WO2002035297A2 - System zur steuerung von betriebsabläufen - Google Patents

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WO2002035297A2
WO2002035297A2 PCT/DE2001/003970 DE0103970W WO0235297A2 WO 2002035297 A2 WO2002035297 A2 WO 2002035297A2 DE 0103970 W DE0103970 W DE 0103970W WO 0235297 A2 WO0235297 A2 WO 0235297A2
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hardware
interface
signals
memory
capsule
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PCT/DE2001/003970
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Martin Thomas
Bernd Illg
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Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F9/00—Arrangements for program control, e.g. control units
    • G06F9/06—Arrangements for program control, e.g. control units using stored programs, i.e. using an internal store of processing equipment to receive or retain programs
    • G06F9/46—Multiprogramming arrangements
    • G06F9/54—Interprogram communication
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0426—Programming the control sequence
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/23—Pc programming
    • G05B2219/23188—Software independent and dependent of hardware

Definitions

  • the invention relates to a system for controlling operating processes, in particular in a vehicle, according to the generic terms of the independent claims.
  • Embedded software e.g. B. in engine control units is composed of different program modules.
  • MicroControllers are used in the control units to execute the program modules.
  • Input and output variables that are recorded or output by the controller hardware are stored in the controller registers.
  • the hardware of the microcontroller was accessed directly from the functional program parts.
  • the computer variables for input signals are converted into physical values (e.g. temperature in K) and then further processed at the physical level.
  • output variables the physical results are converted into the computer variables and written into the registers. This means that when changing to a different controller, the functional modules must also be changed, ie adapted to the new hardware.
  • FIG. 1 shows a control unit with input and output variables.
  • FIG. 2 shows a division according to the invention into user software (application software) and hardware-dependent software by operating system (operating system) and hardware capsule (hardware encupsulation).
  • Figure 3 shows a hardware capsule for selected modules.
  • the invention is based on a system for controlling operating processes, in particular in a vehicle, the system for controlling the operating processes containing program modules.
  • the program modules themselves and / or the program modules in their entirety are advantageously divided into a hardware-dependent and a hardware-independent portion divided, with the hardware-dependent part and the hardware-independent part exchanging physical quantities.
  • the program modules are advantageously divided into a hardware-dependent part (hardware encapsulation) and a hardware-independent part (application software).
  • the application software is expediently provided with services which access the hardware registers and read out the recorded values or download specified values.
  • physical values are transferred at the interface between hardware encapsulation and application software. Due to the physical values z.
  • Temperature in K which is recorded using an analog-digital converter, for example, is unrelated to the raw value, which is recorded in one controller as an IOBit value and in the other as an 8-bit value.
  • the software can be used on differently powerful controllers (8-bit / 10-bit AD converters). It is also possible to run the application software on controllers from different manufacturers.
  • the hardware encapsulation transfers or receives physical values at the interface regardless of the respective application. This makes it possible to encapsulate the hardware independently of the application (Engine control / transmission control / ABS / %) in different control units in which the same controller is used.
  • the hardware encapsulation of a control device e.g. Generation EDC 16/7 corresponds to a software abstraction layer, which provides for a strict separation between hardware and user software (e.g. driving software)
  • the user software is basically independent of the hardware used. If the hardware properties change, they only affect the hardware encapsulation, but not the application functions that run on it. Ultimately, the simple construction of a project by means of hardware adaptation without intervention in the S ⁇ urce code is promoted. This in turn increases the maintainability of the system
  • the hardware encapsulation of the controller shown in FIG. 1 can be freely configured with regard to the signals to be processed. I / ⁇ operations can e.g. via the multifunctional controller pins and the hardware components DIO, TPU, QADC, SPI, etc.
  • the main task of developers in the field of hardware encapsulation is to provide a wide range of elementary, redundancy-free functionalities (signal evaluations, diagnostic functions, etc.). These functionalities are implemented in the form of modules and combined as a whole in a library or in an archive (cf. FIG. 3). Individual modules are described by way of example in FIG. 3.
