DE4313298A1 - Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit zwei Gruppen von Signalleitungen, mit Schaltmitteln, welche jeweils mit Signalleitungen der ersten Gruppe und Signalleitungen der zweiten Gruppe elektrisch verbunden sind und einer Steuereinrichtung, welche die Signalleitungen der ersten Gruppe in regelmäßiger Wiederholung nacheinander mit einem Abtastsignal beaufschlagt und die auf den Leitungen der zweiten Gruppe liegenden Signale einliest.

Derartige Schaltungsanordnungen beinhalten oftmals eine Vielzahl von Schaltmitteln, die insbesondere als matrixförmig angeordnete Tastenfelder ausgebildet sein können. Um den Schaltungsaufwand und besonders die Anzahl der Zuleitungen zu einem solchen Tastenfeld gering zu halten, ist es bekannt, daß eine Steuereinrichtung (beispielsweise als Mikroprozessor ausgeführt) das Tastenfeld abtastet ("abscannt").

Hierzu beaufschlagt die Steuereinrichtung wiederholt nacheinander alle Leitungen einer ersten Signalleitungsgruppe mit einem Abtastsignal. Bei Betätigung eines der Schaltmittel gelangt dieses Abtastsignal auf eine zur zweiten Gruppe gehörenden Signalleitung, welche auf einen Eingang der Steuereinrichtung geschaltet ist.

Aus der Kombination der aktuell mit einem Abtastsignal angesteuerten Signalleitung der ersten Gruppe und der das Abtastsignal führenden Signalleitung aus der zweiten Gruppe, erkennt die Steuereinrichtung ob und welches Schaltmittel gerade betätigt ist.

Daraufhin kann die Steuereinrichtung eine dem betätigten Schaltmittel zugeordnete Steuerungsfunktion ausführen.

Hierbei ergibt sich folgendes Problem:
Es ist nicht auszuschließen, daß durch eine Fehlfunktion (beispielsweise durch einen Hardwarefehler oder durch "Programmabsturz") der Steuereinrichtung eine Steuerfunktion ausgelöst wird, ohne daß diese durch die Betätigung eines Schaltmittels angefordert wurde.

Dieses kann, insbesondere wenn sicherheitskritische Anlagenteile, wie z. B. Bewegungen ausführender Aktuatoren, angesteuert werden, zu Schäden an Anlagenteilen, wenn nicht gar zu lebensgefährlichen Situationen führen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine derartige Schaltungsanordnung auf möglichst einfache und kostengünstige Weise derart aufzubauen, daß die Betätigung von angesteuerten Anlagenteilen in jedem Fall, das heißt besonders auch im Fehlerfall, von einer Betätigung eines Schaltmittels abhängig ist, wobei die so realisierte Sicherheitsfunktion unabhängig von der Steuereinrichtung wirken soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zu Erzeugung eines Freigabesignales vorgesehen ist und daß zu der Einrichtung erste Schaltungsteile gehören, welche die auf den Leitungen der zweiten Gruppe liegenden Signale miteinander logisch verknüpfen und die ein Betätigungssignal erzeugen, wenn zumindest auf einer der Leitungen der zweiten Gruppe das von der Steuereinrichtung abgegebene Abtastsignal vorliegt und daß zu der Einrichtung zweite Schaltungsteile gehören, welche beim Auftreten eines Betätigungssignales ein Freigabesignal erzeugen und die nach Wegfall des Betätigungssignales das Freigabesignal weiterhin für die Dauer eines vorgegebenen Zeitraumes abgeben.

Hierdurch kann auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine von der Steuereinrichtung unabhängige Sicherheitseinrichtung geschaffen werden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann dabei mit einem geringen Bauteileaufwand mittels gewöhnlicher Analogtechnik oder auch durch digitale Bausteine realisiert werden, wobei die Anzahl der benötigten Bauteile im letzten Fall sogar noch geringer ausfällt.

