DE3640351A1 - Schaltungsanordnung zur ueberwachung einer impulsfolge - Google Patents
Schaltungsanordnung zur ueberwachung einer impulsfolgeInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Überwachung
einer Impulsfolge entsprechend der Gattung des Hauptanspruchs. Zur
Überwachung der Funktion von elektronischen Schaltungsanordnungen,
bei denen Impulsfolgen auftreten, insbesondere bei Mikroprozessoren,
sind schon Schaltungsanordnungen bekannt, die überprüfen, ob an
einem für die Überwachung vorgesehenen Ausgang der elektronischen
Schaltungsanordnung ein Impuls erzeugt wird. Derartige
Überwachungsschaltungen werden auch als "Watch-dog-Schaltung"
bezeichnet. Ein von der Überwachungsschaltung erkannter Impuls einer
Impulsfolge setzt die elektronische Schaltungsanordnung wieder in
ihren Ausgangszustand zurück und der Vorgang des Überwachens und
Rücksetzens läuft erneut ab. Werden keine Impulse mehr erzeugt, so
wird dies nach Ablauf der vorgesehenen Überwachungszeit von der
Überwachungsschaltung erkannt und als Fehlfunktion der
elektronischen Schaltungsanordnung interpretiert. In diesem Fall
erzeugt die Überwachungsschaltung periodische Reset-Signale für die
elektronische Schaltungsanordnung sowie ein Fehlersignal zur
Betätigung von Notlauf- und/oder Warneinrichtungen.
Die von der elektronischen Schaltungsanordnung erzeugten und von der
Überwachungsschaltung überwachten Impulse entstehen bei Verwendung
eines Mikroprozessors in der Regel dadurch, daß der Mikroprozessor
periodisch ein Prüfprogramm abarbeitet. Nachteilig bei bisher
bekannten Überwachungsschaltungen ist, daß sie lediglich ein
Ausbleiben von Impulsen einer Impulsfolge erkennen, jedoch nicht
feststellen, wenn zuviel Impulse erzeugt werden, beispielsweise
dadurch, daß Befehle in der Programmroutine übersprungen werden oder
der zu überwachende Ausgang der elektronischen Schaltungsanordnung
im Takt des Mikroprozessoroszillators schwingt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs hat gegenüber der bekannten Überwachungsschaltung den
Vorteil einer wesentlich verbesserten Überwachungsmöglichkeit, da
auch Fehlfunktionen der elektronischen Schaltungsanordnung erkannt
werden können, die sich in einer zu hohen Impulsfolgefrequenz
äußern. Dadurch wiederum läßt sich die Zuverlässigkeit der
elektronischen Schaltungsanordnung wesentlich erhöhen, was von
besonderer Bedeutung ist, wenn diese in Sicherheitseinrichtungen für
Insassen von Fahrzeugen verwendet wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Schaltungsanordnung möglich. Ihre Vorteile ergeben sich
im folgenden aus der Beschreibung und Zeichnung des
Ausführungsbeispiels.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer
Impulsfolge,
Fig. 2 Impulsdiagramme, wie sie an speziellen Punkten
der Schaltungsanordnung von Fig. 1 auftreten und
Fig. 3 die
Verwendung der Schaltungsanordnung in einer Sicherheitseinrichtung
für Fahrzeuginsassen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erkennt, ob die
Taktfrequenz, bzw. die Periode T einer Impulsfolge von einem
vorgegebenen Wert nach oben oder unten abweicht. Sofern eine
Abweichung festgestellt wird, d. h. sofern die Periode T außerhalb
eines Toleranzintervalls mit den Grenzen TU und TO liegt, werden von
der Schaltungsanordnung zwei Ausgangssignale abgegeben, nämlich eine
Ausgangsimpulsfolge BR und ein Dauersignal ER. Beide Signaltypen
werden solange abgegeben, wie die Taktfrequenz der überwachten
Impulsfolge vom vorgegebenen Sollwert abweicht.
