DE4446314A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Überwachung der Funktion einer programmgesteuerten Schaltung - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Überwachung der Funktion einer programmgesteuerten SchaltungInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Überwachung
der ordnungsgemäßen Funktion einer programmgesteuerten
elektronischen Schaltung, z. B. eines Microprozessors,
Microcomputers, Microcontrollers oder dergl., bei dem im
Arbeitstakt Datenverarbeitungsergebnisse mit unabhängig von
der zu überwachenden Schaltung und unabhängig von dem
Programmlauf in einer Überwachungsschaltung erzeugten Daten
auf teilweise oder vollständige Übereinstimmung überprüft
werden und bei dem beim Auftreten von Abweichungen, die auf
eine Fehlfunktion hinweisen, ein Fehlersignal oder
Abschaltsignal erzeugt wird. Schaltungsanordnungen zur
Durchführung des Verfahrens gehören ebenfalls zur Erfindung.
Die ordnungsgemäße Arbeitsweise von Microcomputern und
anderen programmgesteuerten elektronischen Schaltungen muß
bekanntlich insbesondere dann überwacht werden, wenn die
Schaltungen für sicherheitskritische Regelungssysteme
eingesetzt werden. Ein Beispiel für eine sicherheitskritische
Anwendung ist der regelnde Eingriff in die Bremsanlage eines
Kraftfahrzeuges, wie er beispielsweise zur Blockier
schutzregelung, Antriebsschlupfregelung,
Fahrstabilitätsregelung usw. erforderlich ist. Beim Erkennen
einer Fehlfunktion der Elektronik wird bei bekannten Bremsan
lagen die elektronische Regelung abgeschaltet, damit
zumindest die Bremsenfunktion - wenn auch ohne Blockier
schutzregelung - erhalten bleibt. Es ist auch bekannt, bei
bestimmten Fehlern die Regelung nur teilweise stillzulegen,
verzögert abzuschalten oder auf andere Weise in einen un
gefährlicheren Zustand umzuschalten.
Für solche Überwachungsmaßnahmen ist es wesentlich, daß die
Fehlfunktion schnell und mit hoher Zuverlässigkeit erkannt
wird. Um dies zu erreichen, werden bei der Regelschaltung,
die aus der DE 32 34 637 C2 (P 5248) bekannt ist, die mit
Radsensoren gewonnenen Eingangsdaten in zwei parallelen, von
einander unabhängigen, identisch aufgebauten und identisch
programmierten Microcontrollern verarbeitet. Die Ausgangssi
gnale der beiden Microcontroller werden dann auf Übereinstim
mung überprüft. Treten Abweichungen auf, was auf eine
Fehlfunktion hinweist, wird die elektronische Regelung
abgeschaltet und dadurch die Bremsenfunktion sichergestellt.
Diese bekannte Regelschaltung beruht also auf einer redun
danten Signalverarbeitung in zwei kompletten programmge
steuerten Schaltungen, wobei die Redundanz allein dem Zweck
dient, auftretende Fehler mit hoher Zuverlässigkeit zu
erkennen, um in diesem Falle die Regelung ausschalten zu kön
nen. Die Ausschaltmechanismen selbst sind ebenfalls
weitgehend redundant aufgebaut. Aus Sicherheitsgründen wird
also ein erheblicher Aufwand in Kauf genommen.
Eine andere bekannte Schaltungsanordnung, die in der DE
41 37 124 A1 (P 7255) beschrieben ist, sieht vor, die Sensor- bzw.
Eingangssignale in zwei parallelen Microcontrollern zu
verarbeiten, von denen jedoch nur einer die vollständige,
aufwendige Signalverarbeitung ausführt. Der zweite
Schaltkreis dient vornehmlich zur Überwachung, weshalb die
Eingangssignale nach Aufbereitung und Bildung von Ableitungen
mit Hilfe vereinfachter Regelalgorithmen und vereinfachter
Regelphilosophie weiterverarbeitet werden. Im Vergleich zu
der zuvor genannten bekannten Schaltung wird durch die
vereinfachte Bearbeitung in dem Überwachungs-Microcontroller
eine Aufwandverringerung erreicht.
Grundsätzlich wäre es heutzutage auch möglich, mehrere
komplette Schaltungssysteme, z. B. zwei Microcomputer, auf
einem einzigen Chip unterzubringen, beide mit den gleichen
Eingangsinformationen zu versorgen und zur Überwachung der
ordnungsgemäßen Funktion die Datenverarbeitungsergebnisse der
verschiedenen Schaltungssysteme miteinander zu vergleichen.
