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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine digitale Schnittstelleneinheit zur Ansteuerung
eines Peripheriebausteins gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In
Mikroprozessorsystemen werden zur Ansteuerung von Peripheriebausteinen
digitale Schnittstellenbausteine verwendet, die den internen Datenbus
des Mikroprozessorsystems an den externen Datenbus zwischen dem
Mikroprozessorsystem und dem Peripheriebaustein anpassen. Aus PHILIPPOW:
Taschenbuch der Elektrotechnik, 3. Aufl., Bd. 3, S. 1126 ist beispielsweise
eine Ausgangsschaltung für
ein Mikroprozessorsystem mit einem Ausgangsregister bekannt, welches
das auszugebende Datenwort über
den internen Datenbus des Mikroprozessorsystems aufnimmt und auf
dem externen Datenbus für
den Peripheriebaustein bereitstellt. Die Steuerung der Datenausgabe
erfolgt hierbei über
ein als Daten-Strobe-Signal bezeichnetes Steuersignal, welches das
Ausgangsregister zur Übernahme
des am internen Datenbus anliegenden Datenworts ansteuert, so daß sämtliche
Datenbits des neuen Datenworts exakt gleichzeitig am externen Datenbus
erscheinen, was insbesondere bei der Steuerung von Stellgliedern
wichtig ist, da das Stellglied sonst kurzfristig einen falschen Steuerwert
erhält.
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Nachteilig
hierbei ist jedoch, dass der Schnittstellenbaustein bei der Ausgabe
eines neuen Datenworts den internen Datenbus des Mikroprozessorsystems
blockiert, da das neue Datenwort exakt zu diesem Zeitpunkt auf dem
internen Datenbus anliegen muss, wobei kaum zeitlicher Spielraum
besteht. Es ist also beispielsweise nicht möglich, das neue Datenwort bereits
vor dem vorgesehenen Zeitpunkt an den Schnittstellenbaustein zu übertragen und
den internen Datenbus anschließend
für andere Zwecke
zu verwenden, wodurch die Nutzbarkeit des internen Datenbusses des
Mikroprozessorsystems eingeschränkt
ist.
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Bei
einer Schnittstelleneinheit mit mehreren Ausgangsregistern ist es
deshalb nicht möglich,
einen kompletten Satz von mehreren neuen Steuerwerten gleichzeitig
auf alle Ausgangsregister zu schalten, da die einzelnen Ausgangsregister über den
internen Datenbus sequentiell geladen werden müssen und dann jeweils sofort
den neuen Steuerwert übernehmen.
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Aus
der
DE 197 33 748 ist
eine Schnittstelle bekannt, bei der serielle Daten in parallele
Daten umgewandelt werden. Dabei werden die seriellen Daten auf einer
Datenleitung in ein Schieberegister eingelesen und wenn das Schieberegister
voll ist und die Daten korrekt sind, werden sie in das Ausgangsregister übernommen.
Aus der
US 5,740,468 ist
eine Zwischenspeicherung von Daten, die über einen Bus versendet werden,
bekannt. Aus der
DE 35 87 910 ist bereits
ein Peripheriesystem für
einen Rechner bekannt. Dabei handelt es sich um Subrechnersysteme,
die für
einen Hauptrechner Daten bereitstellen.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schnittstelleneinheit
zur Ansteuerung eines Peripheriebausteins zu schaffen, welche die Nutzbarkeit
des internen Datenbusses des Mikroprozessorsystems möglichst
wenig einschränkt
und bei der Ausgabe eines neuen Datenworts trotzdem sicherstellt,
dass alle Datenbits exakt gleichzeitig ausgegeben werden, damit
eine Fehlsteuerung des Peripheriebausteins verhindert wird. Insbesondere
soll in einem Schnittstellenbaustein mit mehreren Ausgangsregistern
die gleichzeitige Ausgabe eines kompletten Satzes von neuen Steuerwerten
ermöglicht werden.
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Die
Aufgabe wird, ausgehend von einer bekannten Schnittstelleneinheit
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
Die Erfindung schließt
die technische Lehre ein, in dem Schnittstellenbaustein vor dem
Ausgangsregister ein Puffer-Register
vorzusehen, das ein neues Datenwort von dem internen Datenbus aufnimmt
und bis zur Ausgabe an den Peripheriebaustein zwischenspeichert,
so daß die
Aufnahme eines neuen Datenworts über
den internen Datenbus von der Ausgabe dieses Datenworts zeitlich
entkoppelt wird.