Von besonderem Vorteil gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen ist es, daß die erfindungsgemäße Einrichtung im Zusammenhang mit einem Feld von Schaltmitteln, welche durch eine Steuereinrichtung abgetastet werden, eingesetzt werden kann. Obwohl an den von der Steuereinrichtung eingelesenen Leitungen das bei einer Betätigung eines Schaltmittels weitergegebene Signal immer nur kurz anliegt, kann doch auf einfache Weise ein kontinuierliches Freigabesignal erzeugt werden, über welches im Fehlerfall eine schnelle und wirksame Abschaltung der angesteuerten Anlagenteile möglich ist. Um im Fehlerfall eine solche schnelle Abschaltung zu erreichen, wird man vorteilhafterweise die vorgegebene Zeit, für welche die Schaltungselemente das Betätigungssignal speichern, so wählen, daß sie in der Größenordnung eines Abtastzykluses liegt und vorzugsweise geringfügig länger ist, als die Dauer eines Abtastzykluses. Hierdurch wird das Freigabesignal zwar solange aufrechterhalten, bis die Steuereinrichtung die entsprechende Leitung erneut abfragt, andererseits ist aber im Fehlerfall eine ausreichend schnelle Abschaltung des Freigabesignals und damit des angesteuerten Relais möglich.

Vorteilhaft ist auch, daß die erfindungsgemäße Einrichtung vollkommen unabhängig von der Steuereinrichtung ausgeführt ist und funktioniert, so daß ein Fehler im Bereich der Steuereinrichtung nicht die Funktion der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung beeinträchtigt.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft in die mit den Eingängen der Steuereinrichtung verbundenen Leitungen Vorwiderstände einzufügen, die zusammen mit Pull-up-Widerständen verhindern, daß bei einem Hardwarefehler der Steuereinrichtung von der Steuereinrichtung aus ein Potential an die erfindungsgemäße Einrichtung gelangt, welches ungerechtfertigterweise ein Freigabesignal auslöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Figurenbeschreibung.

Im folgenden soll die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung anhand zweier vorteilhafter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Die beiden Figuren zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, wobei erfindungswesentliche Schaltungsteile in der Fig. 1 durch analoge Bauteile und in der Fig. 2 durch digitale Bauteile ausgeführt sind.

Die Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit 15 handbetätigbaren Tastschaltern (T, T24) in matrixförmiger Anordnung. Die Zuleitungen zu diesen Tastschaltern (T, T24) bilden zwei Gruppen von Signalleitungen aus, wobei die fünf zur ersten Gruppe gehörenden Signalleitungen im folgenden als Spaltenleitungen (S1, S2, S3, S4, S5) und die drei zur zweiten Gruppe gehörenden Signalleitungen im folgenden als Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) angesprochen werden sollen. Jeder der Tastschalter (T, T24) steht mit einer der drei Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) sowie mit einer der fünf Spaltenleitungen (S1, S2, S3, S4, S5) in Verbindung. So stellt beispielsweise eine Betätigung des mit T24 bezeichneten Tastschalters eine elektrische Verbindung zwischen der Spaltenleitung (4) und der Zeilenleitung (2) her.

Sowohl die Spaltenleitungen (S1, S2, S3, S4, S5) als auch die Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) sind mit einer Steuereinrichtung verbunden, die hier besonders einfach als Mikroprozessor (MP) ausgeführt ist. Die Spaltenleitungen (S1, S2, S3, S4, S5) liegen hierbei an Ausgängen des Mikroprozessors (MP), während die Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) über Vorwiderstände (RV) an Eingänge des Mikroprozessors (MP) angeschlossen sind. Alle Zeilenleitungen sind über Pull-up-Widerstände (RP) mit dem positiven Pol (U+) der Versorgungsspannung verbunden.

Die an den Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) anliegenden Signale werden, über die Dioden (D) entkoppelt, dem nichtinvertierenden Eingang (+) eines Operationsverstärkers (OP) zugeführt. Weiter ist der nichtinvertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers (OP) über ein RC-Glied (R, C) mit dem positiven Pol (U+) der Versorgungsspannung verbunden.

