DE19548390A1 - Vorrichtung zum Messen von Fahrzeugbelastungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Belastun­ gen in Fahrzeugen wie die Belastungen, die in Lastmeßgrößenum­ formern gemessen werden, welche in den Kupplungen zwischen Zug- und Anhängefahrzeugen angeordnet sind.

Solche Belastungsmeßvorrichtungen zur Anwendung bei Fahrzeugen, wie für die Bestimmung der Kuppelkraft, müssen in schwierigen Umgebungsbedingungen betreibbar und funktionsfähig sein. Dies erfordert, daß die Sensoren und zugehörige Schnittstellenanord­ nungen in großer Nähe angeordnet sind und, idealerweise, als eine einteilige, vollkommen geschlossene Baugruppe mit der geringstmöglichen Anzahl externer Verbindungen mit einer Haupt­ elektroniksteuereinheit des Fahrzeugs verbunden ist.

Bei solchen Vorrichtungen bestehen Schwierigkeiten bei der Eichung hinsichtlich sowohl der Betriebsart Nullpunkteinstel­ lung als auch der Betriebsart Eichung. Es ist im Stand der Technik bekannt, externe Einrichtungen zum Generieren eines einzelnen Eichvorgangs zu benutzen, der im normalen Fahrzeug­ betrieb nicht wiederholbar ist. Derartige Einrichtungen erfüllen nicht die gewünschte Forderung nach Nullpunkteinstellung und Eichung am Fahrzeug während dessen Betriebs, in dem Eingaben zur Nullpunkteinstellung nicht gesteuert werden können und in dem eine periodische Wiederholung des Vorgangs wünschenswert wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend ge­ nannten Nachteile bekannter Vorrichtungen zu überwinden.

Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung zum Messen von Belastungen unter Verwendung von Dehnungs- oder Wegmeßfühlern und einer lokalen elektronischen Schnittstelle, die mit einer Hauptelek­ tronikeinheit in einem Fahrzeug verbindbar sind, dem die Bela­ stungsmeßvorrichtung zugeordnet ist, wobei die Belastungsmeß­ vorrichtung erfindungsgemäß eine interne Mikrosteuereinheit in der Schnittstelle aufweist, die von der Hauptelektronikeinheit angewiesen werden kann, Bauteile der Belastungsmeßvorrichtung sowohl in die Betriebsart Nullpunkteinstellung als auch in die Betriebsart Eichung zu schalten, wobei die Mikrosteuereinheit einen elektrisch veränderbaren, nichtflüchtigen Speicher auf­ weist, der die Nullpunkteinstellung und die Eichung betreffende Daten zur späteren Verwendung in der normalen Betriebsart der Vorrichtung (Belastungsmessung) zu speichern vermag.

Vorzugsweise sind die Dehnungs- oder Wegmeßfühler und die lokale elektronische Schnittstelle gemeinsam in einer dicht abgeschlos­ senen Umhüllung angeordnet.

Vorzugsweise können Einstellungen der Arbeitsweise der Schnitt­ stelle über die interne Mikrosteuereinheit vorgenommen werden, die digital arbeitet und Signale von einem Sensorverstärker über einen Analog/Digital-Wandler zu empfangen vermag, wobei die Mikrosteuereinheit eine Sensornullpunktverschiebung durch Anlegen einer Ausgleichsspannung an den Eingang des Sensorver­ stärkers über einen beliebigen Digital/Analog-Wandler und die interne Nullpunkteinstellung durch Kurzschließen des Ausgangs des Sensors einzustellen vermag, derart, daß am Sensorverstärker ein Nulleingangszustand erzeugt wird, wobei das Ergebnis des Vorgangs des Auslesens des Analog/Digital-Wandlers in der sich im Nulleingangszustand befindlichen Mikrosteuereinheit im nicht­ flüchtigen Speicher zur Benutzung bei der Ableitung nullkorri­ gierter Werte für spätere Messungen gespeichert wird.

Bei einer Ausführungsform wird der Nullastzustand durch eine zugehörige externe ECU-Mikrosteuereinheit der Hauptelektronik­ einheit gesteuert, die ein Nulltest-Befehlssignal durch Auswer­ tung und/oder Ableitung von laufenden Messungen erzeugt und zu einem verschiedenen Zeitpunkt in Abhängigkeit von einem externen Eingang der ECU-Mikrosteuereinheit, die auch die Eichinforma­ tionen überträgt, einen Eichbefehl an die Schnittstellen-Mikro­ steuereinheit weiterleitet.

Die Schnittstellen-Mikrosteuereinheit beeinflußt auch den Signalbereich des Sensors nach Korrektur aufgrund von Verände­ rungen der Versorgungsspannung durch Multiplizieren von einge­ gebenen Messungen mit einem festen Eichfaktor, der automatisch eingestellt wird, wenn in die Eichbetriebsart eingetreten wird und ein Signal von einer externen Quelle, welche die ECU-Mikro­ steuereinheit sein kann, an die Schnittstellen-Mikrosteuerein­ heit gesendet wird, das die auf das Sensorsystem wirkende Last anzeigt, um eine korrekt skalierte Ausgabe abzugeben, wonach der Eichfaktor im nichtflüchtigen Speicher der Schnittstelle ge­ speichert und bei allen späteren Messungen benutzt wird.

Die Einstellung für Nullpunkt und Eichung kann in einem der Schnittstellen-Mikrosteuereinheit zugeordneten nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden und in Kraft bleiben, bis in Abhän­ gigkeit von Meßbedingungen oder externen Anreizen wieder in Nullpunkteinstellungs- und Eichbetriebsarten eingetreten wird, wobei nach Beendigung dieser Prozedur die generierten neuen Parameter in den nichtflüchtigen Speicher überschrieben oder in neue Speicherplätze eingeschrieben werden und ein Zeiger zu diesen neuen Speicherplätzen eingestellt wird.

