DE3640351C2 - Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Impulsfolge - Google Patents

Description

Stand der Technik

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 beispielsweise aus DE 34 21 584 A1, 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.

Aus DE 33 29 242 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Überprüfen des zeitlichen Abstands von Rechtecksignalen bekannt, die einen über einen Vorwiderstand von einer Spannungsquelle aufladbaren Ladungsspeicher umfaßt, der nach Schließen eines Schalters entladbar ist.

Aus Forrest M. Mims: Missing-Pulse Detectors, In: Popular Electronics, Sept. 1979, S. 89-91, ist ein sogenannter Missing-Pulse Detector, also eine Schaltungsanordnung zur Erkennung eines fehlenden Impulses eines Impulszuges unter Verwendung einer integrierten Schaltung (555) bekannt. Sofern in einer dem Eingangsanschluß der integrierten Schaltung zugeführten Impulsfolge ein Impuls fehlt, wird das Ausgangssignal der integrierten Schaltung auf einen niedrigen Wert gesetzt.

Aus US 4 345 209 ist weiter eine Schaltungsanordnung zur Feststellung eines fehlenden Impulses bekannt, die eine Mehrzahl von Kondensatoren umfaßt, die periodisch entladen und dann innerhalb der Perioden zwischen dem Impulsen über einen Widerstand wieder aufgeladen werden. Die Spannungswerte an den aufgeladenen Kondensatoren werden vermittels Komparatorschaltungen vergleichen. Dabei befinden sich der Ausgangsspegel der Komparatoren solange auf einem hohen Spannungswert, bis ein fehlender Impuls entdeckt wird.

Schließlich ist aus JP 59-64 918 A. In: Patents Abstr. of Japan, Sect. E. Vol. 8 (1984), Nr. 167 (E258) eine Schaltungsanordnung zur Überprüfung eines Impulszuges bekannt, bei der eine Änderung des Impulsabstandes in eine Gleichspannung umgesetzt und bei der eine Änderung der Gleichspannung erfaßt wird.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

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 K1 anliegenden Impulsfolge P umfaßt die Schaltungsanordnung einen Ladungsspeicher C1, der über einen Vorwiderstand R1 an einer Betriebsspanungsquelle UB liegt und von dieser aufgeladen wird. An der Eingangsstufe K1 der Überwachungsschaltung anliegende Impulse der Impulsfolge P bewirken eine schnelle Entladung des Ladungsspeichers C1 bis zu einem ersten Schwellenwert S2. Nach dieser schnellen Entladung wird der Ladungsspeicher C1 über den Vorwiderstand R1 mit einer vorgebbaren Zeitkonstante aufgeladen, wobei die Ladespannung nach einer Zeit TU einen zweiten Schwellenwert S4 durchläuft, die den unteren Grenzwert des vorgebbaren Zeitintervalls bestimmt. Wird der Impulsabstand T zu groß oder fehlen die Impulse P an der Eingangstufe K1 der Schaltungsanordnung völlig, so kann sich der Ladungsspeicher C1 weiter aufladen, bis ein dritter Schwellwert S3 erreicht wird, der die obere Toleranzgrenze TO des vorgebbaren Zeitintervalls festlegt. S3 liegt zweckmäßig etwa 1-2 Volt unter der Betriebsspannung UB. Bei Erreichen dieser oberen Schaltschwelle S3 schaltet ein Komparator K3, der eine aus OR3, FF4, K5, C2 und dem Transistor T2 bestehende, als monostabile Kippstufe wirkende Schaltungsgruppe ansteuert, die das Ausgangssignal BR abgibt. Das am Ausgang der bistabilen Kippstufe FF4 anstehende invertierte Ausgangssignal BR wird rückgekoppelt und bewirkt dann unabhängig vom Eingangssignal P über NOR5, FF2, FF1 eine Entladung des Ladungsspeichers C1, 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 NOR4 eine weitere bistabile Kippstufe FF5, 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 K1 der Schaltungsanordnung die Schwelle S3 am Ladungsspeicher C1 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 R1 an der Betriebsspannung UB liegenden Ladungsspeichers C1. Die Entladung ist beendet, wenn eine untere Schwelle S2 erreicht ist, bei der der Komparator K2 schaltet und bei der die zusammenwirkenden bistabilen Kippstufen FF2 und FF1 das den Ladungsspeicher C1 kurzschließende Schaltelement T1 sperren. Diese untere Schwelle S2 liegt zweckmäßig in einem Bereich von etwa 0,2 V bis 0,3 V. Nach Erreichen der unteren Schwelle S2 und Sperren des Schaltelements T1 über K2, FF2 und FF1 kann sich der Ladungsspeicher C1 über den Vorwiderstand R1 mit einer bestimmten Zeitkonstante wiederaufladen. Bei Erreichen eines mittleren Schwellwerts S4 schaltet der Komparator K4 und setzt die bistabile Kippstufe FF3 zurück, so daß das am -Ausgang der bistabilen Kippstufe FF3 liegende Ausgangssignal den Wert "high" und das am nachfolgenden NOR-Glied NOR2 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 FF1 ist in Fig. 2c, der Signalverlauf am Ausgang des Komparators K4 ist in Fig. 2d dargestellt.

