JP6298648B2 - 負荷制御用バックアップ信号発生回路 - Google Patents

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Description

本発明は、所定のプログラムに従って動作する制御用プロセッサに異常が発生した場合に、前記制御用プロセッサの出力に接続された負荷のスイッチに対して、バックアップ制御信号を供給するための、負荷制御用バックアップ信号発生回路に関する。
例えば、車両に搭載される様々な電子制御装置(ECU:Electronic Control Unit)には所定のプログラムに従って動作する制御用のマイクロプロセッサ、すなわちマイクロコンピュータ(CPU:Control Processing Unit)が内蔵されている。
このようなマイクロコンピュータは、通常は予め用意されたプログラムの内容にしたがって予定されたとおりに様々な制御を実施する。しかし、例えば外部から侵入した電磁ノイズの影響を受けた場合、マイクロコンピュータが故障した場合、プログラム自体に含まれる欠陥(バグ)の影響により予期しない動作が生じた場合等に、マイクロコンピュータが暴走状態になる場合がある。
マイクロコンピュータが暴走状態になると、電子制御装置の全体が制御不能の状態になる。したがって、様々な電子制御装置のシステムにおいては、マイクロコンピュータに異常が発生したか否かを監視し、異常の発生を検知した場合には、正常な状態に復帰させる必要がある。
そのため、従来より、様々な電子制御装置においては、マイクロコンピュータがウォッチドッグ信号と呼ばれるパルスを定期的に外部に出力するように制御している。そして、マイクロコンピュータの外部に監視回路を接続し、この監視回路がマイクロコンピュータから出力されるウォッチドッグ信号を常時監視している。マイクロコンピュータに異常が発生すると、ウォッチドッグ信号が現れなくなる。監視回路は、ウォッチドッグ信号が一定時間現れない状態を検出するとマイクロコンピュータの動作を初期化する。
特許文献1の車載電子制御装置は、図1に示されたメインCPU10が暴走してウォッチドッグ信号WDSのパルス幅が過大になると、これを電源制御回路113が検出してリセットパルス信号RSTを発生する。
また、特許文献2の車両用電子制御システムにおいても、電源制御IC23に内蔵されているウォッチドッグタイマ24が、CPU1から送出されるウォッチドッグ信号に基づきCPU1の動作状態を監視し、異常発生時にはリセットパルス信号RSTを送出する。
特開2010−13988号公報 特開2011−98593号公報
特許文献1及び特許文献2に示されているように、マイクロコンピュータが出力するウォッチドッグ信号を監視することにより、マイクロコンピュータの動作の異常を検出することが可能である。また、ウォッチドッグ信号を監視する回路は、異常を検出するとマイクロコンピュータに対してリセット信号を与える。リセット信号を与えると、マイクロコンピュータは電源投入時と同じように、ハードウェアの状態を初期化してプログラムの実行を先頭位置からやり直すことになる。
したがって、例えば電磁ノイズの入力などの一時的な要因によりマイクロコンピュータが暴走した場合には、リセット信号を与えることによりマイクロコンピュータの動作を正常な状態に復帰させることができる。
しかしながら、マイクロコンピュータの内部で継続的な故障が発生した場合には、リセット信号を与えてもマイクロコンピュータの動作を正常な状態に復帰させることができない。また、負荷の通電のオンオフを制御する電子制御装置においてマイクロコンピュータの故障が発生した場合には、ウォッチドッグ信号を監視する回路を搭載している場合であっても、負荷の通電のオンオフができなくなってしまう。
そのため、車載電子制御装置などにおいては、マイクロコンピュータの故障が発生した場合に備えて、バックアップをするための回路を搭載することが望ましい。つまり、マイクロコンピュータが故障した場合であっても負荷の通電のオンオフができるように、マイクロコンピュータの代わりに負荷を制御するバックアップ制御信号を生成する回路が必要になる。