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Der
Begriff Peripheriebaustein ist hierbei und im folgenden allgemein
zu verstehen und umfaßt
alle elektrisch steuerbaren Bauelemente, Geräte oder Stellglieder, wobei
die erfindungsgemäße Schnittstelleneinheit
vorzugsweise zur Ansteuerung von Magnetventilen in Einspritzanlagen
verwendet wird.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Schnittstellenbaustein mehrere parallele
Ausgangsregister auf, die jeweils einen Peripheriebaustein ansteuern
oder jeweils einen Steuerwert für
denselben Peripheriebaustein enthalten. Bei der Ansteuerung eines
Magnetventils können
die einzelnen Ausgangsregister beispielsweise den elektrischen Strom
durch das Magnetventil und Regelgrößen für einen Regler des Magnetventils
aufnehmen. Jedem Ausgangsregister ist hierbei jeweils ein Puffer-Register
vorgeschaltet, wobei die Puffer-Register eingangsseitig mit dem
Adreßbus
des Mikroprozessorsystems verbunden sind, um eine selektive Adressierung
zu ermöglichen.
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In
einer vorteilhaften Variante der Erfindung erfolgt die Übertragung
der einzelnen Datenworte von dem Mikroprozessorsystem zu dem Schnittstellenbaustein
nicht einzeln jeweils zu dem vorgesehenen Zeitpunkt, sondern es
wird vielmehr vorab eine Sequenz von mehreren aufeinanderfolgenden
Datenworten zu dem Schnittstellenbaustein übertragen und dort in einem
Datenspeicher zwischengespeichert. Hierdurch wird der interne Datenbus
des Mikroprozessorsystems seltener blockiert, was sich insbesondere
bei der Steuerung von Magnetventilen bemerkbar macht, da beispielsweise
die Abfolge der Steuerwerte während
des Schließvorgangs
eines Magnetventils nicht mehr variiert wird, so daß die Steuerwerte
einer Schließsequenz
ohne Verlust an Funktionalität
komplett an die Schnittstelleneinheit übertragen werden können. Nach
der Übertragung einer
Sequenz von Steuerwerten an die Schnittstelleneinheit werden die
einzelnen Steuerwerte dann sequentiell aus dem Datenspeicher ausgelesen
und in das Ausgangsregister geschrieben.
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Die
Steuerung der sequentiellen Ausgabe der zwischengespeicherten Steuerwerte
an das Ausgangsregister erfolgt vorzugsweise durch ein Steuersignal,
das von dem Mikroprozessorsystem generiert wird. Das Mikroprozessorsystem
hat in diesem Fall zwar während
der eigentlichen Ausgabe keinen Einfluß mehr auf die Abfolge und
die Steuerwerte der zwischengespeicherten Sequenz selbst, jedoch
kann das Mikroprozessorsystem die Ausgabe noch zeitlich steuern.
Das Steuersignal kann der Schnittstelleneinheit hierbei durch eine
binäre
Steuerleitung zugeführt werden,
wodurch Daten- und Adreßbus
des Mikroprozessorsystems vorteilhaft frei bleiben.
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Gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung ermöglicht die Schnittstelleneinheit
zwei Betriebsarten, wobei die eine Betriebsart ein direktes Einschreiben
eines neuen Datenworts in den eingangsseitigen Pufferspeicher ermöglicht,
während
in der anderen Betriebsart eine komplette Sequenz von Datenworten übertragen
wird. Hierzu ist dem Ausgangsregister jeweils ein Multiplexer vorgeschaltet, der
das Ausgangsregister entweder direkt mit einem Pufferspeicher verbindet
oder unter Zwischenschaltung des Datenspeichers, der die Speicherung
einer kompletten Sequenz ermöglicht.
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Andere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten
Ausführung
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 den
digitalen Teil eines erfindungsgemäßen Schnittstellenbausteins
zur Ansteuerung eines Magnetventils,
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2 ein
Mikroprozessorsystem zur Ansteuerung des Schnittstellenbausteins
aus 1 sowie
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3 den
Verlauf einiger Steuersignale des Schnittstellenbausteins aus 1 und
des elektrischen Stroms durch das Magnetventil in verschiedenen
Phasen eines Öffnungsvorgangs.
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Der
in 1 dargestellte Schnittstellenbaustein 1 dient
zur Ansteuerung eines Magnetventils und weist hierzu vier Ausgangsregister 2, 3, 4, 5 auf, die
das Verhalten des Magnetventils bestimmen. Das Datenregister 2 enthält den aktuellen
Steuerwert der Stromstärke
durch das Magnetventil. In dem Regler-Register 4 und dem
Vorsteuerungsregister 5 sind Steuerwerte enthalten, die
für einen
Regelkreis für das
Magnetventil, insbesondere für
einen P-Regler erforderlich sind. Das BIP-Register 3 enthält schließlich einen
Steuerwert, der für
das korrekte Schließen des
Magnetventils, insbesondere für
die Erkennung des geschlossenen Zustands des Magnetventils erforderlich
ist.