Die Aufladung des Ladungsspeichers C1 über den Vorwiderstand R1 geht nun weiter, bis ein neuer Impuls P an der Eingangsstufe K1 der Schaltungsanordnung anliegt und mit seiner Rückflanke wiederum eine erneute Entladung des Ladungsspeichers C1 einleitet. Sobald bei diesem erneuten Entladevorgang die mittlere Schwelle S4 wieder unterschritten wird, geht das am Ausgang des Komparators K4 anstehende Ausgangssignal wieder auf "low" (siehe Fig. 2d) und gibt sowohl den Reset-Eingang R als auch den Set-Eingang S der bistabilen Kippstufe FF3 frei. Der bisherige Schaltzustand dieser bistabilen Kippstufe FF3 - das Ausgangssignal an ihrem -Ausgang war "high" - (vgl. Impulsdiagramm Fig. 2f) bleibt zunächst erhalten, so daß der Ausgang von NOR2 auf low gehalten wird. Das hat zur Folge, daß das ODER-Glied OR3 nicht angesteuert wird und die bistabilen Kippstufen FF4 und FF5 ihren Schaltzustand beibehalten. Von der Ausgangsstufe der Schaltungsanordnung werden somit keine Ausgangssignale BR und ER abgegeben. Ist der Ladungsspeicher C1 wieder bis zum unteren Schwellwert S2 entladen, wie oben bereits beschrieben, wird das Schaltelement T1 wieder gesperrt, und der Signalpegel am Schaltungspunkt 3, also am Q-Ausgang der bistabilen Kippstufe FF1, nimmt den Wert "low" an. Hierdurch wird über ein NOR-Glied NOR1 die bistabile Kippstufe FF3 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 3a 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 FF3 (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 NOR2 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 K4 low, wodurch auch von FF3 seinen bisherigen low-Pegel beibehält. Ein am Punkt 3 auftretendes high-Signal löst also über INV1, das NOR-Glied NOR2 und über das ODER-Glied OR3 die Ausgangssignale BR und ER der Ausgangsstufe der Schaltungsanordnung aus. Dazu wird die bistabile Kippstufe FF4 über ein an ihrem Set-Eingang S liegendes Eingangssignal von OR3 gesetzt also BR = "high" und Signalpegel am -Ausgang der bistabilen Kippstufe FF4, bzw. an Schaltungspunkt 7 der Schaltungsanordnung = "low" - und gibt über das Schaltelement T2 die Aufladung eines zweiten Ladungsspeichers C2 frei. Sobald während des Aufladevorgangs des Ladungsspeichers C2 eine Schwelle S5 erreicht wird, schaltet ein Komparator K5 auf eine weitere, niedrigere Schwelle S6 (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 C2 bestimmt (Monoflop-Funktion). Sobald die Spannung am Ladungsspeicher C2 den Schwellwert S6 wieder unterschritten hat, schaltet der Komparator K5 wieder auf den ersten Schwellwert S5 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 OR3 wieder der Signalpegel "high" liegt. Die vorbeschriebene Überwachungsschaltung ermöglicht somit die Feststellung, ob die Periode T eine an der Eingangsstufe K1 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 C1 anstehende Ladespannung. Während des Aufladevorgangs des Ladungsspeichers wird nach der Zeit TU eine Spannungsschwelle S4 überschritten. Dies wird mit der Priorität (NOR-Glied NOR1) in einer bistabilen Kippstufe FF3 gespeichert. Der nächste an der Eingangstufe K1 der Schaltungsanordnung anstehende Impuls der Impulsfolge P startet mit seiner Rückflanke den Entladeimpuls (vgl. Impulsdiagramm gemäß Fig. 2c), für den Ladungsspeicher C1 und dieser dient gleichzeitig als Clock-Impuls für die Abfrage der in der bistabilen Kippstufe FF3 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 NOR2 (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 FF4, K5, T2, C2, die als monostabile Kippstufe wirksam sind. Ein von der Ausgangsstufe abgegebener Impuls BR setzt eine weitere bistabile Kippstufe FF5, die ein weiteres Ausgangssignal ER liefert. Das Rücksetzen der bistabilen Kippstufe FF3 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 FF5 wieder zurückgesetzt, an deren Ausgangsanschluß Q das Ausgangssignal ER anstand. Die Rücksetzung erfolgt durch das am Reset-Eingang R der bistabilen Kippstufe FF5 anliegende Ausgangssignal des NOR-Gliedes NOR4, mit dessen drei Eingängen drei Signale verknüpft werden, nämlich Ausgangssignal BR der bistabilen Kippstufe FF4, Ausgangssignal am Q-Ausgang der bistabilen Kippstufe FF3 und Ausgangssignal des Inverters INV1 (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 sicheren 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 (5)