Bei einem solchen Aufbau der elektronischen Schaltung läßt
sich jedoch nicht mit ausreichend hoher Sicherheit
ausschließen, daß aufgrund eines Schaltungsfehlers auch dann
ein korrektes Überwachungssignal (Watchdog-Signal) entsteht,
wenn die Datenverarbeitungsergebnisse beider Schaltungs
systeme nicht übereinstimmen bzw. ein Schaltungssystem
fehlerhaft ist.
Eine "Ein-Prozessor-Lösung", also die Beschränkung auf eine
einzige programmgesteuerte Schaltung mit einer
Überwachungsschaltung der herkömmlichen Art, läßt erst recht
kein ausreichend sicheres Erkennen von Fehlfunktionen
erwarten.
Ferner ist aus der DE 40 04 782 A1 (P 6892) bereits ein ABS
mit zwei Microcontrollern bekannt, die beide jeweils ein
Überwachungssignal erzeugen, das ein Wechselsignal mit
vorgegebener Frequenz und vorgegebenem Verlauf darstellt. Ein
Sicherheitsschaltkreis vergleicht die Wechselsignale mit
einer Zeitnormalen, die von einem Taktgeber abgeleitet ist,
der von dem Arbeitstakt der Microcontroller unabhängig ist.
Eine Veränderung des Wechselsignals führt, ebenso wie ein
Ausfall der Zeitnormalen, zur Abschaltung der Blockierschutz
regelung; fallen die Pulse aus dem vorgegebenen Zeitfenster,
wird die Regelung abgeschaltet. Auch diese bekannte Schal
tungsanordnung beruht auf der Verwendung von zwei redundant
arbeitenden Microcontrollern.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art zu entwickeln, das auch bei Be
schränkung auf eine einzige programmgesteuerte Schaltung in
Verbindung mit einer Überwachungsschaltung eine Fehlfunktion
mit hoher Sicherheit und Zuverlässigkeit erkennen läßt, so
daß ein Fehlersignal erzeugt werden kann, welches das System
in einen für die Sicherheit unkritischen Zustand umschaltet
oder, z. B. die Regelung einer Bremsanlage abschaltet.
Es hat sich herausgestellt, daß diese Aufgabe mit dem im
Anspruch 1 beschriebenen Verfahren gelöst werden kann. Das
Besondere des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht also
darin, daß im Programmlauf der zu überwachenden Schaltung
Datenworte erzeugt und zu vorgegebenen Zeitpunkten zu der
Überwachungsschaltung übertragen werden und daß mit Hilfe der
Überwachungsschaltung der Inhalt der Datenworte sowie der
Zeitpunkt des Auftretens der Datenworte mit Vorgaben, d. h.
vorgegebenen Datenworten und vorgegebenem Zeitrahmen,
verglichen werden.
Nach einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der
Erfindung ergeben die im Programmlauf der zu überwachenden
Schaltung erzeugten Datenworte eine vorgegebene Wortfolge,
d. h. eine bestimmte Folge vorgegebener Worte, die mit Hilfe
der Überwachungsschaltung auf Übereinstimmung mit einer
entsprechenden Vorgabe bzw. einer entsprechenden Wortfolge
verglichen wird.
Erfindungsgemäß wird also anstelle der Überwachung eines ein
fachen "Watchdog"-Signals, nämlich eines im Arbeitstakt
erzeugten Pulses, im Programmlauf bzw. Programmablauf ein
definiertes Datenwort erzeugt, das inhaltlich und zeitlich
mit einer Vorgabe übereinstimmen muß. Der
Überwachungsschaltkreis überprüft nicht nur den Inhalt des im
Programmlauf erzeugten Datenwortes, sondern auch den Zeit
punkt des Auftretens diesen Datenwortes. Es wird also sowohl
das Zeitverhalten des Überwachungssignals überprüft als auch
durch Auswertung des Datenwortes oder Datenwortfolge eine
weitergehende Beurteilung der Funktion des Microcontrollers
bzw. der zu überwachenden Schaltung ermöglicht.
Die vorgegebenen Wort folgen werden dabei in der zu
überwachenden Schaltung und in der Überwachungsschaltung
zweckmäßigerweise nach unterschiedlichen Algorithmen
gebildet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsart der Erfindung be
steht darin, daß die Überwachungsschaltung die Datenworte,
mit denen die in der zu überwachenden Schaltung gebildeten
Datenworte verglichen werden, einem Speicher entnimmt.