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Zur
Verdeutlichung der Funktion des Schnittstellenbausteins 1 wird
nachfolgend zunächst
anhand von 3 ein Schließvorgang des Magnetventils
mit dem Verlauf des elektrischen Stroms i während der einzelnen Phasen
des Schließvorgangs
beschrieben.
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Der
Schließvorgang
des Magnetventils beginnt zum Zeitpunkt t0 mit einer sogenannten
Vorbestromung des Magnetventils, die bis zum Zeitpunkt t1 andauert.
Während
dieser Vorbestromungsphase wird der elektrische Strom i durch das
Magnetventil durch einen P-Regler hochgeregelt, so daß in der Vorbestromungsphase
in dem Datenregister 2, dem Vorsteuerungsregister 5 und
dem Reglerregister 4 des Schnittstellenbausteins 1 ein
Steuerwert enthalten sein muß.
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Danach
wird das Magnetventil in der eigentlichen Schließphase bis zum Zeitpunkt t2
mit einem steilen Stromanstieg geschlossen. Hierbei erfolgt keine
Regelung.
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Anschließend wird
der elektrische Strom i auf einen geringeren Wert zurückgeschaltet,
der von t2 bis t3 konstant bleibt. In diesem Zustand wird das Anschlagen
des Magnetventils in der Endstellung detektiert. Das Vorsteuerungsregister 5,
das Reglerregister 4 und das BIP-Register 3 sind relevant.
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In
der nächsten
Phase von t3 bis t4 wird der elektrische Strom i durch das Magnetventil
auf einen noch geringeren Wert zurückgeschaltet, um Strom zu sparen,
wobei das Magnetventil jedoch noch geschlossen bleibt. Das Reglerregister 4 und
das Vorsteuerungsregister 5 sind relevant.
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Zum
Zeitpunkt t4 nimmt das Datenregister 2 des Schnittstellenbausteins 1 dann
den Steuerwert Null an, so daß der
elektrische Strom i durch das Magnetventil auf Null absinkt und
das Magnetventil wieder geöffnet
wird. Das Regler-Register 4 und das Vorsteuerungs-Register 5 sind
hierbei irrelevant.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß beim Übergang
zwischen den einzelnen Phasen die Inhalte eines oder mehrerer Ausgangsregister 2 bis 5 verändert werden
müssen. Beim Ändern mehrerer
Registerinhalte ist es wichtig, daß die einzelnen Ausgangsregister 2 bis 5 die
neuen Steuerwerte exakt gleichzeitig annehmen, da eine zeitverzögerte Änderung
der einzelnen Registerinhalte zu einem unerwünschten Verhalten des Magnetventils
führen
würde.
Die Änderung
der Registerinhalte erfolgt deshalb nicht durch sequentielles Einschreiben
der neuen Werte in die einzelnen Ausgangsregister 2 bis 5,
sondern durch eine exakt gleichzeitige Übernahme der neuen Steuerwerte
von einer vorgeschalteten Speicherstruktur, die als Puffer fungiert
und zuvor sequentiell mit den neuen Steuerwerten geladen wurde.
Die Übernahme
der neuen Steuerwerte in die Ausgangsregister 2 bis 5 wird
hierbei jeweils durch ein in 2 dargestelltes
Mikroprozessorsystem 6 getriggert, daß hierzu über eine Steuerleitung (MST_E – Magnetventil
Strobe Eingang) mit den Registern verbunden ist.
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Der
in 1 dargestellte Schnittstellenbaustein 1 ermöglicht zwei
verschiedene Betriebsarten, die entweder ein direktes Laden der
Ausgangsregister 2 bis 5 durch das Mikroprozessorsystem 6 vorsehen
oder in dem Schnittstellenbaustein 1 eine Pufferung mehrerer
aufeinanderfolgender Sätze
von Steuerwerten ermöglichen,
die eine komplexe Stromkurve definieren können, wobei die Betriebsart
des Schnittstellenbausteins 1 über eine Steuerleitung 7 (FM_DIS)
ausgewählt
werden kann.
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Nachfolgend
wird zunächst
die erste Betriebsart beschrieben, die ein direktes Laden der Ausgangsregister 2 bis 5 vorsieht
und im wesentlichen zu Testzwecken verwendet wird, da hierbei die
Auswirkungen veränderter
Steuerwerte auf das Magnetventil sofort beobachtet werden können.
