СХЕМНЫЙ УЗЕЛ И СПОСОБ КОНТРОЛЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА НА ОСНОВЕ СТОРОЖЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G06F11/07 

Изобретение относится к схемному узлу и относится, в частности, к цифровой сторожевой схеме для контроля временной характеристики или характеристики тайминга микроконтроллера. Кроме того, изобретение относится к способу контроля микроконтроллера на основе сторожевого напряжения, которое вырабатывается сторожевым схемным устройством.

Вследствие возрастания расходов при разработке электронных систем все шире происходит переход таких систем с прежних мульти- или многопроцессорных систем на однопроцессорные системы. Из-за также возрастающих требований к функциональной безопасности, например в области транспортных средств и, в частности, в области коммерческих транспортных средств, имеющееся в распоряжении до сих пор в многопроцессорных системах дублирование должно быть гарантировано или еще более улучшено также в однопроцессорных системах.

Сторожевые схемы для характеристики тайминга микроконтроллера в виде цифровых схем и способы (например, оконная сторожевая схема, интеллектуальная сторожевая схема, основанная на последовательностях вопросов и ответов, и т.п.) сами по себе известны. Точно так же сами по себе известно жесткое статическое опорное напряжение на входном выводе или штепсельном штыре аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера, который должен гарантировать корректное функционирование АЦП.

Существует потребность в недорогом и одновременно просто реализуемом схемном узле, который обеспечивал бы простой, однако эффективный контроль временной характеристики микроконтроллера.

В основе изобретения лежит задача создания для однопроцессорной системы с микроконтроллером схемного узла и способа его контроля, с помощью которых аналоговые (АЦП) входы микроконтроллера можно было бы проверить на корректное функционирование и, по возможности, одновременно проверить сам микроконтроллер на корректный внутренний тайминг.

Согласно изобретению, эта задача решается посредством сторожевого схемного узла с признаками п. 1 и способа контроля микроконтроллера на основе сторожевого напряжения с признаками п. 11 формулы. Зависимые пункты формулы относятся к предпочтительным вариантам осуществления изобретения.

В основе изобретения лежит общая идея создания недорогого и одновременно простого схемного узла, который обеспечивал бы простой, однако эффективный контроль тайминга или временной характеристики микроконтроллера. Согласно изобретению, объединены оба требования для проверки функционирования АЦП и для корректного тайминга микроконтроллера. Схема требует в описанных ниже примерах выполнения лишь трех-пяти недорогих стандартных элементов. Необходимое собственное опорное напряжение может быть, не обязательно, предоставлено в распоряжение также другой частью схемы, так что для этого не требуется никаких дополнительных элементов.

Точнее говоря, при использовании высокостабильного опорного напряжения, значение которого точно известно, и известных допусков используемых элементов, которые устанавливают разрешенный или допустимый диапазон регистрируемого напряжения, конденсатор сначала полностью разряжается, а затем, начиная с определенного момента, снова заряжается в соответствии с кривой заряда, определяемой блоком времени. Начиная с этого определенного момента, время зарядки до определенного напряжения, в данном случае регистрируемого контрольного напряжения, которое микроконтроллер будет считывать по истечении этого времени, точно известно. Время зарядки точно задается микроконтроллером и является, тем самым, абсолютной мерой повторно считываемого напряжения. За счет строгой зависимости времени зарядки и значения контрольного напряжения абсолютное время зарядки включено непосредственно в результат. Если это абсолютное время зарядки изменяется за счет, например, отклоняющегося тайминга или сбое внутри микроконтроллера, то контрольное напряжение изменяется пропорционально этому. Если контрольное напряжение выходит за определяемое допусками элементов поле допусков, то эти сбои в микроконтроллере могут быть однозначно обнаружены, и вся система приведена в некритическое для безопасности эксплуатационное состояние.

В соответствии с изложенным задача изобретения решается посредством сторожевого схемного узла для контроля за временной характеристикой микроконтроллера. Сторожевой схемный узел включает в себя микроконтроллер, который управляет по меньшей мере одной секцией формирования сторожевого напряжения для определенного по времени формирования по меньшей мере одного контрольного напряжения и в заданный момент снятия отсчета регистрирует и считывает сформированное контрольное напряжение, и по меньшей мере одна секция формирования сторожевого напряжения, которая в заданный момент снятия отсчета формирует регистрируемое микроконтроллером контрольное напряжение, причем зарегистрированное в момент снятия отсчета, лежащее в пределах заданного поля допусков напряжения контрольное напряжение указывает на исправное состояние микроконтроллера, а зарегистрированное в заданный момент, лежащее вне заданного поля допусков напряжения контрольное напряжение - на состояние сбоя микроконтроллера.

Предпочтительно секция формирования сторожевого напряжения содержит по меньшей мере один конденсатор, на котором создается контрольное напряжение. Поскольку характеристика напряжения кривой заряда на конденсаторе у элементов, параметры которых известны, также известна, может быть изображено предпочтительно простое снятие отсчетов напряжения.

Предпочтительно секция формирования сторожевого напряжения содержит по меньшей мере один транзистор, который включен параллельно конденсатору и в зависимости от логического состояния на выходе микроконтроллера может коммутироваться микроконтроллером с временным управлением, причем в состоянии логического 0 на выходе транзистор запирается, а конденсатор определенным образом заряжается, а в состоянии логической 1 на выходе транзистор отпирается, а конденсатор определенным образом разряжается. Транзистор в качестве коммутационного элемента, на основе диапазона напряжения и/или мощности, предпочтительно является недорогой возможностью управлять зарядкой и/или разрядкой конденсатора.