In den Unteransprüchen sind noch weitere vorteilhafte Ausfüh
rungsarten des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
der Erfindung umfaßt eine programmgesteuerte Schaltung sowie
eine Überwachungsschaltung. Eine im Programmlauf oder -ablauf
von der zu überwachenden Schaltung nach einem vorgegebenen
Algorithmus erzeugte Datenwortfolge wird bei dieser Schaltung
im Arbeitstakt zur Überwachungsschaltung übertragen, die
einen Vergleicher enthält, der die übertragene Datenwortfolge
nach Inhalt und zeitlichem Auftreten auf Übereinstimmung mit
einer vorgegebenen, z. B. abgespeicherten Datenwortfolge
vergleicht und ein Fehlererkennungs- und Schaltsignal hervor
ruft, wenn die übertragene Datenwortfolge von der vorgegebene
Folge abweicht. Eine solche Schaltungsanordnung ist z. B. für
eine Bremsanlage mit elektronischer Regelung geeignet, bei
der der zu überwachende Schaltkreis in Form eines Ein-Chip-Microcontrollers
ausgebildet ist, der zur Auswertung der mit
Hilfe von Radsensoren gemessenen Eingangssignale und zur
Erzeugung von Bremsdrucksteuersignalen dient.
Weitere Details der Erfindung gehen aus der folgenden Be
schreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten
Darstellungen hervor.
Es zeigen
Fig. 1 ein Flow-Chart zur Erläuterung der prinzipiellen
Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 in schematisch vereinfachter Darstellung ein Ausfüh
rungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der
Erfindung.
In Fig. 1 sind links in Form eines Flow-Charts oder Programm
ablaufplans einige Operationen 2 bis 5 dargestellt, die hier
zur Berechnung einer bestimmten Datenwortfolge dienen, die
für das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren benötigt wird.
Die Operationen 2 bis 5 sind als Schritte eines Unterpro
gramms aufzufassen, die von der zu überwachenden programm
gesteuerten Schaltung jeweils über ein Startsignal "Reset" 1
ausgelöst werden. Nach einer Rechenoperation 2 auf Basis
eines Algorithmus A₁ wird in dem Schritt 3 ein Wort W₁ gebil
det und in dem Schritt 4 nach einer definierten Zeit T₁
weitergeleitet. Daran schließt sich im Schritt 5 eine
Übertragung des Wortes W₁ zum vorgegebenen Zeitpunkt zu einer
Überwachungsschaltung an. Die Wortübertragung ist durch einen
Pfeil 6 symbolisiert. Das Unterprogramm mit den Schritten 2
bis 5 wird nun, da es sich um eine geschlossene Schleife
handelt, wiederholt.
Die Überwachungsschaltung wird über ein "Reset" 7 gestartet.
Nach dem Einschalten (8) wird in dem Schritt 9 eine
Rechenoperation mit dem Algorithmus A₂ durchgeführt, worauf
(10) ein Datenwort W₂ gebildet wird, das nach einer
definierten Zeit T₂ (11) in einer Operation 12 mit dem
übertragenen Wort W₁ verglichen wird. Stimmt das übertragene
Wort W₁ mit dem in der Überwachungsschaltung ermittelten Wort
W₂ überein und ist auch die Zeitbedingung T₁ = T₂ erfüllt,
wird die Überwachungsprozedur fortgesetzt werden. Werden
dagegen im Schritt 12 und/oder im Schritt 13 Abweichungen
festgestellt, hat dies - symbolisiert durch die Operation 14,
ein Abschalten der Regelung zur Folge.
Die Startsignale "Reset" 1 und "Reset" 2 werden durch das
gleiche Ereignis, beispielsweise durch Einschalten der Zün
dung eines Kraftfahrzeug-Motors ausgelöst. Bei geeignetem
Algorithmus ist dann keine weitere Synchronisation der zu
überwachenden Schaltung, die die Operationen 1 bis 5 aus
führt, mit der Überwachungsschaltung 7 bis 14 erforderlich.
In Fig. 2 ist die zu überwachende, programmgesteuerte Schal
tung, hier der Microcontroller eines ABS, mit 15 bezeichnet.
Zu einer seriellen Schnittstelle 16 führen die Prozessoraus
gänge Sout (serial out), Sin (serial in), SCK (clock) und CS
(chip select). Über diese serielle Schnittstelle 16 ist eine
Überwachungsschaltung, die aus den im Anschluß an die
Schnittstelle 16 rechts dargestellten Schaltungskomponenten
besteht, angeschlossen.
