DE4338018C2 - Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen zwischen einem Sensor oder Steller und einem digitalen Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, wobei das Steuergerät einen Anschluß für ein Diagnosesystem aufweist.

Diagnosesysteme sollen zum Diagnostizieren von Stö­ rungen in zahlreichen elektronischen Steuersystemen dienen, die in dem Motorfahrzeug vorgesehen sind, u. a. zur Einstellung bzw. Steuerung und/oder Rege­ lung von verschiedenen Größen, beispielsweise zur Einstellung des Luft-Kraftstoffverhältnisses. Im allgemeinen sind solche Steuersysteme mit einer Selbstdiagnosefunktion ausgerüstet, wodurch die Einheiten befähigt werden, Störungen anzuzeigen, beispielsweise durch Ein- oder Ausschalten eines Selbstdiagnoselämpchens, wenn eine Störung in den Sensoren oder Aktoren bzw. Betätigungs- oder Stell­ gliedern oder dem Steuergerät auftritt.

Durch eine Leuchtanzeige bzw. das Ein- und Aus­ schalten eines Anzeigelämpchens ist es allerdings für den Benutzer nicht möglich, die angezeigte Stö­ rung richtig einzuschätzen, beispielsweise bezüg­ lich der genauen Störungsstelle und/oder des Aus­ maßes der Störung. Deshalb sind Kundendienst­ stationen mit Diagnosesystemen ausgerüstet, welche in der Lage sind, Daten bezüglich der Positionen und des Ausmaßes von Störungen zu überprüfen, die in den Steuersystemen auftreten. Ein solches Diagnosesystem ist beispielsweise aus der DE 38 06 794 A1 zur Feststellung von Störungen in Steuersy­ stemen eines Kraftfahrzeuges bekannt.

Mit dieser ist es nun möglich, Funktionsprüfungen nacheinander durchzuführen bzw. gespeicherte Werte über Funktionen einzelner Aggregate des Steuersy­ stems vom Steuergerät zu übernehmen und in einem Display anzuzeigen.

Hierbei kann nun folgendes Problem auftreten, daß das Display Fehlfunktionen eines Aggregats anzeigt, wobei dieses Aggregat selbst nicht funktionsgestört ist, sondern nur elektrische Anschlüsse zwischen Steuergerät/Batterie und Aggregat nicht leitend sind, durch Korrosion oder Unterbrechung. In diesem Falle wäre ein Ersatz des Aggregates notwendig, ob­ wohl dieses selbst funktionsfähig ist.

Sensoren zur Umwandlung diverser physikalischer Größen in elektrische Signale beruhen häufig auf der Veränderung eines elektrischen Widerstandes, zum Beispiel Widerstände mit negativem Temperatur­ koeffizienten zur Temperaturmessung oder Weg- und Winkelsensoren mit Potentiometer-Widerständen.

Am Beispiel eines Potentiometer-Widerstandssensors läßt sich beschreiben, daß eine Schaltung des Po­ tentiometer-Widerstandes in einer Reihenschaltung weiterer Widerstände erfolgt, die den aktiven Ar­ beitsbereich des Potentiometer-Widerstands ein­ schränkt gegenüber einer Referenzspannung Uref und einem Massenschluß Uo auf eine Minimalspannung Umin und eine Maximalspannung Umax, womit die Bedingung gegeben ist:
Uo < Umin ≦ Ua ≦ Umax < Uref,
wobei
Ua der aktive Arbeitsbereich der Potentiometer-Wi­ derstandsschaltung ist. Bei dieser Schaltung können außerhalb des aktiven Arbeitsbereichs bestehende Spannungen zur Fehlererkennung dienen, und zwar ist bei einem Bruch der Uref-Leitung oder einem Massen­ schluß Uo < Ua < Umin oder bei einem Bruch der Masseleitung Umin < Ua ≦ Uref.

Um Meßfehler durch Übergangswiderstände in Leitun­ gen und Steckverbindungen vernachlässigbar klein zu halten, dürfen jedoch nur kleine Ströme (typisch 10 mA) fließen.

Sensoren mit hoher Stromaufnahme, wie sie bei­ spielsweise bei einem Heißfilmwiderstand- Luftmassensensor (mit einem typischen Strom von max 500 mA) vorliegen, können daher nicht von Uref ge­ speist werden. Aus diesem Grund ist eine Stromver­ sorgung direkt aus dem Stromnetz des Fahrzeugs, mit der Batteriespannung Ubatt gegen Leistungsmasse erforderlich, wohingegen das Sensorausgangssignal Ua auf eine Analogmasse bezogen ist.