Предпочтительно конденсатор в любой момент может полностью разряжаться при управлении от микроконтроллера через транзистор и в заданный момент заряжаться из разряженного состояния, причем напряжение конденсатора и, в последующий момент снятия отсчета, контрольное напряжение на конденсаторе возрастают в соответствии с определяющим кривую заряда уравнением: U(c/1/2) = U_Ref*(1-exp(-t_lade/R*C)), где Uc или U1 и/или U2 - контрольное напряжение, которое микроконтроллер по истечении известного времени зарядки, начиная с заданного момента, будет считывать в момент снятия отсчета, U_Ref - высокостабильное опорное напряжение, значение которого точно известно и предпочтительно от независимого элемента регулирования напряжения, например опорного диода, не зависит от питающего напряжения микроконтроллера, t_lade - известное время зарядки, а R/C определяет блок RC из резистора и конденсатора, который устанавливает постоянную времени τ = R*C, с которой заряжается конденсатор. Предпочтительно, тем самым, лежащие в основе параметры и характеристики сигналов можно точно определять и вычислять.

Предпочтительно первый резистор включен последовательно с конденсатором, к его первому концу приложено опорное напряжение, а его второй конец соединен с первым выводом конденсатора, предусмотрен питающий резистор, к первому концу которого приложено питающее напряжение, а второй конец с катодной стороны соединен с диодом, который создает опорное напряжение между первым концом первого резистора и вторым выводом конденсатора, а транзистор имеет первый вывод, соединенный с первым выводом конденсатора и входом аналогового преобразователя микроконтроллера, второй вывод, соединенный с выходом микроконтроллера, и третий вывод, который соединен со вторым выводом конденсатора, а с анодной стороны - с диодом и потенциалом массы.

В качестве альтернативы предпочтительно предусмотрена первая секция формирования сторожевого напряжения, в которой первый первый резистор включен последовательно с первым конденсатором, к его первому концу приложено опорное напряжение, а его второй конец соединен с первым выводом первого конденсатора, предусмотрен питающий резистор, к первому концу которого приложено питающее напряжение, а второй конец с катодной стороны соединен с диодом, который создает опорное напряжение между первым концом первого резистора и вторым выводом первого конденсатора, и первый транзистор имеет первый вывод, соединенный с первым выводом первого конденсатора и первым входом аналогового преобразователя микроконтроллера, второй вывод, соединенный с первым выходом микроконтроллера, и третий вывод, который соединен со вторым выводом первого конденсатора, а с анодной стороны - с диодом и потенциалом массы, и предусмотрена вторая секция формирования сторожевого напряжения, в которой второй первый резистор включен последовательно со вторым конденсатором, к его первому концу приложено опорное напряжение, а его второй конец соединен с первым выводом второго конденсатора, предусмотрен питающий резистор, к первому концу которого приложено питающее напряжение, а второй конец с катодной стороны соединен с диодом, который создает опорное напряжение между первым концом первого резистора и первым концом второго первого резистора и вторым выводом первого и второго конденсаторов, и второй транзистор имеет первый вывод, соединенный с первым выводом второго конденсатора и вторым входом аналогового преобразователя микроконтроллера, второй вывод, соединенный со вторым выходом микроконтроллера, и третий вывод, который соединен со вторым выводом второго конденсатора и потенциалом массы, причем первая и вторая секция формирования сторожевого напряжения образуют многоканальный сторожевой схемный узел.

Предпочтительно первая и вторая секции формирования сторожевого напряжения управляются и снимаются отсчеты со сдвигом по времени и/или по фазе таким образом, что одно из контрольных напряжений на одном из конденсаторов регистрируется в первый заданный момент и считывается микроконтроллером, а другое контрольное напряжение на другом конденсаторе регистрируется во второй заданный момент и считывается микроконтроллером. Предпочтительно за счет этого возможно дальнейшее обнаружение отдельных дефектов в сторожевом схемном устройстве, например, когда микроконтроллер имеет спорадические тактовые сбои или дефект управляющего порта DO_1 для разрядного транзистора Т1. Вследствие дефекта конденсатор С1 остался бы разряженным, что не удалось бы обнаружить, если бы микроконтроллер затем снова продолжил бы работу из этого состояния. Однако конденсатор С2 вследствие сбоя микроконтроллера продолжил бы заряжаться и, тем самым, выпал бы из поля допусков, и сбой был бы, таким образом, обнаружен через второй канал.

Предпочтительно постоянная времени блока времени из первого первого резистора и первого конденсатора и постоянная времени блока времени из второго первого резистора и второго конденсатора отличаются друг от друга. Предпочтительно за счет этого можно лучше различать так называемые сбои общего характера.

Предпочтительно снятия отсчетов кривой заряда конденсатора циклически повторяется в определенные моменты. Циклическое снятие отсчетов обеспечивает непрерывный контроль микроконтроллера при его текущей работе.

Предпочтительно микроконтроллер запирает транзистор вплоть до полной зарядки конденсатора, затем регистрирует абсолютное значение опорного напряжения и на основе зарегистрированного значения опорного напряжения калибрует по меньшей мере один АЦП-канал микроконтроллера. Предпочтительно за счет этого можно дополнительно повысить регистрационную точность АЦП.

Предпочтительно электронный ключ выполнен в виде транзистора. Далее предпочтительно электронный ключ интегрирован в микроконтроллер. В качестве альтернативы предпочтительно электронный ключ предусмотрен вне микроконтроллера и соединен с ним.