Besonders zweckmäßig kann mit der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung die Funktion eines Mikroprozessors überwacht
werden. Die Ausgangsimpulsfolge BR dient dabei als Reset-Signal für
den Mikroprozessor. Das Dauersignal ER kann auf vorteilhafte Weise
eine Notlauf- oder eine Warneinrichtung ansteuern, welche auf eine
Fehlfunktion der elektronischen Schaltungsanordnung hinweisen und
zusätzliche Informationen in Betrieb setzen.
Dies ist gerade bei Sicherheitseinrichtungen für Insassen von
Fahrzeugen von besonderer Bedeutung, da diese auf die absolute
Zuverlässigkeit der Sicherungseinrichtungen angewiesen sind und
eingetretene Fehlfunktionen unverzüglich erkennen müssen.
Die Überwachungsschaltung umfaßt dazu Schaltungsmittel, die den
Impulsabstand, bzw. die Periode T der der Eingangsstufe der
Überwachungsschaltung zugeführten Impulsfolge P ermitteln und die
bei außerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls liegenden
Impulsabständen die Ausgangsstufe der Überwachungsschaltung zur
Abgabe der vorstehend schon erwähnten Signale veranlassen. Zur
Feststellung des Impulsabstandes der an der Eingangsstufe K 1
anliegenden Impulsfolge P umfaßt die Schaltungsanordnung einen
Ladungsspeicher C 1, der über einen Vorwiderstand R 1 an einer
Betriebsspanungsquelle UB liegt und von dieser aufgeladen wird. An
der Eingangsstufe K 1 der Überwachungsschaltung anliegende Impulse
der Impulsfolge P bewirken eine schnelle Entladung des
Ladungsspeichers C 1 bis zu einem ersten Schwellenwert S 2. Nach
dieser schnellen Entladung wird der Ladungsspeicher C 1 über den
Vorwiderstand R 1 mit einer vorgebbaren Zeitkonstante aufgeladen,
wobei die Ladespannung nach einer Zeit TU einen zweiten
Schwellenwert S 4 durchläuft, die den unteren Grenzwert des
vorgebbaren Zeitintervalls bestimmt. Wird der Impulsabstand T zu
groß oder fehlen die Impulse P an der Eingangstufe K 1 der
Schaltungsanordnung völlig, so kann sich der Ladungsspeicher C 1
weiter aufladen, bis ein dritter Schwellwert S 3 erreicht wird, der
die obere Toleranzgrenze TO des vorgebbaren Zeitintervalls festlegt.
S 3 liegt zweckmäßig etwa 1-2 unter der Betriebsspannung UB. Bei
Erreichen dieser oberen Schaltschwelle S 3 schaltet ein Komparator
K 3, der eine aus OR 3, FF 4, K 5, C 2 und dem Transistor T 2
bestehende,
als monostabile Kippstufe wirkende Schaltungsgruppe ansteuert, die
das Ausgangssignal BR abgibt. Das am Ausgang der bistabilen
Kippstufe FF 4 anstehende invertierte Ausgangssignal BR wird
rückgekoppelt und bewirkt dann unabhängig vom Eingangssignal P über
NOR 5, FF 2, FF 1 eine Entladung des Ladungsspeichers C 1, wodurch die
Überwachungsschaltung in den Oszillator-Betrieb übergeht und
periodisch im Zeitabstand TO über die Ausgangsstufe Impulse BR
abgibt. Diese setzen außerdem über ein NOR-Glied NOR 4 eine weitere
bistabile Kippstufe FF 5, an deren Ausgang Q das Ausgangstignal ER
ansteht, das beispielsweise zur Alarmgabe und/oder zur Aktivierung
von Notlaufmitteln verwendbar ist. Der vorerwähnte Zustand der
Schaltungsanordnung wird erst beendet, wenn durch Impulse P mit der
Periode T an der Eingangsstufe K 1 der Schaltungsanordnung die
Schwelle S 3 am Ladungsspeicher C 1 nicht mehr erreicht wird und somit
durch die Ausgangsstufe keine Impulse BR mehr erzeugt werden.
