DE10052570A1 - System zur Steuerung von Betriebsabläufen - Google Patents

Abstract

System zur Steuerung von Betriebsabläufen, insbesondere bei einem Fahrzeug, wobei das System zur Steuerung der Betriebsabläufe Programmmodule enthält und die Programmmodule selbst und/oder die Programmmodule in ihrer Gesamtheit in einen hardwareabhängigen und einen hardwareunabhängigen Anteil aufgeteilt sind, wobei der hardwareabhängige Anteil und der hardwareunabhängige Anteil physikalische Größen austauschen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung von Betriebsabläufen, insbesondere bei einem Fahrzeug, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Embedded Software z. B. in Motorsteuergeräten wird aus verschiedenen Programmmodulen zusammengesetzt. In den Steuergeräten werden zur Ausführung der Programmmodule Mikrocontroller eingesetzt. Ein- und Ausgangsgrößen, die von der Controller Hardware erfasst bzw. ausgegeben werden, werden in den Controller-Registern abgelegt. In den bisherigen Steuergeräten wurde direkt aus den funktionalen Programmteilen auf die Hardware des Mikrocontrollers zugegriffen. In den funktionalen Programmteilen werden bei Eingangssignalen die Rechnergrößen in physikalische Werte (z. B. Temperatur in K) umgewandelt und dann auf physikalischer Ebene weiterverarbeitet. Bei Ausgangsgrößen werden die physikalischen Ergebnisse in die Rechnergrößen umgewandelt und in die Register geschrieben.

Dadurch müssen beim Übergang auf einen anderen Controller auch die funktionalen Module geändert, d. h. auf die neue Hardware angepasst werden.

Dies zeigt, dass der Stand der Technik, nicht in jeder Hinsicht optimale Ergebnisse zu liefern vermag, deshalb soll diese Situation optimiert und Controllerunabhängigkeit der Anwendersoftware erzeugt werden.

Vorteile der Erfindung und Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung und der Figuren erläutert, woraus sich neben den genannten noch weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ebenso wie aus den Ansprüchen ergeben.

Die Erfindung geht aus von einem System zur Steuerung von Betriebsabläufen, insbesondere bei einem Fahrzeug, wobei das System zur Steuerung der Betriebsabläufe Programmmodule enthält.

Vorteilhafter Weise sind die Programmmodule selbst und/oder die Programmmodule in Ihrer Gesamtheit in einen hardwareabhängigen und einen hardwareunabhängigen Anteil aufgeteilt, wobei der hardwareabhängige Anteil und der hardwareunabhängige Anteil physikalische Größen austauschen.

Im neuen Konzept werden vorteilhafter Weise die Programmmodule in einen hardwareabhängigen Teil (Hardwarekapselung) und einen hardwareunabhängigen Teil (Anwendungssoftware) aufgeteilt. In der Hardwarekapselung werden der Anwendungssoftware zweckmäßiger Weise Dienste zur Verfügung gestellt, die auf die Hardwareregister zugreifen und die erfassten Werte auslesen bzw. vorgegebene Werte herunterladen. Um in der Anwendersoftware controllerunabhängig zu sein werden an der Schnittstelle zwischen Hardwarekapselung und Anwendungssoftware physikalische Werte übergeben. Durch die physikalischen Werte z. B. Temperatur in K die bspw. über eine Analog- Digital Converter erfasst wird, ist man im Gegensatz zum Rohwert, der im einen Controller als 10 Bit und im anderen als 8 Bit Wert erfasst wird, controllerunabhängig.

Durch die Aufteilung in Anwendungssoftware und Hardwarekapselung mit den physikalischen Schnittstellen wurde erreicht, daß ein großer Teil der Softwaremodule auf Steuergeräten mit unterschiedlichen Controllern verwendet werden kann.

Durch die physikalischen Schnittstellen kann die Software auf unterschiedlich leistungsstarken Controllern (8 Bit/10 AD-Wandler) eingesetzt werden. Zusätzlich ist die Möglichkeit gegeben die Anwendungs-SW auf Controllern von verschiedenen Herstellern ablaufen zu lassen.