Задача изобретения решается также посредством способа контроля микроконтроллера на основе напряжения для контроля за характеристикой тайминга микроконтроллера, которое формируется в сторожевом схемном узле по одному из предыдущих пунктов формулы, включающего в себя следующие этапы: управление по меньшей мере одной секцией формирования сторожевого напряжения для определенного по времени формирования по меньшей мере одного контрольного напряжения, причем управление включает в себя определенную разрядку конденсатора, а затем, начиная с заданного момента, - определенную зарядку конденсатора в соответствии с кривой заряда, и регистрацию и считывание сформированного в заданный момент снятия отсчета напряжения заряда конденсатора в качестве контрольного напряжения, причем зарегистрированное в момент снятия отсчета, лежащее в пределах заданного поля допусков напряжения, контрольное напряжение указывает на исправное состояние микроконтроллера, а зарегистрированное в заданный момент, лежащее вне заданного поля допусков напряжения, контрольное напряжение указывает на состояние сбоя микроконтроллера.

Предпочтительно в состоянии логического 0 на выходе микроконтроллера транзистор запирается, а конденсатор определенным образом заряжается, а в состоянии логической 1 на выходе транзистор отпирается, а конденсатор определенным образом разряжается.

Предпочтительно конденсатор в любой момент полностью разряжается при управлении от микроконтроллера через транзистор и в заданный момент заряжается из разряженного состояния, причем напряжение конденсатора и, в последующий момент снятия отсчета, контрольное напряжение на конденсаторе возрастают в соответствии с определяющим кривую заряда уравнением: U(c/1/2) = U_Ref*(1-exp(-t_lade/R*C)), где Uc или U1 и/или U2 - контрольное напряжение, которое микроконтроллер по истечении известного времени зарядки, начиная с заданного момента, будет считывать в момент снятия отсчета, U_Ref - высокостабильное опорное напряжение, значение которого точно известно и предпочтительно от независимого элемента регулирования напряжения, например опорного диода, не зависит от питающего напряжения микроконтроллера, t_lade - известное время зарядки, а R/C определяет блок RC времени из резистора и конденсатора, которое устанавливает постоянную времени τ = R*C, с которой заряжается конденсатор.

Предпочтительно первая и вторая секции формирования сторожевого напряжения управляются и снимаются отсчеты со сдвигом по фазе таким образом, что одно из контрольных напряжений на одном из конденсаторов регистрируется в первый заданный момент и считывается микроконтроллером, а другое контрольное напряжение на другом конденсаторе регистрируется во второй заданный момент и считывается микроконтроллером.

Предпочтительно постоянная времени блока RC времени первой секции формирования сторожевого напряжения и постоянная времени блока RC времени второй секции формирования сторожевого напряжения отличаются друг от друга.

Предпочтительно снятие отсчетов кривой заряда конденсатора циклически повторяется в определенные моменты.

Предпочтительно транзистор вплоть до полной зарядки конденсатора запирается, затем регистрируется абсолютное значение опорного напряжения, и на основе зарегистрированного значения опорного напряжения калибруется по меньшей мере один АЦП-канал микроконтроллера.

Изобретение более подробно описано ниже на предпочтительных примерах его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представляют:

фиг. 1 - фрагмент упрощенного принципиального изображения сторожевого схемного узла для контроля временной характеристики или характеристики тайминга микроконтроллера в соответствии с первым примером;

фиг. 2А, 2В - фрагменты типичных характеристик сигналов в виде характеристик напряжения в различных рабочих состояниях сторожевого схемного узла из фиг. 1;

фиг. 3 - фрагмент упрощенного принципиального изображения сторожевого схемного узла для контроля временной характеристики или характеристики тайминга микроконтроллера в соответствии со вторым примером;

фиг. 4 - фрагменты типичных характеристик сигналов в виде характеристик напряжений в различных рабочих состояниях сторожевого схемного узла из фиг. 3.

Следует отметить, что на чертеже эквивалентные или одинаково действующие элементы могут быть обозначены одними и теми же или по меньшей мере аналогичными ссылочными позициями и в этом случае соответственно еще раз не описаны.

На фиг. 1 представлен фрагмент упрощенного принципиального изображения сторожевого схемного узла для контроля временной характеристики или характеристики тайминга микроконтроллера в соответствии с первым примером.

Изображенный слева на фиг. 1 микроконтроллер µС является в этом примере устройством управления, используемым, например, в системах, электронных блоках управления и т.п. для транспортных средств, в частности коммерческих транспортных средств, и как таковой хорошо известен. В соответствии с этим примером микроконтроллер µС помимо обычно имеющихся входов и выходов или портов имеет по меньшей мере один первый АЦП-вход ADC_IN1 и цифровой выход DO. Понятно, что могут быть предусмотрены дополнительные входы, например второй АЦП-вход ADC_IN2.

Справа на фиг. 1 изображена секция формирования сторожевого напряжения, которая соединена по меньшей мере с вышеназванным первым АЦП-входом ADC_IN1 и цифровым выходом DO и включает в себя по меньшей мере один транзистор Т1, конденсатор С1, резистор R1, диод D1 и резистор R3. Соединение секции формирования сторожевого напряжения со вторым АЦП-входом ADC_IN2 может быть необязательным, как это описано ниже.