Die Korrektur einer Drift der Schnittstellenelektronik erfolgt vorzugsweise automatisch in durch ein Programm in der lokalen Mikrosteuereinheit eingestellten regelmäßigen Zeitabständen durch Festlegen der Sensorausgangsspannung auf Null mittels eines elektronischen Schalters und Speichern der Nullausgangs­ spannung nach Umwandlung in digitale Form und durch Beziehen aller späteren Messungen auf diesen gespeicherten Nullpegel.

Bei einer anderen Ausführungsform sind zwei Lastmeßkanäle einer einzelnen Mikrosteuereinheit- und Schnittstellen-Baugruppe zuge­ ordnet, bei der eine einzelne bidirektionale Datenübertragungs­ leitung eine externe Verbindung zweier Ausgangssignale her­ stellt, die in Parametern einer Impulsfolge dargestellt sind, welche die Mikrosteuereinheit in einem vorbestimmten codierten, seriellen Format erzeugt.

Vorteilhafterweise sind die Doppelkanaldaten in einer einfachen, sich wiederholenden Impulsfolge durch das Impulstastverhältnis (die jeweiligen Zeichen- und Pausenbreiten) dieser Impulsfolge dargestellt.

Die Signalleitung kann auch Sensorsystembefehle leiten, wobei die Umschaltung auf die Befehlsbetriebsart fernbetätigt wird, vorzugsweise in der Hauptelektroniksteuereinheit, die die Sensorsignalimpulsfolge empfängt und auf sie durch Legen dieser Signalleitung auf einen voreingestellten Pegel eine Zeitdauer lang wirkt, wobei die Unterdrückung des Ausgangssignals eine Umschaltung auf eine Eingabebetriebsart an der Schnittstellen- Mikrosteuereinheit bewirkt, um die externen Befehlssignale zu empfangen.

Bei einigen Ausführungsformen werden die beiden Messungen von getrennten Sensoren durchgeführt und werden kombiniert, derart, daß die erforderlichen zwei Ausgangssignaldaten durch Verar­ beiten der analogen Signale zu Summen- und Differenzsignalen und durch Verstärken der sich ergebenden Spannungen durch Verstärker mit voreingestellter Verstärkung erzeugt werden, in denen die Verstärkungsfaktoren nicht gleich zu sein brauchen, sondern von der Amplitude der erwarteten Summen- und Differenzspannungen abhängig sind.

Bei anderen Ausführungsformen sind die vorstehend genannten zwei analogen Signale, die verarbeitet werden, ein Originalsensor­ signal und das Differenzsignal, und das zweite Originalsignal wird vom umgewandelten Lastsignal und dem umgewandelten Diffe­ renzsignal abgeleitet.

Alternativ kann jedes der beiden Sensorsignale ohne Kombina­ tion verstärkt und umgewandelt werden, wobei die Verarbeitung der Summen- und Differenzsignale digital in der Schnittstellen- Mikrosteuereinheit durchgeführt wird, in welchem Falle einzelne den Nullpunkt und die Eichung betreffende Zahlen für jedes der beiden Sensorsignale gespeichert werden.

Bei einer noch weiteren Anordnung werden die beiden Sensor­ signale durch eine Kombination von primären und sekundären Ein­ gangskräften erzeugt, und eine Eicheinrichtung mißt jede Kraft­ komponente einzeln nacheinander und dann in Kombination, wobei die lokale Mikrosteuereinheit alle sich aus gegenseitiger Störung ergebenden Änderungen des Ausgangs verarbeitet, um Übersprechkoeffizienten (Koeffizienten der gegenseitigen Beein­ flussung der Signale) zu erzeugen, die in dem zugehörigen nichtflüchtigen Speicher gespeichert und zum Korrigieren der primären und sekundären Messungen bei späteren Auswertungen benutzt werden.

Vorteilhafterweise sind die primären und sekundären Eingangs­ kräfte bidirektional und besitzen je zwei Eichfaktoren, welche durch die abgetastete Richtung der beiden Eingangskräfte aus­ gewählt werden, und es gibt insgesamt vier Übersprechkoeffizien­ ten, die ebenfalls in zweckdienlicher Weise durch Eingangskraft­ richtungen ausgewählt werden, um jede nachfolgende Messung zu korrigieren.

Bei einer bevorzugten Anordnung stellt die Mikrosteuereinheit den Meßbereich durch Beeinflussen der Brückenversorgungsspannung über einen zweiten Digital/Analog-Wandler ein, in welchem Fall die Versorgungsspannung bei normalen Messungen auf einem Pegel gehalten wird, der während eines vorherigen Eichvorgangs einge­ stellt wurde, wobei der Versorgungspegel so eingestellt wurde, daß sich nach analoger Verarbeitung ein Meßausgangswert ergibt, der der bekannten tatsächlichen Belastung entspricht, welche der Schnittstellen-Mikrosteuereinheit über eine externe Digi­ taldatenübertragung übermittelt wurde, und die digitalen Daten, die den Versorgungspegel einstellen, werden im nichtflüchtigen Speicher der Schnittstellen-Mikrosteuereinheit gespeichert.

Bei einer anderen bevorzugten Anordnung stellt die Mikrosteuer­ einheit den Meßbereich durch Ansteuern des digitalen Eingangs eines multiplizierenden D/A-Wandlers ein, der im Analogsignalweg an einer Stelle angeordnet ist, die eine Ausgabe mit verhältnis­ mäßig hohem Pegel erzeugt, um eine geeichte analoge Ausgabe abzugeben, wobei der digitale Eingang während einer Eichphase gespeichert ist.