このようなバックアップ制御信号を生成する回路については、例えば図4に示すようなアナログ回路を用いて構成することができる。このアナログ回路は、コンデンサCxと抵抗器Rxとで構成される時定数回路と、電圧を比較するアナログコンパレータとを備えている。
図4の回路は、マイクロコンピュータが出力するウォッチドッグ信号W/Dのパルスが停止すると、図5に示すようにコンデンサCxの電圧が時定数に従って時間経過と共に上昇し、所定時間が経過するとCxの電圧が閾値に到達し、アナログコンパレータの出力信号が反転する。このアナログコンパレータの出力信号を負荷のオンオフ制御のためのバックアップ制御信号として利用することができる。
しかし、図4に示した回路を用いる場合には次のような課題がある。
(1)コンデンサCxに関する特性(静電容量)のばらつきが比較的大きいため、CR時定数回路の時定数のばらつきも大きくなる。したがって、この回路を含む電子制御装置を量産する場合には、個体差による時定数のばらつきを考慮して設計時に十分なマージンを取らざるを得ない。そのため、マイクロコンピュータに異常が発生してから実際にバックアップ制御信号が出力されるまでに時間がかかり、バックアップ制御系が負荷を制御可能になるまでの所要時間が長くなる。
(2)マイクロコンピュータは、その電源を投入した時に、又はリセット信号を入力した時に、事前に定めた初期化(イニシャライズ)の処理を実行し、これが終了した後でウォッチドッグ信号W/Dのパルス出力を開始する。したがって、ウォッチドッグ信号W/Dのパルスを監視する回路(例えば図4の回路)については、初期化の時間帯の間にウォッチドッグ信号W/Dのパルスが現れなくても、誤って異常と判別しないように時定数が定められる。ところが、電子制御装置等に供給される電源電力については、様々な要因により瞬断が発生する場合がある。そして、マイクロコンピュータが初期化の処理を実行している時に電源の瞬断が発生すると、電源回路がリセット信号を発生し、マイクロコンピュータは初期化の処理を最初からやり直す。その場合は、初期化の処理を完了するまでに要する時間が通常よりも長くなり、それに伴ってウォッチドッグ信号W/Dのパルス発生が開始されるまでの所要時間も長くなる。一方、図4の回路においては、電源の瞬断の際にコンデンサCxの電荷を放電しようとするが、瞬断の時間が非常に短い場合は電荷の放電が不十分になる。その結果、図6に示すようにマイクロコンピュータが初期化の処理を完了する前に、コンデンサCxの電圧が閾値まで到達する。したがって、実際にはマイクロコンピュータに異常が生じていないにもかかわらず、バックアップ制御系が誤って動作を開始してしまう。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、マイクロコンピュータに故障が発生した場合に、負荷の制御をするためのバックアップ制御信号を短時間で出力すると共に、電源の瞬断に起因する誤動作を防止することが可能な負荷制御用バックアップ信号発生回路を提供することにある。
前述した目的を達成するために、本発明に係る負荷制御用バックアップ信号発生回路は、下記(1)〜()を特徴としている。
(1) 所定のプログラムに従って動作する制御用プロセッサに異常が発生した場合に、前記制御用プロセッサの出力に接続された負荷のスイッチに対してバックアップ制御信号を供給するための負荷制御用バックアップ信号発生回路であって、
前記制御用プロセッサから定期的に出力されるウォッチドッグ信号を入力するウォッチドッグ入力端子と、
周期が一定のクロックパルスを計数すると共に、前記クロックパルスの計数状態を前記ウォッチドッグ入力端子の信号に従って制御するパルスカウント部と、
前記パルスカウント部の計数出力が所定の条件を満たした時に前記バックアップ制御信号を生成するバックアップ信号出力部と、
を備え
前記バックアップ信号出力部は、前記パルスカウント部の計数出力が前記所定の条件を満たした時に、生成した前記バックアップ制御信号の状態を自己保持するラッチ回路を含み、
前記ラッチ回路は、Dタイプのフリップフロップで構成され、電源ラインに接続されるD入力端子と、前記パルスカウント部の出力信号を入力するラッチ入力端子と、を備え、前記ラッチ回路は、前記パルスカウント部の出力信号に応答して、前記電源ラインに基づいて前記バックアップ制御信号の状態を自己保持することを特徴とする負荷制御用バックアップ信号発生回路。