На фиг. 1 первый вывод транзистора Т1, например сток или коллектор, соединен с первым входом ADC_IN1 микроконтроллера µС, а второй вывод транзистора Т1, например затвор или база, - с цифровым выходом DO. Далее первый вывод транзистора Т1 соединен со вторым концом резистора R1 и первым выводом конденсатора С1. Ко второму концу резистора R1 приложено опорное напряжение U_Ref, которое создается через диод D1, например подходящий диод Зенера. Для этого диод D1 включен параллельно последовательной схеме из резистора R1 и конденсатора С1 и питается через резистор R3 питающим напряжением Vcc, например 5 В, электронного блока управления, в котором расположены или в который интегрированы микроконтроллер µС и секция формирования сторожевого напряжения. Третий вывод транзистора Т1 (исток или эмиттер), второй вывод конденсатора С1 и анодная сторона диода D1 в общей узловой точке подключены к потенциалу массы.

В описанном узле транзистор Т1, который в этой конфигурации образует разрядный транзистор для конденсатора С1, включен, тем самым, параллельно конденсатору С1, а последовательная схема из резистора R1 и конденсатора С1, которая в этой конфигурации образует блок RC, R1/C1, включена параллельно диоду D1.

Описанный транзистор Т1, который в описанной конфигурации работает в качестве разрядного транзистора для конденсатора С1, в одной модификации данного примера и в качестве варианта порта микроконтроллера может быть также уже интегрирован в микроконтроллер µС. В этом случае конденсатор С1 может быть соединен непосредственно с соответствующими входными и выходными портами микроконтроллера µС.

Напряжение U_Ref на диоде D1, которое подается через подключенный, например, к питающему напряжению Vcc резистор R3, является предпочтительно высокоточным опорным напряжением, значение которого точно известно и которое не зависит от других питающих напряжений.

Транзистор Т1 управляется цифровым входным/выходным портом микроконтроллера µС, в данном примере цифровым выходом DO. Пока порт DO является логическим 0, транзистор Т1 заперт, и конденсатор С1 заряжается с постоянной времени τ = R1*C1 до напряжения U_Ref. Расчет и значение резистора R1, конденсатора С1 и транзистора Т1 точно известны, как и допуски этих элементов. Таким образом, известна также постоянная времени зарядки. Границы допусков, которые описаны ниже и называются в данном примере U_min (нижняя граница допусков) и U_max (верхняя граница допусков) и как таковые представляют поле допусков, могут быть рассчитаны специалистом.

Как описано выше, микроконтроллер µС через цифровой выход DO управляет транзистором Т1, т.е. запирает или отпирает его. Поэтому микроконтроллер µС за счет запирания транзистора Т1 может в любой момент полностью заряжать конденсатор С1, а затем, например в заданный момент t0, за счет отпирания транзистора Т1, – снова разряжать. Другими словами, конденсатор С1, начиная с заданного момента t0, может снова заряжаться.

Кривая заряда конденсатора С1 следует общему уравнению: U = U_Ref*(1-exp(-t/R*C)). С заданным временем зарядки t_lade, которое может быть точно задано микроконтроллером µС и которое является абсолютной мерой повторно считываемого микроконтроллером µС напряжения, напряжение конденсатора в момент снятия отсчета по истечении времени зарядки t_lade возникает, тем самым, из уравнения Uc = U_Ref*(1-exp(-t_lade/R1*C1)). Другими словами, начиная с момента t0, время зарядки до напряжения Uc, которое микроконтроллер µС будет считывать по истечении времени зарядки, точно известно. При этом на основе упомянутых выше допусков компонентов определенное поле допусков напряжения Uc, в пределах которого напряжение Uc может колебаться даже при известном времени зарядки и известных значениях участвующих компонентов, должно учитываться при контроле этого напряжения Uc.

На фиг. 2А, 2В изображены фрагменты типичных характеристик сигналов в виде характеристик напряжения в различных рабочих состояниях сторожевого схемного узла из фиг. 1.

Вдоль ординаты нанесено имеющееся на конденсаторе С1 напряжение Uc, а вдоль абсциссы - время. Таким образом, на фиг. 2А, 2В изображена кривая напряжения заряда конденсатора С1 в зависимости от времени. Горизонтальные пунктирные линии, обозначенные на ординате U_max и U_min, представляют соответственно верхнюю и нижнюю границы допусков и, в целом поле допусков, определяемое допусками используемых элементов в качестве допустимого диапазона, в котором в момент отбора должно лежать напряжение Uc конденсатора или контрольное напряжение для регистрации нормального состояния, в котором определяется, что отсутствует неисправность или сбой.

Изображенные на фиг. 2А, 2В зарядные кривые показывают фрагментарно по циклическим повторениям процессов зарядки и разрядки начало зарядки конденсатора С1 в момент, лежащий, например, в точке отсчета (0, 0) системы координат. После начала процесса зарядки контрольное напряжение Uc в приведенном выше уравнении соответственно возрастает. По истечении времени t_Lade в достигнутой затем точке отбора достигнутое контрольное напряжение Uc измеряется микроконтроллером µС и считывается или повторно считывается.

Правая часть фиг. 2А относится к случаю 1 неисправности, в котором, хотя время зарядки t_Lade корректное, однако, например, значения и/или параметры блока времени R1/C1 лежат вне разрешенных допусков. При регистрации лежащего вне поля допусков напряжения конденсатора Uc или контрольного напряжения в момент отбора, т.е. когда напряжение конденсатора Uc или контрольное напряжение меньше нижней границы допуска U_min (напряжение конденсатора Uc или контрольное напряжение возрастает слишком медленно по сравнению с нормальным состоянием) или больше верхней границы допуска U_max (напряжение конденсатора Uc или контрольное напряжение возрастает слишком быстро по сравнению с нормальным состоянием), регистрируется случай 1 сбоя.