Über einen Eingangsschalter oder "buffer" 17 werden die
einzelnen Datenworte in ein serielles Schieberegister 18
übertragen und aus diesem parallel über eine Vielfachleitung
19 zu einem Vergleicher 20 weitergeleitet. In dem Vergleicher
20 wird das über die Leitung 19 zugeführte, von der zu
überwachenden Schaltung 15 ausgegebene Datenwort W₁ mit einem
Datenwort W₂, das einem tabellarischen Speicher 21 entnommen
wird, auf Übereinstimmung verglichen. Der Speicher 21 ist
über einen Multiplexer 22 und eine Vielfach-Signalleitung 23
mit dem Vergleicher 20 verbunden. Ferner gehören zu der
Überwachungsschaltung ein Zähler oder Teiler 24, zwei UND-Gatter
25, 26, ein Inverter 27, zwei Kippstufen 28,29 und
schließlich ein ODER-Gatter mit negiertem Ausgang (NOR-Gat
ter), der zu einem nicht dargestellten Sicherheitsrelais
führt. Bei einem Signal "1" am Ausgang des NOR-Gatters 30 ist
ein Sicherheitsrelais eingeschaltet ("EIN"), weil die zu
überwachende Schaltung und die Prüfschaltung in Ordnung sind.
Ein Signal - "0" am Ausgang des NOR-Gatters 30 führt zur
Abschaltung der Regelung.
Die Überwachungsschaltung nach Fig. 2 arbeitet wie folgt:
Nach einem Startsignal "POR" (power reset) an den Reset-Ein
gängen der zu überwachenden Schaltung 15 und des Multiplexers
22 sowie am "POR"-Eingang des Zählers 24 herrscht folgende
Situation:
- - Signal "1" (EIN) am Ausgang des Gatters 30,
- - der Zähler 24 ist zurückgesetzt,
- - der Multiplexer 22 steht auf "Wort 1" des Speichers 21.
- - Ein Datenwort W₁ ist zunächst nicht vorhanden. Folglich herrscht "0" am Ausgang des Vergleichers 20.
- - Durch das "POR"-Signal wurden auch die Kippstufen 28 und 29 zurückgesetzt.
Der Arbeitstakt der zu überwachenden Schaltung und der
Überwachungsschaltung beträgt im folgenden Beispiel 10 ms.
Innerhalb der von dem Teiler 24 vorgegebenen Zeitspanne von 0
bis 9 ms muß am Ausgang des Vergleichers 20 das Signal "0"
bleiben, da in dieser Zeitspanne das UND-Gatter 26
freigegeben ist und ein Signal 1 am Ausgang des Vergleichers
20 die Kippstufe 28 setzen und damit über das ODER-Gatter 30
das Sicherheitsrelais ausschalten würde.
Innerhalb des Zeitraumes von 9 bis 10 ms muß nun die Bedin
gung W₁ = W₂ erfüllt werden, damit ein Ausgangssignal 1 am
Ausgang des Vergleichers 20 entsteht. Folgendes geschieht:
- - Über das ODER-Gatter 25 und den "Reset"-Eingang wird der Zähler 24 angesteuert und dadurch auf "0" zurückgesetzt.
- - Der Multiplexer 22 übernimmt ein neues Datenwort aus dem Speicher 21.
- - Der Ausgang des Vergleichers 20 wird wieder "0".
- - Die Kippstufe 28 wird über das UND-Gatter 26 wieder freigegeben.
- - Der Zyklus beginnt von neuem.
Wird die Bedingung W₁ = W₂ nicht erfüllt, so daß das Aus
gangssignal des Vergleichers 20 den Wert "0" behält, läuft
der Zähler 24 über. Dies hat zur Folge, daß nach 10 ms die
Kippstufe 29 gesetzt und dadurch über das ODER-Gatter 30 das
Sicherheitsrelais AUSgeschaltet wird, symbolisiert durch das
Ausgangssignal AUS in Fig. 2.
Die Überwachungsschaltung nach Fig. 2 stellt ein besonders
einfaches Ausführungsbeispiel dar. Natürlich gibt es noch
andere Verknüpfungsmöglichkeiten.
Die aus bestimmten Datenworten bestehende Datenwortfolge kann
auf sehr unterschiedliche Weise in der programmgesteuerten
Schaltung 15, die überwacht werden soll, gebildet werden.
Zweckmäßig ist es z. B., das Ergebnis der in regelmäßigen
Abständen in einer programmgesteuerten Schaltung der hier in
Rede stehenden Art ablaufenden Prüfroutinen zur Bildung der
Datenwortfolgen auszuwerten. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, aus einem Speicher, der zu der überwachenden Schaltung
gehört, bestimmte Worte aufzurufen und diese Worte mit den.