Dank der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Be­ lastungsmessung geschaffen, die eine interne Schnittstellen- Mikrosteuereinheit aufweist, die durch serielle Übertragungen angewiesen wird, Routinen zur Nullpunkteinstellung und Eichung auszuführen, wobei die Ergebnisse in einem nichtflüchtigen Speicher zur Verwendung bei späteren Messungen entsprechend einer wiederholbaren Operation gespeichert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Belastungssensor-Subsystems, mit einer Darstellung seiner Verbindungen mit einer Hauptsystem-Steuereinheit des Fahrzeugs, die eine ECU-Mikrosteuereinheit enthält,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines abgewandelten Belastungs­ sensor-Subsystems in Form eines 2-Kanal-Systems,

Fig. 3 eine Fig. 2 ähnliche Darstellung des Systems unter verschiedenen Betriebszuständen, und

Fig. 4 und 5 zwei verschiedene Abwandlungen des Systems von Fig. 2.

Im allgemeinen löst die erfindungsgemäße Anlage die weiter oben beschriebenen Schwierigkeiten des Standes der Technik durch die Anwendung einer digitalen Arbeitsweise und von in die Schnitt­ stelle eingegliederter lokaler Intelligenz, die in der Lage ist, das Subsystem wie nachstehend beschrieben sowohl in eine Be­ triebsart Nullpunkteinstellung als auch in die Betriebsart Eichung zu schalten. Ein im System benutzter Mikrorechner ist mit einem elektrisch veränderbaren Dauerspeicher versehen, der Bereiche für die Nullpunkteinstellung und die Eichung betref­ fende Daten zur Benutzung in der normalen Betriebsart zu spei­ chern vermag.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form ein erstes Ausführungsbei­ spiel einer solchen "intelligenten" Belastungsmeßanlage, die mit einer internen Stromversorgung 10 versehen ist, welche über eine Spannungsleitung 12 mit einer (nicht dargestellten) Fahrzeugbat­ terie zur Schaffung einer lokalen stabilisierten Spannungsquelle auf ihrer Ausgangsleitung 14 für die Sensor- und Schnittstellen- Schaltungsanordnung verbunden ist.

Die einzigen Verbindungen, die zum Fahrzeugsystem erforderlich sind, sind die zweckgebundene Versorgungsleitung 12, eine Masseleitung 16 und eine für Zweiweginformationsübertragung ausgelegte Signalleitung 18.

Das Sensorsubsystem weist eine Mikrosteuereinheit 20 auf, die einen Mikrorechner 22 mit einem elektrisch löschbaren nicht­ flüchtigen Speicher 24 und einen Mehrkanal-Analog/Digital- Wandler 26 enthält. Das Sensorsubsystem umfaßt ferner eine Brückenanordnung B, die bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform eine Anzahl (4 Stück) Dehnungsmeßfühler 28, die auf angelegte Last ansprechen, aufweist und den Eingang eines Verstärkers 30 über ein Nulleinstellorgan 32 speist. Wenn dieser Verstärker 30 eine Ausgabe hohen Pegels erzeugt, wird diese vom A/D-Wandler 26 zusammen mit der Brückenspeisespannung, die von der Stromversorgung 10 geliefert wird, gelesen (über eine Leitung 34). Die lokale Mikrosteuereinheit 20 liefert zwei digitale Ausgangssignale, davon das eine an einen Digital/Ana­ log-Wandler 36, der eine Kompensationsspannung gesteuerten Pe­ gels an einen Signalverstärker 30 abgibt, und ein Hauptaus­ gangssignal auf einer Leitung 38, das zweckmäßigerweise in ein Impulssignal umgeformt wird, in dem die Pulsbreite den Kanal­ meßwert darstellt. Dies ist eine Alternative gegenüber der Be­ reitstellung eines analogen Ausgangssignals durch die Verwendung eines (nicht dargestellten) zweiten Digital/Analog-Wandlers, die für Fahrzeugsysteme den Vorteil großer Störsicherheit hat.

Das vorstehend beschriebene Sensorsubsystem ist für den Einbau in das abzutastende mechanische Teil ausgelegt und im fertigge­ stellten Zustand vollständig geschlossen, so daß Nach-Einstel­ lungen nach der Herstellung und später beim Benutzer durch elektronische Signalübermittlung von einer Systemsteuereinheit (Hauptsteuereinheit) 40 im Fahrzeug erfolgen, die den Sensoraus­ gang auf der Leitung 38 (18) abfragt und Befehle zur Nullpunkt- und Bereichseichung unter verschiedenen Testbedingungen erteilt, die während der Fertigung und beim Benutzer erzeugt und angelegt werden können. Selbstverständlich können bei der "Fertigungsend­ kontrolle" die entsprechenden Signale durch einen Simulator der elektronischen Steuereinheit erzeugt werden, der in einen Be­ lastungskontrollmeßplatz eingegliedert ist.

In beiden Fällen geschieht der Eichvorgang in drei Phasen: 1) die Nullpunkteinstellung des Eingangsverstärkers 30; 2) die Nullpunkteinstellung des Meßinstrumentes, und 3) die Eichung des Instrumentenmeßbereichs (normalerweise in dieser Reihenfolge). Jedoch ist es nicht notwendig, diese Operationen alle drei bei jedem Eintritt in die Eichbetriebsart auszuführen, und bei­ spielsweise
wird Phase (1) üblicherweise regelmäßig während des Fahrzeug­ betriebs ausgeführt,
wird Phase (2) üblicherweise in Wartungsintervallen ausge­ führt, wenn das Fahrzeug unbeladen und waagerecht ausgerichtet ist, und
wird Phase (3) weniger häufig, mit einer bekannten Last, beispielsweise auf einer Brückenwaage ausgeführt.