Левая часть фиг. 2В относится к случаю 2 сбоя, когда время зарядки t_Lade слишком короткое, а правая часть - к случаю 3 сбоя, когда время зарядки t_Lade слишком долгое. Вследствие слишком долгого времени зарядки вплоть до момента отбора контрольное напряжение Uc выходит за пределы поля допусков, и регистрируется случай 3 сбоя.

Время, в течение которого после точки снятия отсчета конденсатор С1 может или должен продолжать заряжаться, и время, на которое конденсатор С1 остается разряженным, может произвольно выбираться и не входит в измерение напряжения. В течение отрезка времени дальнейшей зарядки конденсатора С1 после точки снятия отсчета микроконтроллер µС в выбираемый момент за счет подключения транзистора Т1 полностью разряжает конденсатор С1. После его полной разрядки микроконтроллер µС за счет запирания транзистора Т1 в момент t0 начинает повторно заряжать конденсатор С1 из его полностью разряженного состояния.

Вследствие строгой взаимной зависимости времени зарядки t_Lade и значения контрольного напряжения Uc абсолютное время зарядки включено непосредственно в результат. Если время зарядки t_Lade изменяется за счет, например, отклоняющегося тайминга или сбоя внутри микроконтроллера µС, то контрольное напряжение Uc изменяется пропорционально этому и может, наконец, покинуть поле допусков. За счет этого такие сбои в микроконтроллере µС могут быть однозначно обнаружены, и вся система приведена в некритическое для безопасности эксплуатационное состояние.

В одной модификации в качестве опции абсолютное значение опорного напряжения U_Ref можно определить за счет того, что микроконтроллер µС запирает транзистор Т1 до тех пор, пока конденсатор полностью не зарядится до опорного напряжения U_Ref (в этом примере, например, по истечении времени t = 5*R1*C1). За счет этого, например, можно с помощью опорного напряжения калибровать все имеющиеся АЦП-каналы микроконтроллера µС и дополнительно повысить точность регистрации АЦП.

В другой модификации микроконтроллер µС за счет многократного снятия кривой заряда конденсатора С1 может в определенные моменты снятия отсчета осуществлять различение дефектов. Например, если вследствие короткого замыкания и/или шунта на другой потенциал печатной платы два последовательных отсчета контрольного напряжения Uc дадут постоянное значение, то можно констатировать, что зарядка конденсатора С1 нарушена. Следует отметить, что изобретение не ограничено описанными модификациями, а глубина диагностики может простираться почти произвольно и/или может быть улучшена.

На фиг. 3 показан фрагмент упрощенного принципиального изображения сторожевого схемного узла для контроля временной характеристики или характеристики тайминга микроконтроллера в соответствии со вторым примером.

По сравнению с конфигурацией на фиг. 1 схемное устройство на фиг. 3 улучшено за счет удвоения числа схемных элементов и включает в себя (многоканальный) микроконтроллер µС известного типа помимо обычно имеющихся входов и выходов или портов - по меньшей мере одного первого АЦП-входа ADC_IN1, второго АЦП-входа ADC_IN2, первого цифрового выхода DO_1 и второго цифрового выхода DO_2.

Справа на фиг. 3 изображены первая и вторая секции, которые соединены с АЦП-входом ADC_IN1, выходом DO_1, АЦП-входом ADC_IN2 и выходом DO_2 и содержат по меньшей мере один первый транзистор Т1 и второй транзистор Т2, первый конденсатор С1 и второй конденсатор С2, первый резистор W1 и второй резистор R2, диод D1 и резистор R3. Соединение второй секции формирования сторожевого напряжения с питающим напряжением Vcc и опорным напряжением U_Ref может быть необязательным, как это описано ниже.

В принципе, первая и вторая секции формирования сторожевого напряжения выполнены подобными или идентичными. На фиг. 3 первый вывод транзистора Т1, например сток или коллектор, соединен с первым входом ADC_IN1 микроконтроллера µС, а второй вывод транзистора Т1, например затвор или база, - с цифровым выходом DO_1. Далее первый вывод транзистора Т1 соединен со вторым концом первого резистора R1 и первым выводом первого конденсатора С1. Второй конец первого резистора R1 подключен к опорному напряжению U_Ref, создаваемому диодом D1, например подходящим диодом Зенера. Для этого диод D1 включен параллельно последовательной схеме из первого резистора R1 и первого конденсатора С1 и питается через резистор R3 питающим напряжением Vcc, например 5 В, электронного блока управления, в котором расположены или в который интегрированы микроконтроллер µС и секции формирования сторожевого напряжения. Третий вывод первого транзистора Т1 (исток или эмиттер), второй вывод первого конденсатора С1 и анодная сторона диода D1 подключены в общей узловой точке к потенциалу массы. Кроме того, первый вывод второго транзистора Т2, например сток или коллектор, соединен со вторым входом ADC_IN2 микроконтроллера µС, а второй вывод второго транзистора Т2, например затвор или база, - со вторым цифровым выходом DO_1 микроконтроллера µС. Далее первый вывод второго транзистора Т2 соединен со вторым концом второго первого резистора R2 и первым выводом второго конденсатора С2. Второй конец второго первого резистора R2 может быть подключен к опорному напряжению U_Ref, предоставляемому через диод D1, например подходящий диод Зенера, или к питающему напряжению Vcc. Для предоставления опорного напряжения U_Ref диод D1 включен параллельно последовательной схеме из второго первого резистора R2 и второго конденсатора С2 и питается через резистор R3 питающим напряжением Vcc, например 5 В, электронного блока управления, в котором расположены или в который интегрированы микроконтроллер µС и секции формирования сторожевого напряжения. Третий вывод второго транзистора Т2 (исток или эмиттер), второй вывод второго конденсатора С2 и анодная сторона диода D1 могут быть подключены в общей узловой точке к потенциалу массы.