Unter Bezugnahme auf die Impulsdiagramme in Fig. 2 wird nun
erläutert, auf welche Weise die Schaltungsanordnung überwacht, daß
der Impulsabstand der der Eingangsstufe zugeführten Impulsfolge
innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls liegt. Es werde zunächst
angenommen, daß die Periode der Eingangsimpulse P innerhalb einer
unteren Grenze TU und einer oberen Grenze TO liege. Die der
Eingangsstufe zugeführte Impulsfolge mit den Impulsen P ist in Fig.
2a dargestellt. Jede Rückflanke eines Eingangsimpulses P startet die
Entladung des über R 1 an der Betriebsspannung UB liegenden
Ladungsspeichers C 1. Die Entladung ist beendet, wenn eine untere
Schwelle S 2 erreicht ist, bei der der Komparator K 2 schaltet und bei
der die zusammenwirkenden bistabilen Kippstufen FF 2 und FF 1 das den
Ladungsspeicher C 1 kurzschließende Schaltelement T 1 sperren. Diese
untere Schwelle S 2 liegt zweckmäßig in einem Bereich von etwa 0,2 V
bis 0,3 V. Nach Erreichen der unteren Schwelle S 2 und Sperren des
Schaltelements T 1 über K 2, FF 2 und FF 1 kann sich der Ladungsspeicher
wiederaufladen. Bei Erreichen eines mittleren Schwellwerts S 4
schaltet der Komparator K 4 und setzt die bistabile Kippstufe FF 3
zurück, so daß das am -Ausgang der bistabilen Kippstufe FF 3
liegende Ausgangssignal den Wert "high" und das am nachfolgenden
NOR-Glied NOR 2 liegende Ausgangssignal den Wert "low" annimmt.
Zweckmäßige Werte für die mittlere Schwelle 4 liegen im
Spannungsbereich um 0,5 UB. Der Signalverlauf am Punkt 3 der
Schaltungsanordnung, d. h. am Q-Ausgang der bistabilen Kippstufe FF 1
ist in Fig. 2c, der Signalverlauf am Ausgang des Komparators K 4 ist
in Fig. 2d dargestellt.
Die Aufladung des Ladungsspeichers C 1 über den Vorwiderstand R 1 geht
nun weiter, bis ein neuer Impuls P an der Eingangsstufe K 1 der
Schaltungsanordnung anliegt und mit seiner Rückflanke wiederum eine
erneute Entladung des Ladungsspeichers C 1 einleitet. Sobald bei
diesem erneuten Entladevorgang die mittlere Schwelle S 4 wieder
unterschritten wird, geht das am Ausgang des Komparators K 4
anstehende Ausgangssignal wieder auf "low" (siehe Fig. 2d) und gibt
sowohl den Reset-Eingang R als auch den Set-Eingang S der bistabilen
Kippstufe FF 3 frei. Der bisherige Schaltzustand dieser bistabilen
Kippstufe FF 3 - das Ausgangssignal an ihrem -Ausgang war "high" -
(vgl. Impulsdiagramm Fig. 2f) bleibt zunächst erhalten, so daß der
Ausgang von NOR 2 auf low gehalten wird. Das hat zur Folge, daß das
ODER-Glied OR 3 nicht angesteuert wird und die bistabilen Kippstufen
FF 4 und FF 5 ihren Schaltzustand beibehalten. Von der Ausgangsstufe
der Schaltungsanordnung werden somit keine Ausgangssignale BR und ER
abgegeben. Ist der Ladungsspeicher C 1 wieder bis zum unteren
Schwellwert S 2 entladen, wie oben bereits beschrieben, wird das
Schaltelement T 1 wieder gesperrt, und der Signalpegel am
Schaltungspunkt 3, also am Q-Ausgang der bistabilen Kippstufe FF 1,
nimmt den Wert "low" an. Hierdurch wird über ein NOR-Glied NOR 1 die