  • the modules of the hardware capsule are defined logically and according to the type of signal. In addition, these modules are also physically oriented.
  • the user software which is based on this platform in the next stage of development, can now implement a wide variety of customer requirements, whereby an archive is always used.
  • the modules or embedded control functions used can be configured according to the requirements.
  • Hardware for example, is based on a control unit shown in FIG. 1, which can be used, for example, for engine control, transmission control, brake control, etc. in a vehicle. Modern digital technology offers a wide range of control and regulation options in motor vehicles. Many influencing factors can be included at the same time so that the systems can be operated optimally.
  • the control unit receives the electrical signals from the sensors, evaluates them and calculates the control signals for the actuators.
  • the control program is stored in a memory.
  • a microcontroller executes the program.
  • the components of the control unit are called "hardware".
  • sensors form the interface between the vehicle and the control unit as a processing unit.
  • the electrical signals from the sensors are fed to the control unit via the wiring harness and plug connector.
  • Analog input signals can assume any voltage value within a certain range. Examples of physical quantities that are available as analog measured values are the intake air mass, battery voltage, intake manifold and boost pressure, cooling water and intake air temperature. They are converted by analog / digital converters (A / D converters) in the microcontroller of the control unit into digital values with which the microprocessor can calculate. The maximum resolution of these signals is in 5 mV steps / bit (approx. 1000 steps).
  • Digital input signals have only two states, “High” (logical 1) and “Low” (logical 0). Examples of digital input signals are switching signals (on / off) or digital sensor signals such as speed pulses from a Hall or Field plate sensor. They can be processed directly by the microcontroller
  • Pulse-shaped input signals from inductive sensors with information about speed and reference mark are processed in a separate circuit section in the control unit. Interference pulses are suppressed and the pulse-shaped signals are converted into digital square-wave signals.
  • signal processing takes place in blocks SA1, SA2 and / or SA3.
  • Protective circuits limit the input signals to the permissible voltage level.
  • the useful signal is largely freed of superimposed interference signals by filtering and, if necessary, adjusted to the permissible input voltage of the microcontroller by amplification (0 ... 5 V).
  • some or all of the signal processing can take place in the sensor.
  • the control unit is the control center for the functional sequences of the engine control.
  • the control and regulation algorithms run in the microcontroller.
  • the input signals provided by the sensors and the interfaces to other systems serve as input variables. You are again checked for plausibility in the computer.
  • the output signals are calculated using the program.
  • the microcontroller is the central component of a control unit. It controls its functional sequence. in the In addition to the CPU (central processing unit), microcontrollers are also integrated on a microchip, input and output channels, timer units, RAM, ROM, serial interfaces and other peripheral modules. A quartz clocks the microcontroller.
  • the microcontroller requires a program for the calculations - the so-called "software". It is stored in the form of binary numerical values, which are divided into data records, in a program memory. The CPU reads these values, interprets them as commands and executes these commands One by one.
  • the program is stored in a read-only memory (ROM, EPROM or Flash EPROM).
  • ROM read-only memory
  • variant-specific data individual data, characteristic curves and maps
  • This is unchangeable data that cannot be changed in vehicle operation. They influence the control and regulation processes of the program.
  • the program memory can be integrated in the microcontroller and, depending on the application, can also be expanded in a separate component (e.g. by an EPROM or Flash EPROM).
  • Program memories can be designed as ROMs (Read Qnly Memory). This is a read-only memory, the content of which is determined during production and cannot be changed afterwards. The memory capacity of the ROM integrated in the microcontroller is limited. Additional memory is required for complex applications.
  • ROMs Read Qnly Memory
  • EPROM Erasable Programmable ROM, ie erasable and programmable ROM
  • the EPROM is usually designed as a separate component.
  • the CPU addresses the EPROM via the address / data bus.
  • the flash EPROM is often only called "flash”. It can be erased electrically. This means that the control units can be reprogrammed in the customer service workshop without having to open them.
  • the control unit is connected to the reprogramming station via a serial interface.