Die unterschiedlichen Masseleitungen können in der Schaltung auf einen Sternpunkt geführt werden, wo­ bei diese an anderen Stellen der Schaltung jedoch durch Spannungsabfall deutliche Potentialdifferen­ zen aufweisen können.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schaltungsan­ ordnung derart auszubilden, daß das Diagnosesystem unterscheidet zwischen Fehlfunktion oder nichtlei­ tenden elektrischen Anschlüssen des Aggregats bzw. bei Ausfall einer der Leitungsverbindungen für Bat­ terie-, Referenzspannung, Leistungsmasse, Analog­ masse eine Fehlererkennung wie bei der beschriebe­ nen Potentiometer-Widerstandsschaltung möglich wird.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst worden, wobei eine Schaltungsanordnung mit dem Unteran­ spruch angegeben ist.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß das Sensorausgangssignal bei Ausfall eines Leitungsan­ schlusses den Spannungswert < Umin oder < Umax an­ nehmen muß. Darüber hinaus ist jedoch Vorsorge zu treffen, daß Potentialdifferenzen der Masseleitun­ gen nicht zu Meßfehlern führen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Zusam­ menhang mit einem Diagnosesystem in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Steuergerät mit Sensorelement und Diagnosesystem;

Fig. 2 ein Diagramm;

Fig. 3 eine Schaltung.

Fig. 1 zeigt ein Steuergerät 1 eines Kraftfahrzeu­ ges mit elektrischen Anschlußleitungen zu einem örtlich abgesetzten Sensorelement 2, hierbei kann es sich um einen Luftmassenstrommesser handeln, dessen Ausgangssignal Ua (Volt) in dem Steuergerät 1 für diverse Funktionen verarbeitet wird. Die elektrischen Anschlußleitungen 3, 4, 5, 6 und 7 übertragen hier das Ausgangssignal Ua, eine Refe­ renzspannung Uref, eine Batteriespannung Ubatt und bilden die beiden Masseleitungen für die Leistungs- bzw. Analogmasse für die Batteriespannung Ubatt bzw. die Referenzspannung Uref sowie für das Aus­ gangssignal Ua.

Das Steuergerät 1 kann weitere Aggregate 8 aufwei­ sen, die ebenfalls mit einem Sensor und einem Lei­ stungsteil ausgestattet sein und ebenfalls durch ein Diagnosesystem überprüft werden können.

Das Steuergerät 1 weist hierfür einen Diagnose-Sy­ stemanschluß 9 auf, über den ein bekanntes Diagno­ segerät mit Display 10 angeschlossen ist.

Im Steuergerät 1 ist eine Hardwareschaltung 11 an­ geordnet, mit der es gelingt, bei nichtleitenden Anschlußleitungen 3, 4, 5, 6 und 7 das Ausgangs­ signal Ua aus dem normalen Arbeitsbereich herauszu­ ziehen, und zwar bei Unterbrechung der Masseleitun­ gen für die Leistungs- bzw. Analogmasse (Anschlußleitungen 6 bzw. 7) die Spannung über die höchste maximale Arbeitsspannung Umax hinaus und bei Unterbrechung der Leitungen 3, 4, 5 für das Ausgangssignal Ua, die Referenzspannung Uref sowie die Batteriespannung Ubatt unter die niedrigste minimale Arbeitsspannung Umin, wie in Fig. 2 darge­ stellt ist, in der ein Diagramm mit einer Kennlinie des Ausgangssignals Ua über dem Luftmassenstrom mL aufgetragen ist. Die beiden herausgezogenen Spannungsbereiche 12, 13 sind schraffiert darge­ stellt.

Somit ist es möglich geworden, neben der bekannten Überprüfung der Ausgangssignal-Ua-Kennlinie fest­ zustellen, ob das Aggregat durch unterbrochene An­ schlußleitungen Fehlfunktionen aufweist.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Hardwareschaltung 11, insbesondere für eine im Steuergerät integrierte Fehlerauswerteschaltung mit dem Sensorelement 2, dessen Ausgangssignal Ua über die Anschlußleitung 3 einer sogenannten ratiometrischen Korrekturstufe 12 zugeführt und proportional zu der an dieser über Leitung 4 anliegenden Referenzspannung Uref verän­ dert wird. Das Ausgangssignal der Korrekturstufe 12 wird einem Differenzverstärker 13 zugeführt und in diesem mit Verstärkung um eins die Differenz zwi­ schen dem Ausgangssignal und der Leistungsmasse = Leitung 6 in eine auf die Analogmasse = Leitung 7 bezogene Spannung umgesetzt. Durch diese Maßnahme wird eine Unabhängigkeit von Potentialunterschieden zwischen der Leistungs- und Analogmasse erreicht. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 13 wird dann einem Transistor 14 aufgeschaltet, dessen Sät­ tigungsspannung und das Verhältnis zweier Wider­ stände 15, 16 den Abstand einer Maximalausgangs­ spannung Umax des Transistors 14 zu der Referenz­ spannung Uref bestimmen, wobei eine Minimalspannung Umin vom Sensorelement 2 bereitgestellt wird, die dem Ausgangssignalwert Ua bei stehender Luft am Sensorelement 2 entspricht, so daß der Aus­ gangssignalarbeitsbereich durch diese Maximal-Mi­ nimalspannungen begrenzt ist. Die Batterie­ spannungsleitung 5 bzw. die Differenzverstärker­ ausgangsleitung wird über einen relativ niederohmi­ gen Widerstand 17 bzw. einer Sperrdiode 18 mit der schaltungsinternen Leistungsmasseleitung 19 verbun­ den. Weitere Widerstände 20 bis 25 bilden Span­ nungsteiler oder dienen der Stabilisierung der Schaltung.