Der invertierende Eingang (-) des Operationsverstärkers (OP) liegt auf einem durch die Spannungsteileranordnung (R1, R2) vorgegebenen, relativ zur Versorgungsspannung mittleren Potential.

Der Ausgang des Operationsverstärkers (OP) steht über einen Treiberbaustein (TR), beispielsweise als Transistor ausgeführt, mit der Steuerspule eines Relais (HR) in Verbindung.

Dieses Relais (HR) kann beispielsweise als Hauptrelais über seine Relaiskontakte (HRK) die Spannungsversorgung von (nicht dargestellten) sicherheitskritischen Anlagenteilen, der durch die Schaltungsanordnung gesteuerten Anlage, ein- beziehungsweise abschalten.

Im folgenden soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung anhand der in der Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung näher erläutert werden.

Zur Abtastung der matrixförmig angeordneten Schaltmittel (T, T24) schaltet der Mikroprozessor (MP) die Spaltenleitungen (S1, S2, S3, S4, S5) in regelmäßiger Wiederholung nacheinander auf Massepotential. Wird nun beispielsweise der Tastschalter (T24) betätigt, so gelangt bei der Abtastung der zugehörigen Spaltenleitung (S4) das Massepotential auf die zugehörige Zeilenleitung (Z2), welche ansonsten über einen der Pull-up-Widerstände (RP) an positivem Potential liegt.

Aus der Kombination von auf Massepotential gelegter Spaltenleitung (S4) und der Massepotential führenden Zeilenleitung (Z2) erkennt der Mikroprozessor (MP) welcher oder welche Tastschalter (T24) gerade betätigt sind und führt dementsprechende Steuerfunktionen aus.

Die durch den Mikroprozessor angesteuerten, in der Figur nicht dargestellten Anlagenteile können, insbesondere wenn es sich dabei um Bewegungen ausführende Aktuatoren handelt, im Falle einer Fehlsteuerung Schäden oder gefährliche Situationen herbeiführen. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung (E) soll daher die Spannungsversorgung dieser Anlagenteile nur dann freigegeben werden, wenn wenigstens einer der Tastschalter (T, T24) betätigt ist, wobei die Freigabe, bzw. Nichtfreigabe unabhängig vom Mikroprozessor geschehen soll.

Hierzu liegt an jeder der Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) die Kathode jeweils einer Diode (D) an. Die Anoden der Dioden (D) sind miteinander verbunden, so daß die Diodenanordnung eine Oder-Verknüpfung (in negativer Logik) ausbildet.

Die Dioden (D) prüfen somit, ob an einer der Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) Massepotential anliegt. Ist dies der Fall, gelangt dieses an den nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (OP). Das Potential am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP), welcher über den Widerstand (R) an den positiven Pol der Versorgungsspannung (U+) geschaltet ist, verschiebt sich hierdurch zum negativen hin.

Da am invertierenden Eingang (-) ein mittleres Bezugspotential anliegt, kippt somit das Ausgangspotential des Operationsverstärkers (OP) ebenfalls vom positiven ins negative. Dieses negative Ausgangssignal stellt hierbei das Freigabesignal (FS) (active low) dar, welches über den Treiberbaustein (TR) das Hauptrelais (HR) betätigt, so daß dieses über die Hauptrelaiskontakte (HRK) die Versorgungsspannung für nicht dargestellte sicherheitskritische Anlagenteile freigibt.

Wesentlich für die Funktion dieser Schaltung ist, daß sobald durch eine Tastenbetätigung Massepotential an den nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (OP) gelangt, auch der Kondensator (C) aufgeladen wird. Hierdurch bleibt das am nichtinvertierenden Eingang liegende Massepotential (und damit auch das Freigabesignal (FS)) noch für eine Zeitlang erhalten, und zwar solange, bis sich der Kondensator (C) über dem ihm parallel liegenden Widerstand (R) soweit entladen hat, daß das am nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (OP) anliegenden Signal wieder das Bezugspotential am invertierenden Eingang (-) übersteigt.