Die Hardwarekapselung übergibt bzw. erhält an der Schnittstelle physikalische Werte unabhängig von der jeweiligen Anwendung. Dadurch besteht die Möglichkeit die Hardwarekapselung unabhängig von der Anwendung (Motorsteuerung/Getriebesteuerung/ABS/. . .) in verschiedenen Steuergeräten in denen der gleiche Controller eingesetzt wird einzusetzen.

Die Hardware-Kapselung (engl.: hardware-encapsulation) eines Steuergerätes z. B. der Generation EDC 16/7 entspricht einer Software-Abstraktionsschicht, welche eine strikte Trennung zwischen Hardware und Anwender-Software (z. B. Fahrsoftware) vorsieht.

Offensichtlich besteht keine direkte Verbindung zwischen Hardware und Anwender-Software wie in Fig. 2 gezeigt. Um an Hardware-Informationen zu gelangen, müssen Anwendungs- Funktionen entweder das Betriebssystem oder die Hardware- Kapselung benutzen.

Das verfolgte Software-Konzept der Hardware-Kapselung verlangt eine vollkommene Einkapselung aller Hardware- Funktionen in einer schlanken Schnittstelle. Gemäß diesem Ansatz sind direkte Hardware-Zugriffe für die Anwender- Software nicht mehr erforderlich, da die Hardware-Kapsel die Übergabe physikalischer Werte an einer definierten Schnittstelle, unabhängig von der Signalquelle, sowie konkurrenzfreie, elementare Funktionalität garantiert. Das Gesamtsystem wird dadurch wesentlich stabiler und vor allem sicherer.

Aufgrund dieses Konzeptes wird die Anwender-Software prinzipiell unabhängig von der verwendeten Hardware. Ändern sich die Hardware-Eigenschaften, so wirken sich diese nur auf die Hardware-Kapselung aus, nicht aber auf die darauf ablaufenden Anwendungs-Funktionen.

Somit wird letztendlich der einfache Aufbau eines Projektes mittels Hardwareanpassung ohne Eingriff in den Source-Code begünstigt. Dies wiederum steigert die Wartbarkeit des Systems.

Die Hardware-Kapselung des in Fig. 1 dargestellten Controllers ist bezüglich der zu verarbeitenden Signale frei konfigurierbar. I/O-Operationen können z. B. über die multifunktionalen Controller-Pins und die Hardware- Komponenten DID, TPU, QADC, SPI, etc. durchgeführt werden.

Die Aufgabe der Entwickler im Bereich Hardware-Kapselung besteht hauptsächlich darin, ein breites Spektrum an elementaren, redundanzfreien Funktionalitäten (Signalauswertungen, Diagnosefunktionen, etc.) zur Verfügung zu stellen. Diese Funktionalitäten werden in Form von Modulen realisiert und als Ganzes in einer Bibliothek bzw. in einem Archiv zusammengefaßt (vgl. Fig. 3).

Die Module der Hardware-Kapsel sind logisch und signalartorientiert definiert. Daneben liegen diese Module auch physikalisch orientiert vor.

Die Anwender-Software, die in der nächsten Entwicklungsstufe auf dieser Plattform aufsetzt, kann nun verschiedenste Kundenanforderungen realisieren, wobei stets auf dieses eine Archiv zurückgegriffen wird. Die verwendeten Module bzw. Embedded Control-Funktionen lassen sich entsprechend den Anforderungen konfigurieren.

Als Hardware ist beispielsweise ein in Fig. 1 dargestelltes Steuergerät zugrunde gelegt, welches z. B. zur Motorsteuerung, Getriebesteuerung, Bremsensteuerung, usw. bei einem Fahrzeug eingesetzt werden kann.

Mit der modernen Digitaltechnik ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Steuerung und Regelung im Kraftfahrzeug. Viele Einflussgrößen können gleichzeitig mit einbezogen werden, sodass die Systeme optimal betrieben werden können. Das Steuergerät empfängt die elektrischen Signale der Sensoren, wertet sie aus und berechnet die Ansteuersignale für die Stellglieder (Aktoren). Das Steuerungsprogramm ist in einem Speicher abgelegt. Die Ausführung des Programms übernimmt ein Mikrocontroller. Die Bauteile des Steuergeräts werden "Hardware" genannt.