Funktion

Mit der Hardwareschaltung 11 sind folgende Fehler erkennbar:

• a) Abfall von Ubatt = Leitung 5.

Der Differenzverstärker 13 wird stromlos und damit wird der Transistor 14 nicht angesteuert. Es ergibt sich ein Ua von ungefähr 0 Volt, also kleiner als Umin. Eine dem Ausgang Ua nachgeschaltete Fehlerauswerteschaltung ist damit zu betreiben.

• a) Abfall von Uref = Leitung 4.

Die Kollektorspannung am Transistor 14 geht gegen Null, der noch fließende Basisstrom baut über Wi­ derstand 25 nur eine geringe Spannung an Widerstand 24 auf. Bei entsprechender Dimensionierung der Wi­ derstände 24 und 25 ergibt sich dann ein Ua kleiner Umin.

• a) Abfall der Analogmasse = Leitung 7.

Über den Widerstand 27 wird der Masseanschluß des Widerstandes 24 auf Uref gezogen. Daraus ergibt sich Umax < Ua ≦ Uref.

• a) Abfall der Leistungsmasse = Leitung 6.

Durch den relativ niederohmigen Widerstand 17 wird die schaltungsinterne Masseleitung 19 und damit die Anode der Sperrdiode 18 auf das Poential von unge­ fähr Ubatt gezogen. Durch die Sperrdiode 18 fließt daher ein sehr hoher Strom, der über den Emitter des Transistors 14 an dem Widerstand 24 einen Span­ nungsabfall erzeugt. Der Kollektor des Transistors begrenzt diese Spannung auf Uref. Daraus ergibt sich Umax < Va ≈ Uref.

Alle Anschlußleitungsfehler a) bis d) sind damit durch charakteristische Spannungsgrößen angezeigt, die von einer Fehlerauswerteschaltung, zum Beispiel einem A/D-Wandler eines Steuergerätes, erkannt wer­ den können und den Meßbereich 0 ≦ Ua ≦ Uref nicht überschreiten.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Verarbeitung und Übertragung von Signalen zwischen einem Sensor oder Steller und einem digitalen Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, wobei das Steuergerät einen Diagno­ seanschluß oder eine Fehlerauswerteschaltung auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (1) eine Schaltung (11) zur Bildung von Ausgangs­ signalen (Ua) aufweist, die unterhalb oder oberhalb des normalen Arbeitsspannungsbereiches liegen, wenn eine Unterbrechung der Anschlußleitungen (3 bis 7) vorliegt, so daß diese durch ein angeschlossenes Diagnosesystem (9) oder die Fehlerauswerteschaltung erkannt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, ins­ besondere für eine im Steuergerät integrierte Feh­ lerauswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (Ua) des Sensorelements (2) ei­ ner Korrekturstufe (12) zugeführt und propotional zu der vorliegenden Referenzspannung (Uref) verän­ dert wird,
daß das Ausgangssignal der Korrekturstufe (12) ei­ nem Differenzverstärker (13) zugeführt und in die­ sem mit Verstärkung um eins die Differenz zwischen Ausgangssignal und Leistungsmasse (6) in eine auf die Analogmasse (7) bezogene Spannung umgesetzt wird,
daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (13) einem Transistor (14) aufgeschaltet wird, des­ sen Sättigungsspannung und das Verhältnis zweier Widerstände (15, 16) den Abstand einer Maximalaus­ gangsspannung (Umax) des Transistors (14) zu der Referenzschaltung (Uref) bestimmen, wobei eine Mi­ nimalspannung (Umin) vom Sensorelement (2) bereit­ gestellt wird, so daß ein Ausgangs­ signalarbeitsbereich durch diese Maximal-Minimal­ spannungen begrenzt ist, und daß die Batterie­ spannungsleitung (5) bzw. die Differenzverstärker­ ausgangsleitung über einen relativ niederohmigen Widerstand (17) bzw. eine Sperrdiode (18) mit der schaltungsinternen Leistungsmasseleitung (19) ver­ bunden sind.