  • microcontroller also contains a ROM
  • programming routines for flash programming are stored there. Flash EPROMs can now also be integrated on a microchip together with the microcontroller (from EDC16).
  • the Flash EPROM has largely replaced the conventional EPROM due to its advantages.
  • Such a read / write memory is necessary to change data (variables) such. B. to save calculated values and signal values.
  • RAM Random Access Memory
  • ie read / write memory All current values are stored in RAM (Random Access Memory, ie read / write memory). The storage capacity of the im is sufficient for complex applications Microcontrollers do not integrate RAMs, so an additional RAM module is required. It is connected to the microcontroller via the address / data bus. When the control unit is switched off via the ignition lock, the RAM loses all of its data (volatile memory).
  • EEPROM also called E 2 PROM
  • the RAM loses its information if it is disconnected from the power supply (e.g. when the ignition is switched off). Data that must not be lost (e.g. codes for the immobilizer and data from the fault memory) must be permanently stored in a non-volatile permanent memory.
  • the EEPROM is an electrically erasable EPROM, in which, unlike the Flash EPROM, each memory cell can be erased individually. It is also designed for a higher number of write cycles. The EEPROM can thus be used as a non-volatile read / write memory.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • the control unit has a monitoring module.
  • the microcontroller and the monitoring module monitor one another by means of a so-called “question and answer game”. If an error is detected, both can switch off the injection independently of one another.
  • the microcontroller controls output stages with the output signals, which usually provide enough power for the direct connection of the actuators. It is also possible that the output stage controls a relay.
  • the output stages are protected against short circuits against ground or battery voltage and against destruction due to electrical or thermal overload. These errors as well as disconnected lines are recognized by the output stage IC and reported to the microcontroller.
  • Actuators can be switched on and off using the switching signals (e.g. motor fan).
  • Digital output signals can be output as PWM signals.
  • These "pulse-width-modulated” signals are square-wave signals with a constant frequency but a variable switch-on time (Fig. 3). With these signals, actuators (actuators) can be brought into any working position (e.g. exhaust gas recirculation valve, fan, heating elements, boost pressure controller).
  • the peripheral components that support the microcontroller in its work must be able to communicate with it. This is done via the address / data bus.
  • the microcontroller outputs z. B. the RAM address whose memory content is to be read.
  • the data associated with the address is then transmitted via the data bus.
  • 8-bit bus structure This means that the data bus consists of eight lines over which 256 values can be transmitted.
  • the 16-bit address bus common in these systems, 65 536 addresses can be addressed.
  • Complex systems nowadays require 16 or even 32 bits for the data bus.
  • the data and address bus can be combined in a multiplex system, ie the address and data are transmitted at different times and use the same lines. For data that does not have to be transferred as quickly (e.g. fault memory data), serial interfaces with only one data line are used.
  • the large number of vehicle variants that require different control programs and data sets requires a method for reducing the types of control device required by the vehicle manufacturer.
  • the entire memory area of the Flash EPROM can be programmed with the program and the variant-specific data set at the end of vehicle production (EOL, End Of Line Programming).
  • EOL End Of Line Programming
  • Another possibility is that several data variants (e.g. gearbox variants) are stored in the memory, which are then selected by coding at the end of the line. This coding is stored in the EEPROM.
  • the actual hardware of the system represented in this way has an interface SSI to the hardware capsule (hardware encupsulation) and an interface SS2 to the operating system (operatin system).
  • the hardware capsule can then have read and / or write access to the hardware registers in the hardware through the services mentioned in the hardware capsule or the SSI interface itself.
  • the hardware capsule then exchanges physical values with the user software (application software), which leads to the advantages mentioned above.
  • the existing operating system depends on the hardware and is linked to the user software via an SS3 interface and to the hardware capsule using SS4. At the same time, the operating system is connected to the actual hardware via interface SS2.
  • the hardware-independent portion can then be linked together in archives or libraries, which can be reused, so that project-independent archiving is created in the application software, which depending on the application in different projects relies on a hardware-dependent hardware capsule and / or a hardware-dependent one Operating system can be set up.