Sensoren bilden neben den Stellgliedern (Aktoren) als Peripherie die Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug und dem Steuergerät als Verarbeitungseinheit. Die elektrischen Signale der Sensoren werden dem Steuergerät über Kabelbaum und Steckverbinder zugeführt. Diese Signale können unterschiedliche Formen haben:
Analoge Eingangssignale können jeden beliebigen Spannungswert innerhalb eines bestimmten Bereichs annehmen. Beispiele für physikalische Größen, die als analoge Messwerte bereitstehen, sind die angesaugte Luftmasse, Batteriespannung, Saugrohr- und Ladedruck, Kühlwasser- und Ansauglufttemperatur. Sie werden von Analog/Digitalwandlern (A/D-Wandlern) im Mikrocontroller des Steuergeräts in digitale Werte umgeformt, mit denen der Mikroprozessor rechnen kann. Die maximale Auflösung dieser Signale erfolgt in 5 mV Stufen/Bit (ca. 1000 Stufen).

Digitale Eingangssignale besitzen nur zwei Zustände, "High" (logisch 1) und "Low" (logisch 0). Beispiele für digitale Eingangssignale sind Schaltsignale (Ein/Aus) oder digitale Sensorsignale wie Drehzahlimpulse eines Hall- oder Feldplattensensors. Sie können vom Mikrocontroller direkt verarbeitet werden.

Pulsförmige Eingangssignale von induktiven Sensoren mit Informationen über Drehzahl und Bezugsmarke werden in einem eigenen Schaltungsteil im Steuergerät aufbereitet. Dabei werden Störimpulse unterdrückt und die pulsförmigen Signale in digitale Rechtecksignale umgewandelt.

Signalaufbereitung

Die Eingangssignale werden mit Schutzbeschaltungen auf zulässige Spannungspegel begrenzt. Das Nutzsignal wird durch Filterung weitgehend von überlagerten Störsignalen befreit und gegebenenfalls durch Verstärkung an die zulässige Eingangsspannung des Mikrocontrollers angepasst (0...5 V). Je nach Integrationsstufe kann die Signalaufbereitung teilweise oder auch ganz bereits im Sensor stattfinden.

Signalverarbeitung

Das Steuergerät ist die Schaltzentrale für die Funktionsabläufe der Motorsteuerung. Im Mikrocontroller laufen die Steuer- und Regelalgorithmen ab. Die von den Sensoren und den Schnittstellen zu anderen Systemen bereitgestellten Eingangssignale dienen als Eingangsgrößen. Sie werden im Rechner nochmals plausibilisiert. Mit Hilfe des Programms werden die Ausgangssignale berechnet.

Mikrocontroller

Der Mikrocontroller ist das zentrale Bauelement eines Steuergeräts. Er steuert dessen Funktionsablauf. Im Mikrocontroller sind außer der CPU (Central Processing Unit, d. h. zentrale Recheneinheit) noch Eingangs- und Ausgangskanäle, Timereinheiten, RAM, ROM, serielle Schnittstellen und weitere periphere Baugruppen auf einem Mikrochip integriert. Ein Quarz taktet den Mikrocontroller.

Programm- und Datenspeicher

Der Mikrocontroller benötigt für die Berechnungen ein Programm - die sogenannte "Software". Sie ist in Form von binären Zahlenwerten, die in Datensätze gegliedert sind, in einem Programmspeicher abgelegt. Die CPU liest diese Werte aus, interpretiert sie als Befehle und führt diese Befehle der Reihe nach aus.

Das Programm ist in einem Festwertspeicher (ROM, EPROM oder Flash-EPROM) abgelegt. Zusätzlich sind variantenspezifische Daten (Einzeldaten, Kennlinien und Kennfelder) in diesem Speicher vorhanden. Hierbei handelt es sich um unveränderliche Daten, die im Fahrzeugbetrieb nicht verändert werden können. Sie beeinflussen die Steuer- und Regelablaufe des Programms.