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 die Schaltungsanordnung einen Ladungsspeicher (C1) umfaßt, der über einen Vorwiderstand (R1) von einer Spannungsquelle (UB) aufladbar und der durch einen an der Eingangsstufe (K1) anliegenden Impuls (P) der Impulsfolge zumindest teilweise entladbar ist, und daß die an dem Ladungsspeicher (C1) anliegende Spannung mit mindestens drei Schwellwerten (S2, S3, S4) derart verglichen wird, daß

• a) bei Erreichen des niedrigsten Schwellwertes (S2) der Entladevorgang des Ladungsspechers (C1) beendet wird;
• b) bei Erreichen des mittleren Schwellwertes (S4) die Ausgangsstufe in einen definierten Ausgangszustand zurückgesetzt wird,
• c) und bei Erreichen des oberen Schwellwertes (S3) oder bei einem Verharrungszustand oberhalb des mittleren Schwellwertes (S4) die Ausgangsstufe (OR3, FF4, K5, C2) angesteuert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Schwellwerte (S2, S3, S4) Komparatoren (K2, K3, K4) verwendet werden.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schwellwerte (S2, S3, S4) folgende Bedingungen gelten: 0,1 V < S2 < 0,3 V
S4 ca. 0,5 · UB
S3 < UB-2V,mit UB gleich Betriebsspannung.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Ladungsspeicher (C1) ein Schaltelement (T1) geschaltet ist, das im Entladungsfall den Ladungsspeicher (C1) kurzschließt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (T1) ein Transistor ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke parallel zu dem Ladungsspeicher (C1) geschaltet ist, und dessen Basisanschluß mit dem Q-Ausgang einer ersten bistabilen Kippstufe (FF1) verbunden ist, deren Reset-Eingang (R) mit dem Ausgang (Q) einer zweiten bistabilen Kippstufe (FF2) verbunden ist, deren Set-Eingang (S) mit dem Ausgang des Komparators (K2) verbunden ist, der bei Erreichen der Schaltwelle (S2) schaltet.