Dieses ist wichtig, da auch bei einem dauerhaft betätigten Tastschalter (T, T24), bedingt durch das Abtasten der Spaltenleitungen (S1, S2, S3, S4, S5) das Massepotential an den Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) zwar wiederkehrend aber dabei immer nur kurzzeitig anliegt.

Der Kondensator (C) bewirkt also, daß das zur Erzeugung eines Freigabesignales (FS) nötige Eingangspotential (Betätigungssignal (BS)) wenigstens solange am nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (OP) anliegt, die der Mikroprozessor zum Abtasten aller Spaltenleitung benötigt. Damit kann auf einfache und wirkungsvolle Weise vermieden werden, daß die Ansteuerung des Relais (HR) trotz andauernder Tastenbetätigung immer wieder unterbrochen wird.

Vorteilhaft ist hierbei, daß das zur Relaisansteuerung verwendete Freigabesignal (FS) rein hardwaremäßig und ohne Beteiligung des Mikroprozessors (MP) erzeugt werden kann und dieses, obwohl zur Erzeugung nur ein pulsartiges Signal zur Verfügung steht.

Damit erhält man eine auf einfache Weise realisierte Sicherheitsfunktion, die Fehlsteuerungen insbesondere durch den Mikroprozessor unterbindet.

Zu diesem Zweck ist es ebenfalls vorteilhaft, in die Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) Vorwiderstände (RV) einzufügen.

Sollte nämlich durch einen Hardwarefehler des Mikroprozessors (MP) einer seiner Eingänge Massepotential auf eine der Zeilenleitungen geben, so bewirkt die dann aus Vorwiderstand (RV) und Pull-up-Widerstand (RP) gebildete Spannungsteileranordnung (RV, RP), daß das Potential an der Diode (D) nicht soweit absinkt, daß es zur Erzeugung eines Freigabesignals (FS) kommt, ohne daß eine Tastenbetätigung vorliegt.

Eine weitere, ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt die Fig. 2. Da Aufbau und Funktionsweise in wesentlichen Punkten mit der des in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispieles übereinstimmt, kann die nachfolgende Erläuterung kurzgehalten werden. Auch sind gleiche Gegenstände mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.

Der Unterschied des in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispieles zu dem in der Fig. 1 Gezeigten ist darin zu sehen, daß hier mehrere analoge Bauteile durch digitale Bauteile ersetzt worden sind. Dadurch werden hier zwar zwei relativ komplexe integrierte Bausteine benötigt, jedoch verringert sich der zur Verschaltung benötigte Aufwand beträchtlich.

Eines der digitalen Schaltungsteile besteht aus einem einfachen logischen Verknüpfungsbaustein (VB), welcher prüft, ob auf einer der Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) ein Signal anliegt, welches einer Tastenbetätigung entspricht und welcher, falls dieses der Fall ist, an seinem Ausgang ein dieses anzeigendes Betätigungssignal (BS) abgibt.

Je nach Art der verwendeten Logik ist der Verknüpfungsbaustein entweder ein Oder-Gatter (positive Logik) oder ein Und-Gatter (bei negativer Logik, wie in der Figur dargestellt). Das Und-Gatter erzeugt bei einer Tastenbetätigung ein L-Signal, welches einen nachgeschalteten nachtriggerbaren Univibrator (also einen Univibrator dessen Schaltzeit vom letzten Impuls einer Impulsfolge an gerechnet werden muß) ansteuert.

Da ein solcher Univibrator (UV) bei Betätigung eines Tastschalters (T, T24) mit jedem Abtastzyklus ein neues Triggersignal von dem Verknüpfungsbaustein (VB) erhält, erzeugt dieser dementsprechend ein Freigabesignal (FS) (in der Figur hier beispielhaft active low) solange eine Tastenbetätigung vorliegt. Nach Ende der Tastenbetätigung schaltet der retriggerbare Univibrator (UV) das Freigabesignal (FS) und damit das angesteuerte Relais (HR) mit Ablauf seiner internen Schaltzeit ab.