bistabile Kippstufe FF 3 gesetzt, d. h. das am -Ausgang dieser
Kippstufe liegende Signal (vgl. Impulsdiagramm in Fig. 2f) nimmt
den Pegel "low" an. Vorbedingung für eine ordnungsgemäße
Funktionsweise der Schaltungsanordnung ist, daß an Punkt 3 a der
Schaltungsanordnung (vgl. Impulsdiagramm Fig. 2e) der Signalpegel
"high" etwas früher ansteht als der Signalpegel "low" an Punkt 5 der
Schaltungsanordnung, also am -Ausgang der bistabilen Kippstufe FF 3
(vgl. Impulsdiagramm Fig. 2f). Dies ist im Ausführungsbeispiel der
Schaltungsanordnung dadurch gewährleistet, daß im Signalweg bis zum
Punkt 5 der Schaltungsanordnung eine größere Anzahl von
Schaltungsgliedern angeordnet ist. Weiterhin trägt auch die
Speicherzeit der Transistoren im NOR-Glied NOR 2 zu der hier
erforderlichen Signalverzögerung bei.
Es werde nun angenommen, daß die Periode T kleiner sei als die
untere Grenze TU des vorgebbaren Zeitintervalls. In diesem Fall
bleibt der Ausgang von K 4 low, wodurch auch von FF 3 seinen
bisherigen low-Pegel beibehält. Ein am Punkt 3 auftretendes
high-Signal löst also über INV 1, das NOR-Glied NOR 2 und über das
ODER-Glied OR 3 die Ausgangssignale BR und ER der Ausgangsstufe der
Schaltungsanordnung aus. Dazu wird die bistabile Kippstufe FF 4 über
ein an ihrem Set-Eingang S liegendes Eingangssignal von OR 3 gesetzt
also BR = "high" und Signalpegel am -Ausgang der bistabilen
Kippstufe FF 4, bzw. an Schaltungspunkt 7 der
Schaltungsanordnung = "low" - und gibt über das Schaltelement T 2 die
Aufladung eines zweiten Ladungsspeichers T 2 frei. Sobald während des
Aufladevorgangs des Ladungsspeichers C 2 eine Schwelle S 5 erreicht
wird, schaltet ein Komparator K 5 auf eine weitere, niedrigere
Schwelle S 6 (Hysterese) und setzt somit die bistabile Kippstufe über
ihren Reset-Eingang R wieder zurück, so daß das Ausgangssignal BR
den Pegel "low" annimmt. Die Impulsdauer des Ausgangssignals BR wird
somit durch die Aufladezeit des Ladungsspeichers C 2 bestimmt
(Monoflop-Funktion). Sobald die Spannung am Ladungsspeicher C 2 den
Schwellwert S 6 wieder unterschritten hat, schaltet der Komparator K 5
wieder auf den ersten Schwellwert S 5 zurück und gibt die bistabile
Kippstufe wieder frei, so daß ein neuer BR-Impuls gestartet werden
kann. Die BR-Impulse werden somit im Takt der an der Eingangsstufe
der Schaltungsanordnung anliegenden Impulse P erzeugt. Kommen die
Eingangsimpulse P in kürzeren Zeitabständen als die Monoflop-Zeit
dauert, entsteht nur dann ein neuer Ausgangsimpuls BR, wenn die
Monoflop-Zeit abgelaufen ist und am Ausgang von OR 3 wieder der
Signalpegel "high" liegt. Die vorbeschriebene Überwachungsschaltung
ermöglicht somit die Feststellung, ob die Periode T eine an der
Eingangsstufe K 1 der Schaltungsanordnung anliegenden Impulsfolge P
innerhalb der Grenzen TU und TO eines vorgebbaren Zeitintervalls
liegt. Sofern dies nicht der Fall ist, also die Periode T außerhalb
dieses Intervalls liegt (T < TU, bzw. T < TO), werden von der
Ausgangsstufe der Schaltungsanordnung Ausgangssignale BR bzw. ER