(2) 上記(1)に記載の負荷制御用バックアップ信号発生回路であって、
前記ウォッチドッグ入力端子と、前記パルスカウント部の制御入力端子との間に接続された直流遮断用コンデンサと、
前記パルスカウント部の制御入力端子と所定電位の電源ラインとの間に接続された電位制御用抵抗器と、
を更に備えたことを特徴とする負荷制御用バックアップ信号発生回路。
(3) 上記(1)または(2)に記載の負荷制御用バックアップ信号発生回路であって、
周期が一定のクロックパルスを発生するクロックパルス発生器、
を更に備えたことを特徴とする負荷制御用バックアップ信号発生回路
上記(1)の構成の負荷制御用バックアップ信号発生回路によれば、電源に瞬断が発生した場合であっても、ウォッチドッグ信号にパルスが現れない時間の長さを、パルスカウント部で正確に検出することが可能になる。また、コンデンサ等の部品の特性のばらつきの影響を受けにくいので、設計時のマージンを小さくすることが可能であり、制御用プロセッサ、すなわちマイクロコンピュータが故障した場合に短時間でバックアップ制御信号を出力できる。
更に、上記()の構成の負荷制御用バックアップ信号発生回路によれば、制御用プロセッサが故障した場合に、バックアップ制御信号のレベルを一定に維持できるので、このバックアップ制御信号により負荷のオンオフを制御できる。
上記(2)の構成の負荷制御用バックアップ信号発生回路によれば、ウォッチドッグ信号にパルスが現れなくなった時に、パルスカウント部の制御入力端子を所定電位に固定することができ、誤動作の発生を防止できる。
上記(3)の構成の負荷制御用バックアップ信号発生回路によれば、クロックパルス発生器を内蔵しているので、外部からクロックパルスを供給する必要がない。したがって、車載機器のような環境でも利用できる。
本発明の負荷制御用バックアップ信号発生回路によれば、マイクロコンピュータに故障が発生した場合に、負荷の制御をするためのバックアップ制御信号を短時間で出力することができ、電源の瞬断に起因する誤動作も防止できる。
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態(以下、「実施形態」という。)を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。
図1は、実施形態のバックアップ信号発生回路を含む電子制御装置の主要部の構成例を示す電気回路図である。 図2は、図1に示したバックアップ信号発生回路の動作例を示すタイミングチャートである。 図3は、図1に示したバックアップ信号発生回路の動作を示すフローチャートである。 図4は、バックアップ信号発生回路の構成例を示す電気回路図である。 図5は、図4に示したバックアップ信号発生回路の異常発生時の動作例を示すタイミングチャートである。 図6は、図4に示したバックアップ信号発生回路の瞬断発生時の動作例を示すタイミングチャートである。
本発明の負荷制御用バックアップ信号発生回路に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。
<構成例の説明>
本実施形態のバックアップ信号発生回路20を含む電子制御装置の主要部の構成例を図1に示す。
図1に示した電子制御装置は、メインの制御部としてマイクロコンピュータ10を備えている。マイクロコンピュータ10は、例えば内部メモリ(ROM)に予め組み込まれているプログラムを実行することにより、この電子制御装置に必要とされる機能を実現するための制御を行うことができる。
図1に示した構成例においては、マイクロコンピュータ10は、負荷31の通電のオンオフを制御する機能を有している。負荷31の具体例としては、様々な車載電装品を想定することができる。また、パワーFETにより構成されるスイッチングデバイス32が、二値信号である通電制御信号SG2のレベルに従って、負荷31の通電のオンオフを制御する。
負荷31を制御するための通電制御信号SG2は、通常はマイクロコンピュータ10の処理により制御される通常系制御信号SG1に従って変化する。しかし、マイクロコンピュータ10に継続的な故障が発生する場合がある。マイクロコンピュータ10が故障すると、通常系制御信号SG1が変化しなくなり、負荷31のオンオフを制御できない状態になる。