Worten im Speicher 21 der Prüfschaltung zu vergleichen.
Erfindungsgemäß wird also auf sehr einfache Weise eine
Überwachung eines Microprozessors, Microcontrollers oder
einer anderen programmgesteuerten Schaltung erreicht. Die
Ausgabe einer bestimmten Datenwortfolge erfordert keinen
Mehraufwand. Die beschriebene Überwachungsschaltung läßt
sich, wie das erläuterte Beispiel zeigt, mit wenigen
Schaltkreisen verwirklichen.
Claims (8)
1. Verfahren zur Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion
einer programmgesteuerten Schaltung, z. B. eines
Microprozessors, Microcomputers, Microcontrollers oder
dergl., bei dem im Arbeitstakt Datenverarbeitungs
ergebnisse mit unabhängig von der zu überwachenden Schal
tung und unabhängig vom Programmlauf in einer
Überwachungsschaltung erzeugten Daten auf Übereinstimmung
überprüft werden und bei dem beim Auftreten von
Abweichungen, die auf eine Fehlfunktion hinweisen, ein
Fehlersignal oder Abschaltsignal erzeugt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß im Programmlauf der zu überwachenden
Schaltung (1-5; 15) Datenworte erzeugt und zu
vorgegebenen Zeitpunkten zu der Überwachungsschaltung
(7-14; 17-30) übertragen werden und daß mit Hilfe der
Überwachungsschaltung der Inhalt der Datenworte sowie der
Zeitpunkt des Auftretens der Datenworte mit Vorgaben, d. h.
vorgegebenen Datenworten und vorgegebenem Zeitrahmen,
verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
im Programmlauf der zu überwachenden Schaltung (1-5; 15)
erzeugten Datenworte eine vorgegebene Wortfolge, d. h. eine
vorgegebene Folge von vorgegebenen Worten, ergeben, die
mit Hilfe der Überwachungsschaltung (7-14; 17-30) auf
Übereinstimmung mit einer entsprechenden Vorgabe
verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
vorgegebenen Wort folgen in der zu überwachenden Schaltung
(1-5; 15) und in der Überwachungsschaltung (7-14; 17-30)
nach unterschiedlichen Algorithmen gebildet werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung
(7-14; 17-30) die Datenworte, mit denen die in der zu
überwachenden Schaltung (1-5; 15) gebildeten Datenworte
verglichen werden, einem Speicher (21) entnimmt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung
(7-14; 17-30) die Zeitspannen zwischen zwei auf
einanderfolgenden Datenworten mit vorgegebenen Zeitspannen
auf Übereinstimmung vergleicht.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen der vorgegebenen
Wortfolge innerhalb der zu überwachenden Schaltung
(1-5; 15) und innerhalb der Überwachungsschaltung
(7-14; 17-30)m durch regelmäßig wiederkehrende Ereig
nisse, z. B. durch Einschalten der Zündung eines Kfz-Motors,
gestartet wird.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß diese eine programmgesteuerte Schal
tung (1-5; 15) sowie eine Schaltung (7-14; 17-30)
zur Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion der programm
gesteuerten Schaltung (1-5; 15) umfaßt und daß eine
Datenwortfolge (W₁), die im Programmlauf von der zu
überwachenden Schaltung (1-5; 15) nach einem
vorgegebenen Algorithmus (A₁) erzeugt wird, im Arbeitstakt
der zu überwachenden Schaltung zur Überwachungsschaltung
(7-14; 17-30) übertragen wird,
daß die Überwachungsschaltung (7-14; 17-30) einen
Vergleicher (20) enthält, der die übertragene
Datenwortfolge (W₁) nach Inhalt und zeitlichem Auftreten
auf Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Datenwortfolge
(W₂) vergleicht, und daß die Überwachungsschaltung
(7-14; 17-30), wenn die übertragene Datenwortfolge
(W₁) von der vorgegebenen Folge (W₂) abweicht, ein
Fehlererkennungs- und Abschaltsignal hervorruft.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß diese für eine Bremsanlage mit
elektronischer Regelung, z. B. ABS, ASR, FSR, vorgesehen
ist und daß die zu überwachende Schaltung (1-5; 15) in
Form eines Ein-Chip-Microcontrollers ausgebildet ist, der
zur Auswertung von mit Hilfe von Radsensoren gewonnenen
Eingangssignalen und zur Erzeugung von Bremsdrucksteuersi
gnalen dient.
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Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: CONTINENTAL TEVES AG & CO. OHG, 60488 FRANKFURT, D |
|
8141 | Disposal/no request for examination |