Es wird nun nacheinander jede Phase des Eichvorgangs untersucht. Die Sensor-Mikrosteuereinheit 20 wirkt mit einer ECU-Mikro­ steuereinheit 42 (ECU = Elektroniksteuereinheit) in der System- Steuereinheit 40 des Fahrzeugs zusammen, um in die entsprechende Eichbetriebsart einzutreten. Dies wird durch die Hauptsteuerein­ heit 40 bzw. die ECU-Steuereinheit 42 signalisiert, welche die Übertragungsleitung 38 (18) kurzzeitig auf niedrigem Pegel blockiert, was die Sensor-Mikrosteuereinheit 20 als mangelndes Ansprechen erkennt, und sie wird dann veranlaßt, in eine Empfangs­ betriebsart einzutreten, um von der Hauptsteuereinheit 40 bzw. der ECU-Steuereinheit 42 eine Befehlsnachricht und möglicher­ weise Daten zu empfangen. Die erste Phase des Vorgangs wird jedoch regelmäßig während des normalen Betriebs ausgeführt und kann wahlweise auch durch die Sensor-Mikrosteuereinheit 20 in die Wege geleitet werden, weil keine externen Bedingungen zu erfüllen sind und der Vorgang mit geringstmöglicher Unterbre­ chung des Meßzyklus durchgeführt werden kann. Eine solche Verstärkernullpunkteinstellung wird alle paar Minuten durchge­ führt, und dies kann durch einen (nicht dargestellten) internen Zeitgeber gesteuert oder durch die Hauptsteuereinheit 40 bzw. die ECU-Steuereinheit 42 veranlaßt werden. Beim Empfang des bevorzugten Intervallzeitimpulses erzeugt die Sensorschaltung eine feste zeitliche Steuerung der Impulse auf der Leitung 38 zur Messung in der Hauptsteuereinheit 40 bzw. der ECU-Steuer­ einheit 42, während sie die Verstärkernullpunktoperation aus­ führt. Dies geschieht durch Schließen eines Schalters im Null­ einstellorgan 32 zum Kurzschließen des Ausgangs der Brücke B und durch Generieren eines Nulleingangszustands am Differential- Signalverstärker 30. Das Verstärkerausgangssignal, das im Idealfall null sein sollte, ist nicht null, wenn Drift einge­ treten ist. Dieser Meßwert wird im Analog/Digital-Wandler 26 abgetastet und im Speicher der Sensorschnittstelle gespeichert, wobei alle späteren Meßwerte vor ihrer Ausgabe als nullkorri­ gierte Werte auf diesen Pegel bezogen werden.

Die zweite Eichphase wird stets bei statischem Fahrzeugzustand ausgeführt, mit Steuerung durch die Hauptsteuereinheit 40 bzw. die ECU-Mikrosteuereinheit 42, die das Nichtanliegen von Last­ signalen am Meßsystem und das Fehlen jeder Bewegung erfaßt. Gelegentlich kann diese Steuereinheit externe Wartungssignale empfangen, die eine allgemeine Neueinstellung des Nullpunktes auslösen, wenn das Fahrzeug vollkommen unbelastet, waagerecht ausgerichtet und statisch ist, wie es in unserem älteren Patent EP 0 246 791 beschrieben ist.

Dies ermöglicht es, jedes Driftsignal vom Abfühlorgan bzw. der Brückenschaltung B aus dem Eingangsverstärker 30 durch Anlegen einer Ausgleichsspannung zu beseitigen, die von der Sensor-Elek­ troniksteuereinheit 42 über einen Digital/Analog-Wandler (D/A-W) 36 an den Pluseingang des Verstärkers 30 geliefert wird; dieses Digital/Analog-Wandlersignal wird so eingestellt, daß jede Sensorausgabe korrigiert wird und daß die Sensor-Mikrosteuerein­ heit 20 die korrekte Nullsignaleingangsspannung abtastet, die der gleich ist, welche bei geschlossenem Eingangsschalter abge­ tastet wurde, d. h. der Verstärker 30 wird auf den erwarteten Nullsignalzustand eingestellt. Diese Nullpunkteinstellung wird durch Software ausgeführt, die eine auf den Digital/Analog-Wand­ ler 36 wirkende Ausgangseinheit so einstellt, daß die richtige Ausgleichsspannungszufuhr ausgeführt wird, und diese Einstellung der Eingangsschaltung hält den dynamischen Verstärkerausgangsbe­ reich auch bei einer großen Sensordrift aufrecht. Die Ansteuer­ daten für den Digital/Analog-Wandler 36 werden im NVRAM 24 (nichtflüchtiger Schreib-/Lesespeicher) gespeichert, der ein EEPROM oder ein EAPROM sein kann, und werden danach bis zur nächsten neuen Nullpunkteinstellung des Instrumentes aufrecht­ erhalten. Bei einem großen NVRAM ist es möglich, mehrere be­ nutzte Korrekturpegel in einem Stapelspeicher zu speichern, indem ein Zeiger zum aktuellen Speicherplatz verwendet wird, der ebenfalls im NVAAM gespeichert ist, und dies ermöglicht es, die eingetretene Sensordrift zu protokollieren.

Die Meßbereichseichung wird durch eine externe Ansteuerung über die Hauptsteuereinheit 40 bzw. die ECU-Mikrosteuereinheit 42 (oder ihr simuliertes Äquivalent) ausgeführt, weil hier die Anwendung einer bestimmten Last auf das Meßsystem notwendig ist.

Die Last kann ein Eichgewicht oder eine regulierte Kraft sein, die auf eine bestimmte Stelle am Fahrzeug ausgeübt wird, oder eine willkürliche Last, die auf das auf einer Brückenwaage stehende Fahrzeug ausgeübt wird, wodurch das Messen der Last durch die aufgezeichnete Erhöhung des gesamten Achs- oder Fahrzeuggewichts ermöglicht wird. In allen Fällen muß der tatsächliche Wert der angelegten Last in die Hauptsteuereinheit 40 bzw. die ECU-Mikrosteuereinheit 42 über einen (nicht dar­ gestellten) Diagnoseingang eingegeben werden, und derselbe Wert wird an die Sensor-Steuereinheit 22 geleitet. Sodann wird der Sensor abgelesen, und der Eichfaktor ergibt sich aus der Divi­ sion des letztgenannten Meßwertes durch die angelegte Last und durch Speichern des Ergebnisses im NVRAM 24. Alle späteren Meßwerte werden mit diesem Eichfaktor multipliziert, bevor sie nach zweckdienlichem bekannten Skalieren an die Hauptsteuer­ einheit 40 bzw. die ECU-Mikrosteuereinheit 42 übertragen werden.