Также здесь описанные выше транзисторы Т1 и/или Т2, которые в описанной конфигурации работают в качестве разрядных транзисторов для конденсатора С1 или С2, в одной модификации данного примера и в качестве варианта порта микроконтроллера могут быть также уже интегрированы в последний. В этом случае конденсаторы С1 и/или С2 могут быть соединены непосредственно с соответствующими входными и выходными портами микроконтроллера.

Кроме того, отсутствует ограничение в отношении лежащего в основе опорного потенциала. Хотя, как описано выше и изображено на фиг. 1 и 3, потенциал массы или GND (Ground) может образовать такой опорный потенциал, последний в соответствии с диапазоном регистрации АЦП-входа микроконтроллера µС может быть выбран произвольным. Например, по сравнению с конфигурацией на фиг. 1 и 3 по меньшей мере один из транзисторов Т1, Т2 может быть расположен инвертированно, и в этом случае вместо потенциала массы в качестве опорного потенциала может использоваться также питающее напряжение Vcc.

В названном узле первый транзистор Т1, который в этой конфигурации образует разрядный транзистор для первого конденсатора С1, включен, тем самым, параллельно первому конденсатору С1, а последовательная схема из первого резистора R1 и первого конденсатора С1, которая в этой конфигурации образует блок RC времени, R1/С1, включена параллельно диоду D1. Кроме того, второй транзистор Т2, который в этой конфигурации образует разрядный транзистор для второго конденсатора С2, включен параллельно второму конденсатору С2, а последовательная схема из второго первого резистора R2 и второго конденсатора С2, которая в этой конфигурации образует блок RC времени, R2/С2, включена параллельно диоду D1.

В этой конфигурации, тем самым, в качестве усовершенствования примера на фиг. 1 за счет удвоения числа схемных элементов и/или соединений выполнены несколько резервных каналов, к которым применимы описанные выше со ссылкой на фиг. 1 условия формирования напряжения, зарядки и разрядки, управление элементами и рассмотрение допусков. Во избежание повторения описания они поэтому повторно не описаны.

По сравнению с первым примером во втором примере обе секции формирования сторожевого напряжения предпочтительно со сдвигом по фазе или предпочтительно по времени управляются таким образом, что первый штепсельный штырь микроконтроллера µС снимает отсчет напряжения на конденсаторе С1 по истечении времени, например, t1, а второй штырь микроконтроллера µС снимает отсчет напряжения на конденсаторе С2 по истечении времени t2 = t1 + Δt или t_delta. При этом значение выборки по истечении t2, например 70% времени t_Lade, может быть выбрано с достаточным временны´м интервалом до t1.

В одной модификации одновременно или в качестве альтернативы постоянные времени блоков времени R1/C1 и R2/C2 рассчитаны по-разному (R1*C1 ≠ R2*C2). За счет этого можно лучше различать асимметричные сбои, такие как сбои общего характера.

Согласно второму примеру, возможно предпочтительно дальнейшее обнаружение отдельных ошибок в сторожевом схемном устройстве. Например, микроконтроллер µС может показывать спорадические тактовые сбои или дефектный управляющий порт DO_1 для разрядного транзистора Т1. За счет этого в данном случае первый конденсатор С1 остался бы разряженным. Это не удалось бы корректно зарегистрировать, если бы выполненный одноканальным микроконтроллер µС продолжил бы работать в этом состоянии. Поскольку, однако, при многоканальном выполнении второй конденсатор С2, тем не менее, продолжает заряжаться и, тем самым, выпадает из поля допусков, за счет обработки также второго канала обнаруживается дефект вышеназванного рода.

На фиг. 4 изображены фрагменты типичных характеристик сигналов в виде характеристик напряжений U_C1, U_C2, в частности в случае сбоя с резервными каналами, в различных эксплуатационных состояниях сторожевого схемного узла из фиг. 3. В частности, на фиг. 4 изображены названное состояние дефектного (например, длительно лежащего на логической 1) выхода DO_1 микроконтроллер µС и сдвинутое по времени на t_delta снятие отсчетов отдельных каналов, конфигурированных с первой и второй секциями формирования сторожевого напряжения. В остальном, как хорошо видно, фиг. 4 вполне соответствует фиг. 2А и/или 2В, и во избежание повторения повторное описание отсутствует.

Понятно, что изобретение не ограничено конкретно описанными выше примерами, а специалисту вполне понятны модификации, ведущие к эквивалентным, сопоставимым или аналогичным конфигурациям, и поэтому их не следует рассматривать как отклонение от объекта изобретения, как это охарактеризовано в прилагаемой формуле изобретения.