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Abstract

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

Description

System zur Steuerung von Betriebsabläufen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung von Betriebsabläufen, insbesondere bei einem Fahrzeug, gemäß den Oberbegrif en 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 anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 ein Steuergerät mit Eingangs- und Ausgangsgrößen. In Figur 2 wird eine erfindungsgemäße Aufteilung in Anwendersoftware (Application Software) und hardwareabhängige Software durch Betriebssystem (operating System) und Hardwarekapsel (Hardware encupsulation) dargestellt. Figur 3 zeigt eine Hardwarekapsel für beispielhaft gewählte Module.
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 controllerunabhägig 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 lOBit- und im anderen als 8Bit-Wert erfasst wird, controllerunabhanig .
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 (8Bit/lOBit 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 Sof ware-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 Figur 2 gezeigt . Um an Hardware-Informationen zu gelangen, müssen Anwendungs- Funktionen (Application Software) entweder das Betriebssystem (operating System) oder die Hardware- Kapselung (hardware encupsulation) 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 konkurrenzf eie, 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 Sσurce-Code begünstigt. Dies wiederum steigert die Wartbarkeit des Systems
Die Hardware-Kapselung des in Figur 1 dargestellten Controllers ist bezüglich der zu verarbeitenden Signale frei konfigurierbar. l/θ-Operationen können z.B. über die multifunktionalen Controller-Pins und die Hardware- Komponenten DIO, 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. Figur 3) . Einzelne Module sind Beispielhaft in Figur 3 beschrieben.
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 zurückgegrif en wird. Die verwendeten Module bzw. Embedded Control-Funktionen lassen sich entsprechend den Anforderungen konfigurieren.
Als Hardware ist beispielsweise ein in Figur 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 pulsformigen Signale in digitale Rechtecksignale umgewandelt.
Signalaufbereitung
Die Signalaufbereitung findet abhängig von der Art des Eingangssignals in den Blöcken SA1 , SA2 und/oder SA3 statt. 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 .
Mikrocontrol1er
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 Qnly 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- rogrammierung 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. Die damit dargestellte eigentliche Hardware des Systems besitzt gemäß Figur 2 eine Schnittstelle SSI zur Hardwarekapsel (hardware encupsulation) und eine Schnittstelle SS2 zum Betriebssystem (operatin System) . Durch die eingangs genannten Dienste in der Hardwarekapsel oder der Schnittstelle SSI selbst kann dann die Hardwarekapsel auf die Hardwareregister in der Hardware lesend und/oder schreibend zugreifen.
An der Schnittstelle SS 5 tauscht dann die Hardwarekapsel mit der Anwender Software (application Software) physikalische Werte aus, was zu obengenannten Vorteilen führt .
Das bestehende Betriebssystem ist hardwareabhängig und über eine Schnittstelle SS3 mit der Anwender Software und mit SS4 mit der Hardwarekapsel verknüpft. Gleichzeitig ist das Betriebssystem über Schnittstelle SS2 mit der eigentlichen Hardware verbunden .
Durch diese Anordnung gemäß Figur 2 läßt sich dann der hardwareunabhängige Anteil in Archiven bzw. Bibliotheken zusammenbinden, welche wiederverwendet werden können, so dass Projekt unabhängige Archivierung in der Anwendungssoftware entsteht, die je nach Anwendung in verschiedenen Projekten auf eine hardwareabhängige Hardwarekapsel und/oder ein hardwareabhängiges Betriebssystem aufgesetzt werden kann.

Claims

Ansprüche
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.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der harwareabhängige Anteil der Programmmodule in einer Hardwarekapsel zusammengefasst wird und derart von dem hardwareunabhängigen Anteil getrennt wird, dass beide Anteile über eine erste Schnittstelle physikalische Größen austauschen.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hardwareunabhängige Anteil neben der ersten Schnittstelle zur Hardwarekapsel eine zweite Schnittstelle zu einem Betriebssystem aufweist.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hardwarekapsel und das Betriebssystem über eine dritte Schnittstelle verbunden sind.
5. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hardwarekapsel eine Schnittstelle zur eigentlichen Hardware des Systems aufweist.
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