Fig. 2 zeigt eine weiterentwickelte Version in Form eines Zwei-Kanal-Systems, in dem die einzige Mikrosteuereinheit 20a die weiter oben beschriebenen Funktionen ausführt, jedoch für zwei Sensoren B1 und B2, die bei der bevorzugten Ausführungsform derselben Messung zugeordnet sind, wie nachstehend erläutert wird. Jedoch können die beiden Kanäle gleichermaßen gut unabhän­ gig sein, bei einer kleinen Abwandlung an den Verbindungswegen zwischen den Vorverstärkern und den Verarbeitungsverstärkern (z. B. Operationsverstärkern) gemäß Fig. 2. Die bevorzugte Aus­ führungsform umfaßt die Messungen, die in einer bestimmten Lastermittlungsaufgabe erforderlich sind, bei der es notwendig ist, die Summe und die Differenz zweier Sensorausgangssignale zu messen, um Meßwerte für waagerechte (primäre) und senkrechte (sekundäre) Lasten in einer speziellen Struktur zu generieren.

Fig. 2 zeigt die Merkmale entsprechend Fig. 1 bei Anwendung auf diese Aufgabe, bei der die Vorverstärkersignale von einzelnen Sensoren B1 und B2 weiterverarbeitet und, wenn nötig, zusätzlich verstärkt werden, um Summen- und Differenzsignale zu erzeugen. Der Vorgang generiert Ausgangssignale, die in zweckdienlicher Weise skaliert sind, so daß beispielsweise das Differenzsignal zur Erzeugung eines großen Analogsignals verstärkt wird, das bei Umwandlung in eine Zahl durch den A/D-Wandler eine gute Auflö­ sung behält. Die Verstärkung des Differenzverstärkers ist durch das erzeugte erwartete maximale Differenzsignal oder durch den Pegel, der gemessen werden muß, eingestellt. Die verarbeiteten Analogsignale A₁ (a+b) und A₂ (a-b) werden über zwei (nicht dargestellte) A/D-Wandlerkanäle in die Mikrosteuereinheit 20a eingegeben und in der digitalen Mikrosteuereinheit gespeichert und weiterverarbeitet, bevor sie zur Bereitstellung der Meßaus­ gangssignale benutzt werden. Eine Alternative zu den Summier- und Differenzeingängen, die gemäß Fig. 2 verwendet werden, kann die Auflösung des Summensignals vergrößern, indem das Signal b (oder das Signal a) entfernt wird und die Verstärkung des "summierenden" Verstärkers auf 2A₁ erhöht wird. Dies generiert bei Umsetzung ein Signal "a" mit doppelter Auflösung, und das Signal b kann in der Mikrosteuereinheit folgendermaßen abgeleitet werden:
Eingegebene Summe S = 2A ₁a.
Eingegebene Differenz D = A₂ (a-b).
Daher b = a - D/A₂.
2A₁b = S - D (2A₁/A₂).

Dies erzeugt in der Mikrosteuereinheit drei Signale: 2A₁a, 2A₁b und A₂(a-b).

Fig. 3 zeigt das Schaltbild für die Mikrosteuereinheits-Eingänge 2A₁a und A₂(a-b).

Wenn die Differenzsignale von ähnlicher Größenordnung sind wie die Grundsignale a und b, könnte es vorteilhaft sein, Signale A₁a und A₁b an die Eingänge der Mikrosteuereinheit anzulegen und diese Signale intern zur Generierung der Differenzsignale zu verarbeiten.

Dies ergibt den Vorteil, daß Eichkorrekturen durch Software vorgenommen und während einer erneuten Eichphase mit auf die Struktur ausgeübten vorbestimmten Lasten automatisch geändert werden können. Dies würde die gleiche Schaltungsauslegung erfordern, jedoch würden die Summier- und Differenzverstärker gemäß Fig. 2 zu Verstärkern mit einem einzigen Eingang und voreingestellter Verstärkung A₁ werden.

Stehen die erforderlichen Sensorausgangssignale nur durch Ver­ arbeitung der und/oder Ableitung von den vorstehend beschrie­ benen Sensorgrundsignalen zur Verfügung, kann die beschriebene einfache Summen- und Differenzverarbeitung infolge leichter Unterschiede bei den Sensororganen, ihrer Anordnung oder auf­ grund der Toleranz von mechanischen Abmessungen an oder um die Sensorstandorte Fehler verursachen. Die Auswirkung dieser Differenzen ist im allgemeinen zu erkennen, wenn das Anlegen einer Sekundäreingabe, die differentiell abgetastet wird, beispielsweise nicht bewirkt, daß die Erhöhung bei a gleich der Abnahme bei b ist, so daß die Summe (a+b) nicht konstant bleibt. Diese Störung bei der Messung der Primärkraft ist als Überspre­ chen (cross-talk) bekannt, und eine Verbesserung der Meßge­ nauigkeit wird durch Korrigieren des Übersprechens erreicht. Umgekehrt tritt reverses Übersprechen auf, wenn, bei einer bestimmten Sekundärkrafteingabe, die konstant ist, eine Ände­ rung der angelegten Primärkraft die Messung der Sekundärkraft stört. Bei der beschriebenen Sensoranordnung werden die erfor­ derlichen Übersprechkorrekturen gemessen und in der Mikro­ steuereinheit 20a gespeichert.