バックアップ信号発生回路20は、マイクロコンピュータ10が故障した場合のバックアップとして搭載されている。つまり、通常系制御信号SG1が変化しなくなった時に、バックアップ信号発生回路20の出力するバックアップ制御信号SGBが、マイクロコンピュータ10の代わりに負荷31を制御する。
信号の逆流を防止するために、マイクロコンピュータ10の出力ポート11とスイッチングデバイス32の制御入力との間にダイオードD1を接続し、バックアップ信号発生回路20のバックアップ制御信号出力端子22とスイッチングデバイス32の制御入力との間にダイオードD2を接続してある。
マイクロコンピュータ10が通常の動作中であれば、マイクロコンピュータ10のウォッチドッグ信号出力ポート12には、ウォッチドッグ信号W/Dのパルスが周期的に現れる。但し、マイクロコンピュータ10が初期化の処理を行っている間には、ウォッチドッグ信号W/Dを出力することができない。また、マイクロコンピュータ10のプログラムが暴走したような場合にも、ウォッチドッグ信号W/Dのパルスが停止する。更に、マイクロコンピュータ10が故障した場合には、ウォッチドッグ信号W/Dのパルスが停止し、且つウォッチドッグ信号出力ポート12の電位が不確定の状態になる。
図1に示すように、マイクロコンピュータ10のウォッチドッグ信号出力ポート12に、バックアップ信号発生回路20のウォッチドッグ入力端子21が接続されている。つまり、バックアップ信号発生回路20は、ウォッチドッグ信号W/Dのパルスを監視すると共に、ウォッチドッグ信号W/Dの状態が所定の条件を満たした時にバックアップ制御信号SGBを生成する。
図1に示したバックアップ信号発生回路20は、ウォッチドッグ入力端子21、バックアップ制御信号出力端子22、コンデンサC1、抵抗器R1、カウンタ23、クロック発生器24、及びラッチ回路25を備えている。
クロック発生器24は、所定の発振回路を内蔵しており、周期が一定のクロックパルスCK1を常時出力する。
カウンタ23は、クロックパルス入力端子CK、クリア制御端子CLR、及びnビットの計数出力端子Q1、Q2、Q3、・・・、Qnを備えている。クロックパルス入力端子CKには、クロック発生器24が出力するクロックパルスCK1が印加される。
カウンタ23のクリア制御端子CLRは、コンデンサC1を介してウォッチドッグ入力端子21と接続され、更に抵抗器R1を介して接地されている。コンデンサC1は、入力信号の直流成分を遮断するために設けてある。また、抵抗器R1はウォッチドッグ信号W/Dにパルスが現れない時に、クリア制御端子CLRの電位を素早く所望の電位に近づける機能を有している。
ラッチ回路25は、Dタイプのフリップフロップ(D−FF)で構成してある。このラッチ回路25は、カウンタ23の計数出力が所定の条件を満たした時に、バックアップ制御信号SGBを生成してその信号レベルを保持する機能を有している。
ラッチ回路25のD入力端子は電源ライン(VDD)にプルアップしてある。また、図1の例ではラッチ回路25のクロックパルス入力端子CKは、カウンタ23の3ビット目の計数出力端子Q3と接続されている。ラッチ回路25のQ出力端子は、バックアップ制御信号出力端子22と接続されている。
<動作の説明>
図1に示したバックアップ信号発生回路20の動作に関する各信号のタイミングを図2に示し、動作の手順を図3に示す。図2及び図3を参照しながらバックアップ信号発生回路20の動作について説明する。
初期状態においては、バックアップ制御信号SGBはオフ(Loレベル)になっている(S11)。つまり、ラッチ回路25の状態がリセットされている。
図2に示すように、クロックパルスCK1は常時出力されている。また、マイクロコンピュータ10が正常に動作している時にはウォッチドッグ信号W/Dに周期的にパルスが現れるが、マイクロコンピュータ10に異常が発生するとウォッチドッグ信号W/Dのパルス出力が中断又は停止する。
カウンタ23は、常時入力されるクロックパルスCK1を計数する。しかし、ウォッチドッグ信号W/Dのパルス発生により、カウンタ23のクリア制御端子CLRが高レベル(Hi)になると、その都度、計数状態がクリアされて(S13)、初期状態に戻る。したがって、ウォッチドッグ信号W/Dが正常な時には、図2に示すようにカウンタ23の各計数出力端子Q1、Q2、Q3は低レベル(Lo)の状態を維持する。