Der Programmspeicher kann im Mikrocontroller integriert und je nach Anwendung noch zusätzlich in einem separaten Bauteil erweitert sein (z. B. durch ein EPROM oder Flash-EPROM).

ROM

Programmspeicher können als ROM (Read Only Memory) ausgeführt sein. Das ist ein Lesespeicher, dessen Inhalt bei der Herstellung festgelegt wird und danach nicht wieder geändert werden kann. Die Speicherkapazität des im Mikrocontroller integrierten ROMs ist begrenzt. Für komplexe Anwendungen ist ein zusätzlicher Speicher erforderlich.

EPROM

Das EPROM (Erasable Programmable ROM, d. h. lösch- und programmierbares ROM) kann durch Bestrahlen mit UV-Licht gelöscht und mit einem Programmiergerät wieder neu beschrieben werden. Das EPROM ist meist als separates Bauteil ausgeführt. Die CPU spricht das EPROM über den Adress-/Datenbus an.

Flash-EPROM (FEPROM)

Das Flash-EPROM wird oft nur "Flash" genannt. Es ist auf elektrischem Wege löschbar. Somit können die Steuergeräte in der Kundendienst-Werkstatt umprogrammiert werden, ohne es öffnen zu müssen. Das Steuergerät ist dabei über eine serielle Schnittstelle mit der Umprogrammierstation verbunden.

Enthält der Mikrocontroller zusätzlich ein ROM, so sind dort die Programmierroutinen für die Flash-Programmierung abgelegt. Flash-EPROMs können mittlerweile auch zusammen mit dem Mikrocontroller auf einem Mikrochip integriert sein (ab EDC16).

Das Flash-EPROM hat aufgrund seiner Vorteile das herkömmliche EPROM weitgehend verdrängt.

Variablen- oder Arbeitsspeicher

Ein solcher Schreib-/Lesespeicher ist notwendig, um veränderliche Daten (Variablen), wie z. B. Rechenwerte und Signalwerte zu speichern.

RAM

Die Ablage aller aktuellen Werte erfolgt im RAM (Random Access Memory, d. h. Schreib-/Lesespeicher). Für komplexe Anwendungen reicht die Speicherkapazität des im Mikrocontroller integrierten RAMs nicht aus, so dass ein zusätzlicher RAM-Baustein erforderlich ist. Er ist über den Adress-/Datenbus an den Mikrocontroller angeschlossen. Beim Ausschalten des Steuergeräts über das Zündschloss verliert das RAM den gesamten Datenbestand (flüchtiger Speicher).

EEPROM (auch E²PROM genannt)

Das RAM verliert seine Information, wenn es von der Spannungsversorgung getrennt wird (z. B. bei ausgeschalteter Zündung). Daten, die nicht verloren gehen dürfen (z. B. Codes für die Wegfahrsperre und Daten des Fehlerspeichers), müssen dauerhaft in einem nicht flüchtigen Dauerspeicher abgelegt werden. Das EEPROM ist ein elektrisch löschbares EPROM, bei dem im Gegensatz zum Flash-EPROM jede Speicherzelle einzeln gelöscht werden kann. Es ist auch für eine höhere Anzahl an Schreibzyklen designed. Somit ist das EEPROM als nichtflüchtiger Schreib-/Lesespeicher einsetzbar.

ASIC

Wegen der immer größer werdenden Komplexität der Steuergerätefunktionen reichen die am Markt erhältlichen Standard-Mikrocontroller nicht aus. Abhilfe schaffen hier ASIC-Bausteine (Application Specific Integrated Circuit, d. h. anwendungsbezogene integrierte Schaltung). Diese ICs (Integrated Circuit) werden nach den Vorgaben der Steuergeräteentwicklung entworfen und gefertigt. Sie enthalten beispielsweise ein zusätzliches RAM, Eingangs- und Ausgangskanäle und sie können PWM-Signale erzeugen und ausgeben (siehe unten).