Eine übliche Eichprozedur, wie nachstehend beschrieben, kann an den mit dem Sensorsystem versehenen mechanischen Strukturen an einem Meßplatz durchgeführt werden, der sowohl Primärkräfte als auch Sekundärkräfte (Summe + Differenz) zu erzeugen vermag. Die Meßsysteme werden, wie weiter oben beschrieben, im lastfreien Zustand genullt. Es wird eine große Primärkraft bis zu einem bekannten Pegel ausgeübt, und der Primäreingang wird geeicht. Die Primäreingabe wird aufgehoben und es wird eine vorbestimmte Sekundäreingabe angelegt, und es wird der Sekundärkanal geeicht. Die Sekundärkraft wird beibehalten, und die zum Eichen benutzte Primärkraft wird gleichzeitig erneut angelegt. Die Primär- und Sekundärmeßwerte werden beide abgelesen und mit den Eichmeßwer­ ten für die einzelnen Kräfte verglichen. Es werden Differenz­ zahlen abgeleitet, welche die durch die gleichzeitige Belastung der Struktur und der Meßsysteme verursachte Verschiebung der Eichung zeigen. Nach dem Dividieren jeder Verschiebung des Eichwerts durch die entgegengesetzte angelegte Kraft, und nach Bestimmung eines Übersprechkoeffizienten, wird jeder spätere Wertesatz folgendermaßen korrigiert:

Primärlast = Primärablesewert - Sekundärablesewert×sekundärer Übersprechkoeffizient.

Sekundärlast = Sekundärablesewert - Primärablesewert×primärer Übersprechkoeffizient.

Entsprechende Schritte der Eichprozedur werden wiederholt, wobei die Richtung der Sekundärkraft umgekehrt wird, um ein zweites Paar Übersprechkoeffizienten für die umgekehrte Richtung der Sekundärlast zu erzeugen, die gespeichert und für später korri­ gierte Ablesewerte ausgewählt werden, die sich aus der Ermitt­ lung der Richtung der Sekundärbelastung ergeben.

Diese Technik ermöglicht auch doppelte Eichzahlen für die Sekundärkraft in beiden Richtungen ebenso wie doppelte Über­ sprechkoeffizienten.

Bei Strukturen, in denen die Primärlast in der einen oder der anderen Richtung auftreten kann, wird die vorstehend beschrie­ bene Eichprozedur bei umgekehrter Richtung der Primärkraft wiederholt, und es wird ein vollständiger neuer Satz Eichkoeffi­ zienten abgeleitet und gespeichert. Auch diese werden als Hauptentscheidung ausgehend von der ermittelten Richtung der genannten Primärkraft ausgewählt.

Eine Reduzierung der Verdrahtung ist ein wichtiges Merkmal heutiger elektronischer Systeme, und der Signalmultiplexbetrieb ist zu ihrer Verwirklichung allgemein üblich. Das beschriebene Meßsystem benutzt einen einzelnen Übertragungsdraht, der vorzugs­ weise zwei Ausgangssignale für Primär- und Sekundärlastmessungen leitet und Befehle von einem Steuerrechner empfängt, um die Anweisungen zur Nullpunkteinstellung und Eichung auszuwählen, und während des weiter oben beschriebenen Eichvorganges Lastwert­ daten anzunehmen.

Die normale Arbeitsweise ist folgende: Die Primär- und Sekundär­ lasten darstellenden Meßsignale werden von der Mikrosteuerein­ heit 20 der Meßanlage als Rechtecksignal veränderlicher Frequenz ausgegeben. Die Zeichen- und Pausendauern tHPL und tLPL enthal­ ten die Meßinformationen nach folgendem Beispiel:

• - Primärwert = P_o ± K_p P_m als die Zeichendauer, und
• - Sekundärwert = S_o ± K_s S_m als die Pausendauer,

worin P_o und S_o vorbestimmte Konstanten, in µs, für Nullast, P_m und S_m die Dauern der Meßimpulse (Meßimpulsbreiten) und K_p und K_s Skalierfaktoren mit den Dimensionen µS/KN sind.

Bei einer Ausführungsform der Meßanlage werden die Befehle für die Eichung nur beim oder kurz nach dem Anlegen der Spannung an die Schnittstellen-Elektronikschaltung angenommen, und dieses Betriebsartensignal wird in regelmäßigen Zeitabständen wieder­ holt, um die Anlage in der Eichbetriebsart zu halten. Dies ist eine Sicherheitsmaßnahme, die verhindert, daß die Betriebsart eingeschaltet oder beibehalten wird, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist. Während des Eichens wird die Lastinformation von einer externen Quelle über die Signalleitung so eingegeben, daß die Eichung mit einer beliebigen zweckdienlichen Last ausgeführt werden kann, die verfügbar ist und durch externe Mittel, z. B. eine Brückenwaage, gemessen werden kann, oder mit einer externen hydraulischen Vorrichtung ausgeübt wird.

Eine alternative Ausführungsform der anfänglich beschriebenen Belastungsmeßvorrichtung gemäß Fig. 1 ist in Fig. 4 darge­ stellt. Diese weist ein digitales Bauteil auf, in dem der Vorgang durch Signale gesteuert wird, die von einer Elektro­ niksteuereinheit des Hauptsystems übertragen werden, und in dem sich auf die Nullpunkteinstellung und die Eichung beziehende Werte in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, jedoch wird das Signal in der Schnittstellenelektronik nicht digital verarbeitet. Dies geschieht so, daß die Signale als analoge Spannungen oder Ströme der System-Elektroniksteuereinheit zugeleitet werden, in der sie selbstverständlich in digitale Daten umgewandelt werden können.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Meßanlage, die nicht so sparsam verdrahtet ist wie die zuvor beschriebene, weil Verbin­ dungsleitungen ohne Multiplexbetrieb verwendet werden, da die Anordnung getrennte Analogsignalausgänge aufweist, die verarbei­ tete Signale abgeben, wogegen der Vorgang durch die lokale Schnittstellen-Mikrosteuereinheit 20b digital gesteuert wird, die Befehls- und Eichdaten von der System-Elektroniksteuerein­ heit über eine Digitalleitung 40′ empfängt, die in diesem Fall keine Meßausgangsdaten überträgt.