ausgegeben. Die Zeitmessung der Periode T erfolgt dabei über die an
einem Ladungsspeicher C 1 anstehende Ladespannung. Während des
Aufladevorgangs des Ladungsspeichers wird nach der Zeit TU eine
Spannungsschwelle S 4 überschritten. Dies wird mit der Priorität
(NOR-Glied NOR 1) in einer bistabilen Kippstufe FF 3 gespeichert. Der
nächste an der Eingangstufe K 1 der Schaltungsanordnung anstehende
Impuls der Impulsfolge P startet mit seiner Rückflanke den
Entladeimpuls (vgl. Impulsdiagramm gemäß Fig. 2c), für den
Ladungsspeicher C 1 und dieser dient gleichzeitig als Clock-Impuls
für die Abfrage der in der bistabilen Kippstufe FF 3 gespeicherten
Information. Letztere entscheidet über das an ihrem -Ausgang
liegenden Ausgangssignal (vgl. Impulsdiagramm an Punkt 5 der
Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2f) und das Ausgangssignal am
NOR-Glied NOR 2 (vgl. Impulsdiagramm an Punkt 6 der
Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2g), ob die Ausgangsstufe der
Schaltungsanordnung Ausgangsimpulse BR erzeugt oder nicht. Zu der
Ausgangsstufe der Schaltungsanordnung gehören die Schaltungselemente
FF 4, K 5, T 2, C 2, die als monostabile Kippstufe wirksam sind. Ein von
der Ausgangsstufe abgegebener Impuls BR setzt eine weitere bistabile
Kippstufe FF 5, die ein weiteres Ausgangssignal ER liefert. Das
Rücksetzen der bistabilen Kippstufe FF 3 für die nächste Auswertung
der Periode T erfolgt dann, wenn der Impuls an Schaltungspunkt 3
(vgl. Impulsdiagramm gem. Fig. 2c) beendet ist.
Ein besonderer Rücksetzimpuls ist daher nicht erforderlich. Sofern
sich die Periode T wiederum innerhalb des vorgegebenen
Zeitintervalls befindet, wird auch die bistabile Kippstufe FF 5
wieder zurückgesetzt, an deren Ausgangsanschluß Q das Ausgangssignal
ER anstand. Die Rücksetzung erfolgt durch das am Reset-Eingang R der
bistabilen Kippstufe FF 5 anliegende Ausgangssignal des NOR-Gliedes
NOR 4, mit dessen drei Eingängen drei Signale verknüpft werden,
nämlich Ausgangssignal BR der bistabilen Kippstufe FF 4,
Ausgangssignal am Q-Ausgang der bistabilen Kippstufe FF 3 und
Ausgangssignal des Inverters INV 1 (Signalform gem. Fig. 2e), die
nur in diesem Fall gleichzeitig den Signalpegel "low" aufweisen.
Besonders zweckmäßig wird die Schaltungsanordnung in
Sicherheitseinrichtungen für Fahrzeuginsassen eingesetzt, bei der
ganz besonders hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit gestellt
sind. Dies wird schematisch anhand der Fig. 3 erläutert, in der ein
Fahrzeug 30 mit einem Insassen 31 dargestellt ist. Die
Sicherheitseinrichtung zum Schutz des Insassen 31 umfaßt
Rückhaltemittel, wie beispielsweise einen Sicherheitsgurt 33 mit
Gurtstrammer sowie einen Airbag 34, die im Gefahrfall den
Fahrzeuginsassen 31 in einer solchen Lage im Sitz festhalten bzw.
vor Gesichtsverletzungen schützen. Gurt 33 und Airbag 34 werden von
einer im Fahrzeug 30 angeordneten Sicherheitseinrichtung 32
aktiviert, die Beschleunigungsaufnehmer und eine
Schaltungseinrichtung zur Auswertung der von den
Beschleunigungsaufnehmern abgegebenen Signale umfaßt.