Überwachungsmodul

Das Steuergerät verfügt über ein Überwachungsmodul. Der Mikrocontroller und das Überwachungsmodul überwachen sich gegenseitig durch ein sogenanntes "Frage und Antwort Spiel". Wird ein Fehler erkannt, so können beide unabhängig voneinander die Einspritzung abschalten.

Ausgangssignale

Der Mikrocontroller steuert mit den Ausgangssignalen Endstufen an, die üblicherweise genügend Leistung für den direkten Anschluss der Stellglieder (Aktoren) liefern. Es ist auch möglich, dass die Endstufe ein Relais ansteuert. Die Endstufen sind gegenüber Kurzschlüssen gegen Masse oder der Batteriespannung sowie gegen Zerstörung infolge elektrischer oder thermischer Überlastung geschützt. Diese Fehler sowie aufgetrennte Leitungen werden durch den Endstufen-IC erkannt und dem Mikrocontroller gemeldet.

Schaltsignale

Mit den Schaltsignalen können Stellglieder ein- und ausgeschaltet werden (z. B. Motorlüfter).

PWM-Signale

Digitale Ausgangssignale können als PWM-Signale ausgegeben werden. Diese "Puls-Weiten-Modulierten" Signale sind Rechtecksignale mit konstanter Frequenz aber variabler Einschaltzeit (Bild 3). Mit diesen Signalen können Stellglieder (Aktoren) in beliebige Arbeitsstellungen gebracht werden (z. B. Abgasrückführventil, Lüfter, Heizelemente, Ladedrucksteller).

Kommunikation innerhalb des Steuergeräts

Die peripheren Bauelemente, die den Mikrocontroller in seiner Arbeit unterstützen, müssen mit diesem kommunizieren können. Dies geschieht über den Adress/Datenbus. Der Mikrocontroller gibt über den Adressbus z. B. die RAM- Adresse aus, deren Speicherinhalt gelesen werden soll. Über den Datenbus werden dann die der Adresse zugehörigen Daten übertragen. Frühere Entwicklungen im Kfz-Bereich kamen mit einer 8-Bit-Busstruktur aus. Das heißt, der Datenbus besteht aus acht Leitungen, über den 256 Werte übertragen werden können. Mit dem bei diesen Systemen üblichen 16-Bit- Adressbus können 65 536 Adressen angesprochen werden. Komplexe Systeme erfordern heutzutage 16 oder sogar 32 Bit für den Datenbus. Um an den Bauteilen Pins einzusparen, können Daten- und Adressbus in einem Multiplexsystem zusammengefasst werden, d. h. Adresse und Daten werden zeitlich versetzt übertragen und nutzen gleiche Leitungen. Für Daten, die nicht so schnell übertragen werden müssen (z. B. Fehlerspeicherdaten), werden serielle Schnittstellen mit nur einer Datenleitung eingesetzt.

EOL-Programmierung

Die Vielzahl von Fahrzeugvarianten, die unterschiedliche Steuerungsprogramme und Datensätze verlangen, erfordert ein Verfahren zur Reduzierung der vom Fahrzeughersteller benötigten Steuergerätetypen. Hierzu kann der komplette Speicherbereich des Flash-EPROMs mit dem Programm und dem variantenspezifischen Datensatz am Ende der Fahrzeugproduktion programmiert werden (EOL, End Of Line Programmierung). Eine weitere Möglichkeit ist, dass im Speicher mehrere Datenvarianten (z. B. Getriebevarianten) abgelegt werden, die dann durch Codierung am Bandende ausgewählt werden. Diese Codierung wird im EEPROM abgelegt.

Claims (1)

1. System zur Steuerung von Betriebsabläufen, insbesondere bei einem Fahrzeug, wobei das System zur Steuerung der Betriebsabläufe Programmmodule enthält dadurch gekennzeichnet, dass die Programmmodule selbst und/oder die Programmmodule in Ihrer Gesamtheit in einen hardwareabhängigen und einen hardwareunabhängigen Anteil aufgeteilt sind, wobei der hardwareabhängige Anteil und der hardwareunabhängige Anteil physikalische Größen austauschen.