Die digitale Steuerung steuert den Meßvorgang über zwei Kanäle der Digital/Analog-Umwandlung D/A₁ und D/A₂, die Nullpunkt und Bereich steuern. Die Nullpunkteinstellung geschieht, wie weiter oben beschrieben, durch die Zufuhr einer Ausgleichsspannung, mit der Ausnahme, daß in diesem Fall die Nullpunkteinstellung auf Befehl der Elektroniksteuereinheit des Hauptsystems vorgenommen wird, wenn der Sensor in einem Nullastzustand ist. Die Einstel­ lung der Ausgleichsspannungszufuhr korrigiert sowohl die Sensor­ als auch die Verstärkerdrift. Die zugeführte Spannung wird so eingestellt, daß in Nullastzuständen die Ausgangsspannung auf einen voreingestellten Nullpegel eingestellt ist, der nicht eine tatsächliche Nullspannung ist.

Unter Eichbedingungen wird in der Anordnung gemäß Fig. 4 die Ausgangsspannung durch Verändern der Brückenspannung einge­ stellt, die durch den D/A-Wandler D/A₂ verändert wird, bis die Ausgangsspannung den der angelegten Last entsprechenden Pegel erreicht. Diese Ausgangsspannung wird durch den A/D-Wandler, der die Steuereinheit in der Schnittstelle speist, überwacht, wodurch eine lokale Einstellung der Werte für die Nullpunkt­ einstellung und die Eichung möglich ist, entsprechend der Auswahl durch die Hauptsystem-Elektroniksteuereinheit, und wird an die Schnittstellen-Mikrosteuereinheit zusammen mit Signalen übertragen, welche die Betriebsarten Nullpunkteinstellung und Eichung in der für die zuerst angegebene Vorrichtung beschrie­ benen Weise einschalten.

Eine alternative Anordnung des analogen Verarbeitungskanals, die einen größeren Bereich für die Eicheinstellung ermöglicht, ist in Fig. 5 dargestellt. Sie benutzt eine feste, voreingestellte Brückenspannung und stellt die Meßverstärkung in einem multi­ plizierenden D/A-Wandler MDAC ein, in dem der Multiplikations­ faktor durch die lokale Schnittstellen-Mikrosteuereinheit 20c so gewählt wird, daß in Abhängigkeit von der Anlegung einer be­ kannten Last an die Meßvorrichtung ein voreingestelltes Aus­ gangssignal erzeugt wird. Diese bekannte Last wird der Schnitt­ stellen-Mikrosteuereinheit durch die Hauptsystem-Steuereinheit mitgeteilt, welche die Daten manuell über einen Diagnoseeingang empfängt.

Claims (19)