一方、ウォッチドッグ信号W/Dのパルス出力が停止した状態になると、ウォッチドッグ信号出力ポート12の電位がHi/Loいずれの場合であっても、直流成分はコンデンサC1で遮断され、しかもコンデンサC1等に蓄積された電荷を抵抗器R1が素早く放電するので、クリア制御端子CLRによるクリア動作が解除された状態になる。これにより、図3に示すステップS12からS13に進む。
つまり、カウンタ23がクロックパルスCK1の計数動作が継続し、時間の経過に伴って計数値がカウントアップする。したがって、マイクロコンピュータ10に異常が発生した場合には、図2に示すように、カウンタ23の各計数出力端子Q1、Q2、Q3のレベルが変化する。また、図1の構成においては計数出力端子Q3から出力されるカウンタ出力信号SGAをラッチ回路25が監視しているので、計数出力端子Q3がLoからHiに変化した時に(S15)、これをラッチ回路25がラッチして(S16)バックアップ制御信号SGBをHiに切り替える(S17)。
したがって、マイクロコンピュータ10が故障した場合には、マイクロコンピュータ10自身が通電制御信号SG2を制御することはできなくなるが、その場合は、代わりにバックアップ信号発生回路20が出力するバックアップ制御信号SGBが通電制御信号SG2を制御するので、負荷31の通電を制御することができる。
例えば、電源の瞬断が発生した場合であっても、時定数を決定するための比較的容量の大きい部品(図4のコンデンサCx)を用いていないので、カウンタ23の計数値を瞬時にクリアすることが可能であり、図6に示すような瞬断時の誤動作を防止できる。瞬断時にカウンタ23をクリアする方法については、マイクロコンピュータ10の初期化処理の中で1回だけパルスをウォッチドッグ信号出力ポート12に出力しても良いし、図示しない電源回路で発生したリセット信号をカウンタ23に与えても良い。
また、クロックパルスCK1のパルス周期の精度が高い場合には、ウォッチドッグ信号W/Dのパルス出力が停止してからバックアップ制御信号SGBが起動するまでの所要時間のばらつきがほとんど生じない。したがって、電子制御装置等の製品を量産する場合であっても、設計の際にばらつきの影響を考慮して大きなマージンを設ける必要がなく、ウォッチドッグ信号W/Dのパルス出力が停止してから短時間でバックアップ制御信号SGBを起動することが可能になる。
<変形の可能性>
図1に示した構成においては、カウンタ23の計数出力端子Q3から出力されるカウンタ出力信号SGAをラッチ回路25が監視しているが、必要に応じてQ1〜Qnのいずれかの信号を監視するように変更しても良い。すなわち、クロック発生器24が出力するクロックパルスCK1のパルス周期の違いや、ウォッチドッグ信号W/Dのパルス出力が停止してからバックアップ制御信号SGBが起動するまでの所要時間の期待値に合わせて適宜変更することが想定される。
図1に示した構成においては、バックアップ信号発生回路20がクロック発生器24を内蔵しているが、所望のクロックパルスを出力可能な外部装置(図示せず)とバックアップ信号発生回路20とを接続できる環境であれば、クロック発生器24をバックアップ信号発生回路20に内蔵する必要はなくなる。
図1に示した構成においては、ウォッチドッグ信号W/Dのパルス出力が停止し、バックアップ制御信号SGBがオンになると、スイッチングデバイス32がオンになって負荷31が常時通電状態になる。しかし、例えば手動でも負荷31を制御したいような場合には、所定の操作スイッチに応じて変化する信号と、バックアップ制御信号SGBとの論理和や論理積により通電制御信号SG2を制御することも想定できる。
ここで、上述した本発明に係る負荷制御用バックアップ信号発生回路の実施形態の特徴をそれぞれ以下(1)〜(4)に簡潔に纏めて列記する。
(1) 所定のプログラムに従って動作する制御用プロセッサ(マイクロコンピュータ10)に異常が発生した場合に、前記制御用プロセッサの出力に接続された負荷(31)のスイッチ(スイッチングデバイス32)に対してバックアップ制御信号(SGB)を供給するための負荷制御用バックアップ信号発生回路であって、