Перечень ссылочных позиций

µС - микроконтроллер

С1 - первый конденсатор

С2 - второй конденсатор

Т1 - первый транзистор

Т2 - второй транзистор

R1 - первый/первый первый резистор

R2 - второй первый резистор

R3 - второй резистор или питающий резистор

D1 - диод

Vcc - питающее напряжение

U_Ref - опорное напряжение

Uc, U_C1, U_C2 - контрольные напряжения

Изобретение относится к регулирующим и управляющим системам, в частности к цифровым сторожевым схемам для контроля микроконтроллера. Схемный узел для контроля характеристики тайминга микроконтроллера содержит микроконтроллер (µС), выполненный с возможностью управления по меньшей мере двумя секциями (Т1, С1, R1, R3, D1; T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения для определенного по времени формирования по меньшей мере двух контрольных напряжений (Uc; U1, U2) и с возможностью регистрировать и считывать сформированные контрольные напряжения (Uc; U1, U2) в заданный момент снятия отсчета, и по меньшей мере две секции (Т1, С1, R1, R3, D1; T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения. Каждая секция формирования сторожевого напряжения выполнена с возможностью формирования контрольного напряжения (Uc; U1, U2), регистрируемого в заданный момент снятия отсчета посредством снятия отсчета указанным микропроцессором, причем контрольное напряжение (Uc; U1, U2), которое регистрируется в указанный момент снятия отсчета и лежит в пределах заданного поля допусков напряжения, указывает на исправное состояние микроконтроллера (µС), а контрольное напряжение (Uc; U1, U2), которое регистрируется в указанный момент снятия отсчета и лежит за пределами заданного поля допусков напряжения, указывает на состояние сбоя микроконтроллера (µС). При этом первая и вторая секции формирования сторожевого напряжения образуют многоканальный сторожевой схемный узел. Предложен также способ контроля микроконтроллера на основе сторожевого напряжения для контроля характеристики тайминга микроконтроллера, причем указанное сторожевое напряжение формируется в предложенном сторожевом схемном узле. Технический результат заключается в обеспечении простого и эффективного контроля временной характеристики микроконтроллера, позволяющего проверить на корректное функционирование и, по возможности, одновременно проверить сам микроконтроллер на корректный внутренний тайминг. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Схемный узел для контроля характеристики тайминга микроконтроллера, содержащий:

- микроконтроллер (µС), выполненный с возможностью управления по меньшей мере двумя секциями (Т1, С1, R1, R3, D1; T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения для определенного по времени формирования по меньшей мере двух контрольных напряжений (Uc; U1, U2) и с возможностью регистрировать и считывать сформированные контрольные напряжения (Uc; U1, U2) в заданный момент снятия отсчета, и

- по меньшей мере две - первую и вторую - секции (Т1, С1, R1, R3, D1; T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения,

каждая секция формирования сторожевого напряжения выполнена с возможностью формирования контрольного напряжения (Uc; U1, U2), регистрируемого в заданный момент снятия отсчета посредством снятия отсчета указанным микропроцессором, причем контрольное напряжение (Uc; U1, U2), которое регистрируется в указанный момент снятия отсчета и лежит в пределах заданного поля допусков напряжения, указывает на исправное состояние микроконтроллера (µС), а контрольное напряжение (Uc; U1, U2), которое регистрируется в указанный момент снятия отсчета и лежит за пределами заданного поля допусков напряжения, указывает на состояние сбоя микроконтроллера (µС),

каждая секция (Т1, С1, R1, R3, D1; T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения содержит:

по меньшей мере один конденсатор (С1; С1, С2), на котором создается контрольное напряжение (Uc; U1, U2), и

по меньшей мере один электронный ключ (Т1; Т1, Т2), который включен параллельно конденсатору (С1; С1, С2) и способен коммутироваться микроконтроллером (µС) с управлением по времени в зависимости от логического состояния выхода (DO; DO_1, DO_2) микроконтроллера (µС), причем в состоянии с логическим 0 на выходе (DO; DO_1, DO_2) электронный ключ (Т1; Т1, Т2) находится в разомкнутом состоянии и конденсатор (С1; С1, С2) определенным образом заряжается, а в состоянии с логической 1 на выходе (DO; DO_1, DO_2) электронный ключ (Т1; Т1, Т2) находится в замкнутом состоянии и конденсатор определенным образом (С1; С1, С2) разряжается,

причем конденсатор (С1; С1, С2) выполнен с возможностью полностью разряжаться в любой момент и заряжаться из разряженного состояния в заданный момент (t0) через электронный ключ (Т1; Т1, Т2) с управлением от микроконтроллера (µС), причем напряжение конденсатора и, в последующий момент снятия отсчета, указанное контрольное напряжение (Uc; U1, U2) возрастает на конденсаторе (С1; С1, С2) в соответствии с определяющим кривую заряда уравнением

U(c/1/2) = U_Ref*(1 - exp(-t_lade/R*C)),

где Uc или U1 и/или U2 – контрольное напряжение, которое микроконтроллер (µС) считывает в момент снятия отсчета по истечении известного времени зарядки, начиная с заданного момента (t0), U_Ref – высокостабильное опорное напряжение, значение которого точно известно, t_lade – известное время зарядки, а R/C определяет блок RC времени, состоящий из резистора и конденсатора, который устанавливает постоянную времени τ = R*C, с которой заряжается конденсатор (С1; С1, С2),

при этом указанная первая секция (T1, C1, R1, R3) формирования сторожевого напряжения содержит:

- первый первый резистор (R1), включенный последовательно с первым конденсатором (C1), к его первому концу приложено опорное напряжение (U_Ref), а его второй конец соединен с первым выводом первого конденсатора (C1),

- питающий резистор (R3), к первому концу которого приложено питающее напряжение, а второй конец с катодной стороны соединен с диодом (D1), который создает опорное напряжение (U_Ref) между первым концом первого первого резистора (R1) и вторым выводом первого конденсатора (С1), и

- первый электронный ключ (Т1), первый вывод которого соединен с первым выводом первого конденсатора (С1) и первым входом (ADC_IN1) аналогового преобразователя микроконтроллера (μC), второй вывод соединен с первым выходом (DO_1) микроконтроллера (μC), и третий вывод соединен со вторым выводом первого конденсатора (C1), а с анодной стороны – с диодом (D1) и опорным потенциалом,