1. Vorrichtung zum Messen von Belastungen in einem Fahrzeug, mit Dehnungs- und/oder Wegmeßfühlern (B) und einer lokalen elektro­ nischen Schnittstelle, die mit einer elektronischen Haupteinheit (40) in einem Fahrzeug verbindbar sind, dem die Belastungsmeß­ vorrichtung zugeordnet ist, wobei die Belastungsmeßvorrichtung ferner eine interne Mikrosteuereinheit (20) in der Schnittstelle aufweist, die Signale von der elektronischen Haupteinheit (40) zu empfangen vermag, die sie anweisen, Bauteile (A, B) der Bela­ stungsmeßvorrichtung in die Betriebsart Nullpunkteinstellung oder in die Betriebsart Eichung zu schalten, wobei die Mikro­ steuereinheit (20) einen elektrisch veränderbaren, nichtflüch­ tigen Speicher (24) aufweist, der die Nullpunkteinstellung und die Eichung betreffende Daten zur späteren Verwendung in der normalen Betriebsart der Vorrichtung, der Belastungsmessung, zu speichern vermag.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungs- oder Wegmeßfühler (B) und die lokale elektronische Schnittstelle gemeinsam in einer dicht abgeschlossenen Umhüllung angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Mikrosteuereinheit (20) digital arbeitet und daß Einstellungen der Betriebsweise der Schnittstelle über die interne Mikrosteuereinheit (20) vorge­ nommen werden, die Signale von einem internen Sensorverstärker (30) über einen Analog/Digital-Wandler (26) empfängt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrosteuereinheit (20) eine Sensornullpunktverschiebung durch Zuführen einer Ausgleichs­ spannung an den Eingang des Sensorverstärkers (30) über einen Digital/Analog-Wandler (36) einzustellen vermag.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrosteuereinheit (20) die Nullpunkteinstellung des Sensorverstärkers (30) durch Kurz­ schließen des Ausgangs des Sensors (B) einzustellen vermag, derart, daß am Sensorverstärker (30) ein Nulleingangszustand erzeugt wird, wobei die Ausgabe des Analog/Digital-Wandlers (36) im Nulleingangszustand im nichtflüchtigen Speicher (24) in der Mikrosteuereinheit (20) zur Benutzung bei der Erzeugung null­ korrigierter Werte für spätere Messungen gespeichert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nulleingangszustand durch eine zugehörige externe ECU-Mikrosteuereinheit (42) der Hauptsteuer­ einheit (40) gesteuert wird, die ein Nulltest-Befehlssignal durch Auswertung von laufenden Messungen erzeugt und zu einem anderen Zeitpunkt in Abhängigkeit von einem externen Eingang der ECU-Mikrosteuereinheit (42), die auch die Eichinformationen überträgt, einen Eichbefehl an die Schnittstellen-Mikrosteuer­ einheit (20) weiterleitet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellen-Mikrosteuer­ einheit (20) auch den Signalbereich des Sensors (B) nach Korrek­ tur aufgrund von Veränderungen der Versorgungsspannung zu beeinflussen vermag durch Multiplizieren von eingegebenen Messungen mit einem festen Eichfaktor, der automatisch einge­ stellt wird, wenn in eine Eichbetriebsart eingetreten wird und ein Signal von einer externen Quelle an die Schnittstellen- Mikrosteuereinheit (20) gesendet wird, das die auf das Sensor­ system wirkende Last anzeigt, wodurch eine korrekt skalierte Ausgabe abgegeben wird, wobei dann der Eichfaktor im nicht­ flüchtigen Speicher (24) der Schnittstelle zur Verwendung bei späteren Messungen gespeichert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die berechneten Einstellwerte für Nullpunkt und Eichung im nichtflüchtigen Speicher (24) gespei­ chert werden und in Kraft bleiben, bis in Abhängigkeit von Meßbedingungen oder externen Anreizen wieder in Nullpunktein­ stellungs- und Eichbetriebsarten eingetreten wird, wobei nach Beendigung dieser Prozedur die generierten neuen Parameter in den nichtflüchtigen Speicher (24) überschrieben oder in neue Speicherplätze eingeschrieben werden und ein Zeiger zu diesen neuen Speicherplätzen eingestellt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drift der Elektronik in der Schnittstelle automatisch in regelmäßigen Zeitabständen durch Festlegen der Sensorausgangsspannung auf Null mittels eines elektronischen Schalters (32) und Speichern der Nullausgangs­ spannung nach Umwandlung in digitale Form korrigiert wird, und daß alle späteren Messungen auf diesen gespeicherten Nullpegel bezogen werden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lastmeßkanäle einer einzelnen Mikrosteuereinheit- und Schnittstellen-Baugruppe zugeordnet sind, bei der eine einzelne bidirektionale Datenübertragungs­ leitung eine externe Verbindung zweier Ausgangssignale her­ stellt, die in Parametern einer Impulsfolge dargestellt sind, welche die Mikrosteuereinheit in einem vorbestimmten codierten, seriellen Format erzeugt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelkanaldaten in einer einfachen, sich wiederholenden Impulsfolge durch das Impuls­ tastverhältnis dieser Impulsfolge dargestellt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragungsleitung auch Sensorsystembefehle überträgt, wobei die Umschaltung auf die Befehlsbetriebsart von der elektronischen Hauptsteuereinheit fernbetätigt wird, die die Sensorsignalimpulsfolge empfängt und auf sie durch Festlegen dieser Datenübertragungsleitung auf einen voreingestellten Pegel eine Zeitdauer lang wirkt, wobei die Unterdrückung des Ausgangssignals eine Umschaltung auf eine Eingabebetriebsart an der Schnittstellen-Mikrosteuereinheit veranlaßt, um die externen Befehlssignale zu empfangen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Messungen von getrennten Sensoren durchgeführt und kombiniert werden, derart, daß die erforderlichen zwei Ausgangssignaldaten durch Verarbeiten der analogen Signale zu Summen- und Differenzsignalen und durch Verstärken der sich ergebenden Spannungen durch Verstärker mit voreingestellter Verstärkung erzeugt werden, in denen die Ver­ stärkungsfaktoren nicht gleich zu sein brauchen, sondern von der Amplitude der erwarteten Summen- und Differenzspannungen ab­ hängig sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden analogen Signale, die verarbeitet werden, ein Originalsensorsignal und das Differenz­ signal umfassen, und das zweite Originalsignal vom umgewandelten Lastsignal und dem umgewandelten Differenzsignal abgeleitet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßkanäle vorhanden sind und jedes der beiden Sensorsignale der zwei Meßkanäle ohne Kombi­ nation verstärkt und umgewandelt wird, wobei die Verarbeitung der Summen- und Differenzsignale digital in der Schnittstellen- Mikrosteuereinheit durchgeführt wird, wobei einzelne Nullpunkt und Eichung betreffende Werte für jedes der beiden Sensorsignale gespeichert werden.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensorsignale durch eine Kombination von primären und sekundären Eingangskräften erzeugt werden, und daß eine Eicheinrichtung vorhanden ist, die jede Kraftkomponente einzeln nacheinander und dann in Kombination mißt, wobei die lokale Mikrosteuereinheit so ausgelegt ist, daß sie alle sich aus gegenseitiger Störung ergebenden Änderungen der Ausgabe verarbeitet, wodurch Übersprechkoeffizienten erzeugt werden, die in dem zugehörigen nichtflüchtigen Speicher gespei­ chert und zum Korrigieren der primären und sekundären Messungen bei späteren Ablesungen benutzt werden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die primären und sekundären Ein­ gangskräfte bidirektional sind und je zwei Eichfaktoren be­ sitzen, welche durch die abgetastete Richtung der beiden Ein­ gangskräfte ausgewählt werden, und es insgesamt vier Übersprech­ koeffizienten gibt, die ebenfalls in zweckdienlicher Weise durch Eingangskraftrichtungen ausgewählt werden, um jede nachfolgende Messung zu korrigieren.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Brückenschaltung umfaßt, die Schnittstellen-Mikrosteuereinheit den Meßbereich durch Beeinflussen der Brückenversorgungsspannung über einen Digital/Analog-Wandler einstellt, wobei die Versorgungsspannung bei normalen Messungen auf einem Pegel gehalten wird, der während eines vorherigen Eichvorgangs eingestellt wurde, bei dem der Versorgungspegel so eingestellt wurde, daß sich nach analo­ ger Verarbeitung ein Meßausgangswert ergibt, der der bekannten tatsächlichen Belastung entspricht, welche der Schnittstellen- Mikrosteuereinheit über eine externe Digitaldatenübertragung übermittelt wurde, und die digitalen Daten, die den Versor­ gungspegel einstellen, im nichtflüchtigen Speicher der Schnitt­ stellen-Mikrosteuereinheit gespeichert werden.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrosteuereinheit den Meßbe­ reich des Sensors durch Ansteuern des digitalen Eingangs eines multiplizierenden D/A-Wandlers einstellt, der im Analogsignalweg an einer Stelle angeordnet ist, die eine Ausgabe hohen Pegels erzeugt, so daß eine geeichte analoge Ausgabe abgegeben wird, wobei der digitale Eingangswert während einer Eichphase ge­ speichert worden ist.