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In
dieser Betriebsart werden die Ausgangsregister 2 bis 5 eingangsseitig über jeweils
einen Multiplexer 8, 9, 10 bzw. 11 mit
jeweils einem Puffer-Register 12, 13, 14 bzw. 15 ("Preset-Register") verbunden, das
die neuen Steuerwerte vor dem Einschreiben in die Ausgangsregister 2 bis 5 zwischenspeichert,
wobei der Multiplexer 8, 9, 10 bzw. 11 von
der Steuerleitung 7 eingangsseitig auf den Ausgang der Puffer-Register 12 bis 15 geschaltet
ist.
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Das
Einschreiben der neuen Steuerwerte in die Puffer-Register 12 bis 15 erfolgt
durch das Mikroprozessorsystem 6, das hierzu über einen
Datenbus 16, einen Adreßbus 17 und mehrere
Steuerleitungen 18 bis 21 mit dem Schnittstellenbaustein 1 verbunden ist.
Zunächst
adressiert das Mikroprozessorsystem 6 über den Adreßbus 17 das
gewünschte
Puffer-Register 12, 13, 14 oder 15 und
legt gleichzeitig den gewünschten
Steuerwert auf den Datenbus 16. Darüber hinaus werden die Steuerleitungen 20 (CS_E – Chip Select
Enable) und 21 (RW_E – Read/Write
Enable) aktiviert, um den Schnittstellenbaustein 1 zur
Verarbeitung der übertragenen
Steuerwerte anzusteuern. Der Schnittstellenbaustein 1 dekodiert
dann durch einen Adreßdekoder 22 den
auf dem Adreßbus 17 liegenden
Adreßwert
und steuert entsprechend eines der Puffer-Register 12 bis 15 an,
sofern sich der Schnittstellenbaustein 1 nicht in der anderen
Betriebsart befindet und dementsprechend andere Register adressiert
wurden. Das auf diese Weise adressierte Puffer-Register 12, 13, 14 oder 15 übernimmt daraufhin
den neuen Steuerwert von dem Datenbus 16 und speichert
diesen ein. Die neuen Steuerwerte werden auf diese Weise sequentiell
in die Puffer-Register 12 bis 15 geschrieben,
wobei auf die einzelnen Puffer-Register 12 bis 15 getrennt
zugegriffen werden kann, was den Vorteil bietet, daß bei einer Änderung
nur eines Steuerwerts auch nur ein Puffer-Register 12, 13, 14,
oder 15 neu beschrieben werden muß, wofür nur ein Schreib-/Lesevorgang
erforderlich ist. Die eigentliche Übernahme der in den Puffer-Registern 12 bis 15 zwischengespeicherten
neuen Steuerwerte erfolgt dann gleichzeitig durch alle Ausgangsregister 2 bis 5,
indem das Mikroprozessorsystem 6 die Steuerleitung 18 (MST_E – Magnetventil
Strobe Eingang) aktiviert, woraufhin die Ausgangsregister 2 bis 5 die
eingangsseitig anliegenden neuen Steuerwerte von den Pufferregistern 12 bis 15 übernehmen,
wie auch aus 3 ersichtlich ist.
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Im
folgenden wird nun die zweite Betriebsart beschrieben, in der in
dem Schnittstellenbaustein 1 mehrere aufeinanderfolgende
Sätze von
Steuerwerten gespeichert werden, die eine komplexe Stromkurve definieren,
wodurch die Übertragung
von Steuerwerten von dem Mikroprozessorsystem 6 zu dem Schnittstellenbaustein 1 nur
zur Vorgabe eines Bewegungszyklus des Magnetventils notwendig ist, nicht
jedoch für
jede Zustandsänderung
des Magnetventils. Der Adreßbus 17 und
der Datenbus 16 des Mikroprozessorsystems 6 bleiben
deshalb während des
normalen Betriebs frei und können
für andere Aufgaben
verwendet werden.
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Die
Vorgabe eines Bewegungszyklus erfolgt durch das Mikroprozessorsystem 6,
indem dieses über
den Adreßbus 17 ein
Adreßregister 23 ("File-Adreßdaten-Register") adressiert und über den Datenbus 16 einen
Adreßwert überträgt, der
nachfolgend zur Adressierung eines von vier weiteren Puffer-Registern 24 bis 27 ("File-Register") verwendet wird.