前記制御用プロセッサから定期的に出力されるウォッチドッグ信号(W/D)を入力するウォッチドッグ入力端子(21)と、
周期が一定のクロックパルス(CK1)を計数すると共に、前記クロックパルスの計数状態を前記ウォッチドッグ入力端子の信号に従って制御するパルスカウント部(カウンタ23)と、
前記パルスカウント部の計数出力が所定の条件を満たした時に前記バックアップ制御信号を生成するバックアップ信号出力部(ラッチ回路25)と、
を備えたことを特徴とする負荷制御用バックアップ信号発生回路。
(2) 上記(1)に記載の負荷制御用バックアップ信号発生回路であって、
前記ウォッチドッグ入力端子と、前記パルスカウント部の制御入力端子との間に接続された直流遮断用コンデンサ(コンデンサC1)と、
前記パルスカウント部の制御入力端子(クリア制御端子CLR)と所定電位の電源ラインとの間に接続された電位制御用抵抗器(抵抗器R1)と、
を更に備えたことを特徴とする負荷制御用バックアップ信号発生回路。
(3) 上記(1)または(2)に記載の負荷制御用バックアップ信号発生回路であって、
周期が一定のクロックパルス(CK1)を発生するクロックパルス発生器(クロック発生器24)、
を更に備えたことを特徴とする負荷制御用バックアップ信号発生回路。
(4) 上記(1)から(3)のいずれか1つに記載の負荷制御用バックアップ信号発生回路であって、
前記バックアップ信号出力部は、前記パルスカウント部の計数出力が所定の条件を満たした時に、生成した前記バックアップ制御信号の状態を自己保持するラッチ回路(25)を含む、
ことを特徴とする負荷制御用バックアップ信号発生回路。
10 マイクロコンピュータ
11 出力ポート
12 ウォッチドッグ信号出力ポート
20 バックアップ信号発生回路
21 ウォッチドッグ入力端子
22 バックアップ制御信号出力端子
23 カウンタ
24 クロック発生器
25 ラッチ回路
31 負荷
32 スイッチングデバイス
C1 コンデンサ
R1 抵抗器
D1,D2 ダイオード
CK1 クロックパルス
SG1 通常系制御信号
SG2 通電制御信号
SGA カウンタ出力信号
SGB バックアップ制御信号

Claims (3)

  1. 所定のプログラムに従って動作する制御用プロセッサに異常が発生した場合に、前記制御用プロセッサの出力に接続された負荷のスイッチに対してバックアップ制御信号を供給するための負荷制御用バックアップ信号発生回路であって、
    前記制御用プロセッサから定期的に出力されるウォッチドッグ信号を入力するウォッチドッグ入力端子と、
    周期が一定のクロックパルスを計数すると共に、前記クロックパルスの計数状態を前記ウォッチドッグ入力端子の信号に従って制御するパルスカウント部と、
    前記パルスカウント部の計数出力が所定の条件を満たした時に前記バックアップ制御信号を生成するバックアップ信号出力部と、
    を備え
    前記バックアップ信号出力部は、前記パルスカウント部の計数出力が前記所定の条件を満たした時に、生成した前記バックアップ制御信号の状態を自己保持するラッチ回路を含み、
    前記ラッチ回路は、Dタイプのフリップフロップで構成され、電源ラインに接続されるD入力端子と、前記パルスカウント部の出力信号を入力するラッチ入力端子と、を備え、前記ラッチ回路は、前記パルスカウント部の出力信号に応答して、前記電源ラインに基づいて前記バックアップ制御信号の状態を自己保持することを特徴とする負荷制御用バックアップ信号発生回路。
  2. 請求項1に記載の負荷制御用バックアップ信号発生回路であって、
    前記ウォッチドッグ入力端子と、前記パルスカウント部の制御入力端子との間に接続された直流遮断用コンデンサと、
    前記パルスカウント部の制御入力端子と所定電位の電源ラインとの間に接続された電位制御用抵抗器と、
    を更に備えたことを特徴とする負荷制御用バックアップ信号発生回路。
  3. 請求項1または2に記載の負荷制御用バックアップ信号発生回路であって、
    周期が一定のクロックパルスを発生するクロックパルス発生器、
    を更に備えたことを特徴とする負荷制御用バックアップ信号発生回路。
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