Claims (9)
1. Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Impulsfolge mit einer
Eingangsstufe, der die zu überwachenden Impulse zugeführt werden,
mit Schaltungsmitteln zur Feststellung des Vorhandenseins eines
Impulses der Impulsfolge, sowie mit einer Ausgangsstufe, die bei
Fehlen eines Impulses einerseits ein Fehlersignal, andererseits eine
Ausgangsimpulsfolge abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß
Schaltungsmittel vorgesehen sind, die den Impulsabstand der der
Eingangsstufe zugeführten Impulsfolge ermitteln und die bei einem
außerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls liegenden Impulsabstand
die Ausgangsstufe ebenfalls zur Abgabe eines Fehlersignals und einer
Ausgangsimpulsfolge veranlassen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltungsmittel zur Feststellung des Impulsabstandes der an der
Eingangsstufe (K 1) anliegenden Impulsfolge einen Ladungsspeicher
(C 1) umfassen, der über einen Vorwiderstand (R 1) von einer
Spannungsquelle (UB) aufladbar ist und der durch einen an der
Eingangsstufe (K 1) anliegenden Impuls (P) der Impulsfolge zumindest
teilweise entladen wird.
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe eine monostabile Kippstufe
(OR 3, FF 4, K 5, C 2) umfaßt, die vom Ausgangsanschluß eines
Komparators (K 3) bei Ausbleiben eines Impulses innerhalb eines
vorgebbare Zeitintervalls ansteuerbar ist und dabei eine
Ausgangsimpulsfolge (BR) abgibt.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß durch die Schaltungsmittel für die am
Ladungsspeicher (C 1) anstehende Spannung drei Schaltschwellen (S 2,
S 3, S 4) vorgegeben sind, wobei
- a) bei Erreichen der niedrigsten Schaltschwelle (S 2) der Entladevorgang des Ladungsspeichers (C 1) beendet wird,
- b) bei Erreichen der mittleren Schaltschwelle (S 4) eine bistabile Kippstufe (FF 3) zurückgesetzt wird (d. h. von FF 3 nimmt Signalpegel "high" an;
- c) und bei Erreichen der oberen Schaltschwelle (S 3) oder bei Nicht-Erreichen der mittleren Schaltschwelle (S 4)* die monostabile Kippstufe (OR 3, FF 4, K 5, C 2) angesteuert wird.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Erfassung der die Schaltschwellen (S 2, S 3,
S 4) Komparatoren (K 2, K 3, K 4) verwendet werden.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Schaltschwelle (S 2, S 3, S 4) folgende
Bedingungen gelten:
- 0,1 V < S 2 < 0,3 V
S 4 ca. 0,5 · UB
S 3 < UB - 2 V.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß parallel zum Ladungsspeicher (C 1) ein
Schaltelement (T 1) geschaltet ist, das im Entladungsfall den
Ladungsspeicher (C 1) kurzschließt.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schaltelement (T 1) ein Transistor ist,
dessen Kollektor-Emitter-Strecke parallel zum Ladungsspeicher (C 1)
geschaltet ist, und dessen Basisanschluß mit dem Q-Ausgang einer
ersten bistabilen Kippstufe (FF 1) verbunden ist, deren Reset-Eingang
(R) mit dem Ausgang (Q) einer zweiten bistabilen Kippstufe (FF 2)
verbunden ist, deren Set-Eingang (S) mit dem Ausgang des Komparators
(K 2) verbunden ist, der bei Erreichen der Schaltschwelle (S 2)
schaltet.
9. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
8 in einer Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuginsassen.
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