Anschließend
adressiert das Mikroprozessorsystem 6 ein Datenregister 28 ("File-Daten-Register") und legt den neuen
Steuerwert auf den Datenbus 16, woraufhin der neue Steuerwert
in das Datenregister 28 geschrieben wird. Anschließend wird
der in dem Adreßregister 23 gespeicherte
Adreßwert
und der zugehörige
Steuerwert in einen Datenspeicher 29 geschrieben, der mehrere
Sätze von
Steuerwerten aufnehmen kann und somit einen kompletten Bewegungszyklus
des Magnetventils definiert.
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Das
Abrufen des in dem Datenspeicher 29 in Form von Steuerwerten
abgelegten Bewegungszyklus wird durch das Mikroprozessorsystem 6 gesteuert,
indem dieses die Steuerleitung 19 (FST_E – File Strobe
Enable) aktiviert. Bei jeder Aktivierung der Steuerleitung 19 (FST_E)
dekodiert ein Dekoder 30 einen der in dem Datenspeicher 29 gespeicherten Adreßwerte und
aktiviert das zugehörige
Pufferregister 24, 25, 26 oder 27,
das daraufhin den zugehörigen
Steuerwert aus dem Datenspeicher 29 übernimmt. Auf diese Weise wird
ein kompletter Satz von Steuerwerten aus dem Datenspeicher 29 ausgelesen und
in die Puffer- Register 24 bis 27 geschrieben.
Vor dem Abruf eines Satzes von neuen Steuerwerten aus dem Datenspeicher 29 wird
ein 5-Bit-Zähler 31 zurückgesetzt
(z.B. durch Setzen eines Bits in einem der Register (FM_DIS)). Anschließend wird
der Zähler 31 bei
jeder Aktivierung der Steuerleitung 19 (FST_E) inkrementiert.
Die Steuerleitung 7 (FM_DIS) steuert die Multiplexer 8 bis 11 zur
Verbindung der Puffer-Register 24 bis 27 mit den
Ausgangsregistern 2 bis 5 an. Die Übernahme
der neuen Steuerwerte in die Ausgangsregister 2 bis 5 erfolgt
dann wie in der ersten Betriebsart, indem das Mikroprozessorsystem 6 die
mit den Ausgangsregistern 2 bis 5 verbundene Steuerleitung 18 (MST_E)
aktiviert, woraufhin die Ausgangsregister 2 bis 5 die
neuen Steuerwerte exakt gleichzeitig von den vorgeschalteten Puffer-Registern 24 bis 27 übernehmen.
Vorteilhaft an dieser Betriebsart ist die Tatsache, daß in dem
Datenspeicher 29 mehrere Sätze von Steuerwerten gespeicherten
werden können,
die beispielsweise den in 3 dargestellten
Bewegungszyklus des Magnetventils steuern. Während des normalen Betriebs
ist deshalb keine Übertragung
neuer Steuerwerte von dem Mikroprozessorsystem 6 zu dem
Schnittstellenbaustein 1 erforderlich.
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2 zeigt
eine vorteilhafte Ausgestaltung des Mikroprozessorsystems 6 zur
Ansteuerung des Schnittstellenbausteins 1. Das Mikroprozessorsystem 6 weist
als Kern einen herkömmlichen
Mikrocomputer 32 auf, der hier nur schematisch dargestellt
ist und über
den Adreßbus 17 und
den Datenbus 16 mit dem Schnittstellenbaustein 1 kommuniziert.
Der Mikrocomputer 32 hat im Rahmen der Erfindung die Aufgabe,
die Steuerwerte eines kompletten Bewegungszyklus des Magnetventils
in den Datenspeicher 29 des Schnittstellenbausteins 1 zu übertragen.
Anschließend
hat der Mikrocomputer 32 keine Kontrolle mehr über den Ablauf
des Öffnungs-
bzw. Schließvorgangs
des Magnetventils.
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Hierzu
weist das Mikroprozessorsystem vielmehr eine als Einfachrechner
realisierte sogenannten Micro-Engine 33 auf, welche die
Steuerleitungen 18 (MST_E) und 19 (FST_E) bedient
und damit sowohl das Auslesen der zwischengespeicherte Steuerwerte
aus dem Datenspeicher 29 in die Puffer-Register 24 bis 27 als
auch die Übernahme
der Steuerwerte aus den Puffer-Registern 24 bis 27 bzw. 12 bis 15 in
die Ausgangsregister 2 bis 5 steuert. Der Mikrocomputer 32 hat
jedoch die Möglichkeit, über den
Datenbus 16 Befehle an die Mikro-Engine 33 zu übertragen,
damit diese anschließend
den Schnittstellenbaustein 1 anders ansteuert.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten
Lösung
auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht.