einem Ausgangssignal (U_W) falscher Phasenlase (vgl. Fig. 2e), oder zu einem Ausgangssignal (U_W) falscher Frequenz (vgl. Fig. 2g) führen.

In dem Ausführungsbeispiel sind die Abläufe anhand einer Logikart, d. h. Verhältnissen zwischen H- und L-Pegeln und Durchschaltung der Transistoren beschrieben. Die erfindungsgemäße Schaltung kann auch in umgekehrter Logik realisiert werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, daß der Invertertransistor (T5) an L-aktiven Reset-Eingang (R) des Mikrorechners (4) ansteuert. Es wäre auch möglich, das Überwachungssignal (U_W) direkt auf einen H-aktiven Reset-Eingang des Mikrorechners (4) zu legen.

Anstelle der Transistoren (T3, T4 und T5) könnte auch ein Komparator oder ein Operationsverstärker verwendet werden.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung für einen Mikrorechner, die dessen Programmablauf überwacht und bei gestörtem Programmablauf den Mikrorechner zurücksetzt oder abschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Synchronschaltung (10) an einen Mikrorechner-Eingang (8) gelegt ist, die während jeder der Netzhalbwellen der einen Polarität einen netzsynchronen Rechteckimpuls (U_S) erzeugt, daß eine Auswerteschaltung (11) an einem Mikrorechner-Ausgang (9) liegt und an diesem über ein RC-Glied (R5, C2, R6) ein Ausgangssignal (U_W) auskoppelt, das bei ungestörtem Programmablauf nach Beginn jedes der netzsynchronen Rechteckimpulse (U_S) von einem ersten Potentia (H) auf ein zweites Potential (L) und vor dem Ende jedes Rechteckimpulses vom zweiten Potentia (L) auf das erste Potential (H) gesetzt wird, daß an die Auswerteschaltung (11) auch die netzsynchronen Rechteckimpulse (U_S) gelegt sind und die Auswerteschaltung (11) die netzsynchronen Rechteckimpulse (U_S) und das über das RC-Glied (R5, C2, R6) ausgekoppelte Ausgangssignal (U_D) verknüpft, wobei die Auswerteschaltung (11) bei ungestörtem Programmablauf den Mikrorechner (4) weder zurücksetzt noch abschaltet und bei gestörtem Programmablauf den Mikrorechner (4) zurücksetzt und/oder abschaltet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (11) in ODER-Funktion die netzsynchronen Rechteckimpulse (U_S) und das über das RC-Glied (R5, C2, R6) ausgekoppelte Ausgangssignal (U_D) verarbeitet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladezeitkonstante des RC-Gliedes (R5, C2, R6) bei 50 Hz größer als 10 ms ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladezeitkonstante des RC-Gliedes (R5, C2, R6) größer als 100 ms ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne zwischen dem Beginn des Rechteckimpulses (U_S) und dem Umschalten des Ausgangssignals (U_W) vom ersten Potential auf das zweite Potential und die Zeitspanne zwischen dem Umschalten des Ausgangssignals (U_W) vom zweiten Potential auf das erste Potential und dem Ende des Rechteckimpulses (U_S) jeweils etwa 1 ms beträgt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronschaltung (10) einen Transistor (T3) aufweist, an dessen Basis die Netzwechselspannung liegt und der den Eingang (8) des Mikrorechners (4) und die Auswerteschaltung (11) ansteuert.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung (11) das RC-Glied (R5, C2, R6) an der Basis eines Transistors (T4) liegt, an den auch das Synchronsignal (U_S) der Synchronschaltung (10) gelegt ist, wobei am Transistor (T4) ausgangsseitig das Überwachungssignal (U_K) abgegriffen wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachungssignal (U_K) über einen Inverter-Transistor (T5) zum Zurücksetzen und/oder Abschalten des Mikrorechners (4) verarbeitet wird.