Bedingung ist natürlich auch hier (wie auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1), daß die Schaltzeit mindestens so groß ist, wie die Dauer eines Abtastzykluses der Spaltenleitungen (S1, S2, S3, S4, S5) durch den Mikroprozessor (MP).

Bezugszeichenliste

BS Betätigungssignal
C Kondensator
D Dioden
E Einrichtung
FS Freigabesignal
HR (Haupt-)Relais
HRK (Haupt-)Relaiskontakte
MP Steuereinrichtung (Microprozessor)
OP Operationsverstärker
R Widerstand
R1, R2 Widerstände
RP Pull-up-Widerstände
RV Vorwiderstände
S1, S2, S3, S4, S5 Erste Gruppe von Signalleitungen (Spaltenleitungen)
T, T24 Schaltmittel (Tastschalter)
TR Treiberbaustein (Transistor)
U+ positiver Pol der Versorgungsspannung
UV (nachtriggerbarer) Univibrator
VB Verknüpfungsbaustein
Z1, Z2, Z3 zweite Gruppe von Signalleitungen (Zeilenleitungen)

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung mit zwei Gruppen von Signalleitungen (S1, S2, S3, S4, S5; Z1, Z2, Z3), mit Schaltmitteln (T, T24), welche jeweils mit Signalleitungen der ersten Gruppe (S1, S2, S3, S4, S5) und Signalleitungen der zweiten Gruppe (Z1, Z2, Z3) elektrisch verbunden sind und einer Steuereinrichtung (MP), welche die Signalleitungen der ersten Gruppe S1, S2, S3, S4, S5) in regelmäßiger Wiederholung nacheinander mit einem Abtastsignal beaufschlagt und die auf den Leitungen der zweiten Gruppe (Z1, Z2, Z3) liegenden Signale einliest, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (E) zur Erzeugung eines Freigabesignales (FS) vorgesehen ist, daß zu der Einrichtung (E) erste Schaltungsteile (D, VB) gehören, welche die auf den Leitungen der zweiten Gruppe (Z1, Z2, Z3) liegenden Signale miteinander logisch verknüpfen und die ein Betätigungssignal (BS) erzeugen, wenn zumindest auf einer der Leitungen der zweiten Gruppe (Z1, Z2, Z3) das von der Steuereinrichtung (MP) abgegebene Abtastsignal vorliegt und daß zu der Einrichtung (E) zweite Schaltungsteile (OP, C, R, R1, R2, UV) gehören, welche beim Vorliegen eines Betätigungssignales (BS) ein Freigabesignal (FS) erzeugen und die nach Wegfall des Betätigungssignales (BS) das Freigabesignal (FS) weiterhin für die Dauer eines vorgegebenen Zeitraumes abgeben.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Freigabesignal (FS) ein Relais (HR) steuert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (HR) über seine Relaiskontakte (HRK) die Spannungsversorgung sicherheitskritischer Anlagenteile schaltet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (E) das Freigabesignal (FS) unabhängig von der Steuereinrichtung (MP) erzeugt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den zweiten Schaltungsteilen (OP, C, R, R1, R2, UV) wenigstens ein Schaltungselement (R, C, UV) gehört, welches das Betätigungssignal (BS) eine vorgegebene Zeit aufspeichert.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Schaltungselement als RC-Glied (R, C) ausgeführt ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Schaltungselement als nachtriggerbarer Univibrator (UV) ausgeführt ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeit etwa der Zeit entspricht, welche die Steuereinrichtung (MP) zur Abtastung aller Signalleitungen der ersten Gruppe (S1, S2, S3, S4, S5) benötigt.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Signalleitungen der zweiten Gruppe (Z1, Z2, Z3) vor den Eingängen der Steuereinrichtung (MP) Vorwiderstände (RV) eingefügt sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltmittel (T, T24) Tastschalter mit jeweils einem Schließerkontakt vorgesehen sind.