указанная вторая секция (T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения содержит:

- второй первый резистор (R2), включенный последовательно со вторым конденсатором (C2), к его первому концу приложено опорное напряжение (U_Ref), а его второй конец соединен с первым выводом второго конденсатора (C2),

- указанный питающий резистор (R3), к первому концу которого приложено питающее напряжение, а второй конец с катодной стороны соединен с диодом (D1), создает опорное напряжение (U_Ref) между первым концом указанного первого первого резистора (R1) и вторым выводом первого конденсатора (C1), а также между первым концом указанного второго первого резистора (R2) и вторым выводом второго конденсатора (C2), и

- второй электронный ключ (Т2), который имеет первый вывод, соединенный с первым выводом второго конденсатора (С2) и вторым входом (ADC_IN2) аналогового преобразователя микроконтроллера (μC), второй вывод, соединенный со вторым выходом (DO_2) микроконтроллера (μC), и третий вывод, соединенный со вторым выводом второго конденсатора (C2) и опорным потенциалом, при этом

- первая секция (T1, C1, R1, R3) формирования сторожевого напряжения и вторая секция (T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения образуют многоканальный сторожевой схемный узел.

2. Схемный узел по п. 1, в котором первая секция (T1, C1, R1, R3) формирования сторожевого напряжения и вторая секция (T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения управляются и отчеты снимаются со сдвигом по фазе таким образом, что одно из контрольных напряжений (U1) регистрируется на одном из конденсаторов (C1) в первый заданный момент (t1) и считывается микроконтроллером (μC), а другое контрольное напряжение (U2) регистрируется на другом из указанных конденсаторов (C2) во второй заданный момент (t2 = t1 + Δt) и считывается микроконтроллером (μC).

3. Схемный узел по п. 1 или 2, в котором постоянная времени блока времени, определяемая указанными первым первым резистором (R1) и первым конденсатором (C1), и постоянная времени блока времени из указанных второго первого резистора (R2) и второго конденсатора (C2) отличаются одна от другой.

4. Схемный узел по любому из предыдущих пунктов, в котором снятие кривой заряда конденсатора (С1; С1, С2) повторяется циклически в определенное время снятия отсчетов.

5. Схемный узел по любому из предыдущих пунктов, в котором микроконтроллер (μC) выполнен с возможностью размыкания электронного ключа (Т1; Т1, Т2) вплоть до полной зарядки конденсатора (С1; С1, С2), затем регистрирования абсолютного значения опорного напряжения (U_Ref) и калибровки по меньшей мере одного АЦП-канала микроконтроллера (μC) на основе указанного зарегистрированного значения опорного напряжения (U_Ref).

6. Схемный узел по любому из пп. 1-5, в котором электронный ключ (Т1; Т1, Т2) выполнен в виде транзистора.

7. Схемный узел по любому из пп. 1-5, в котором электронный ключ интегрирован в микроконтроллер (μC).

8. Схемный узел по любому из пп. 1-5, в котором электронный ключ расположен вне микроконтроллера (μC) и соединен с ним.

9. Способ контроля микроконтроллера на основе сторожевого напряжения для контроля характеристики тайминга микроконтроллера, причем указанное сторожевое напряжение формируется в сторожевом схемном узле по любому из пп.1-8, включающий этапы, на которых:

- управляют по меньшей мере двумя – первой и второй - секциями (Т1, С1, R1, R3, D1; T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения для определенного по времени формирования по меньшей мере двух контрольных напряжений (Uc; U1, U2), причем управление каждой секцией формирования сторожевого напряжения включает в себя определенную разрядку конденсатора (C1; C1, C2), а затем, начиная с заданного момента (t0; t1; t2), определенную зарядку указанного конденсатора (C1; C1, C2) в соответствии с кривой заряда, и

- регистрируют и считывают напряжение заряда конденсатора (C1; C1, C2), причем указанное напряжение заряда сформировано в заданный момент снятия отсчета в качестве контрольного напряжения (Uc; U1, U2), при этом

- контрольное напряжение (Uc; U1, U2), которое зарегистрировано в момент снятия отсчета и лежит в пределах заданного поля допусков напряжения, указывает на исправное состояние микроконтроллера (μC), а контрольное напряжение (Uc; U1, U2), которое зарегистрировано в указанный заданный момент и лежит вне указанного заданного поля допусков напряжения, указывает на состояние сбоя микроконтроллера (μC).

10. Способ по п. 9, в котором в состоянии с логическим 0 на выходе (DO; DO_1, DO_2) микроконтроллера электронный ключ (Т1; Т1, Т2) размыкают и конденсатор (C1; C1, C2) определенным образом заряжается, а в состоянии с логической 1 на указанном выходе (DO; DO_1, DO_2) электронный ключ (Т1; Т1, Т2) замыкают и конденсатор определенным образом (C1; C1, C2) разряжается.

11. Способ по п. 10, в котором конденсатор (C1; C1, C2) полностью разряжается в любой момент и заряжается из разряженного состояния в заданный момент (t0) через электронный ключ (Т1; Т1, Т2) при управлении от микроконтроллера (μC), причем напряжение конденсатора и, в последующий момент снятия отсчета, контрольное напряжение (Uc; U1, U2), возрастают на конденсаторе (C1; C1, C2) в соответствии с определяющим кривую заряда уравнением

U(c/1/2) = U_Ref*(1 - exp(-t_lade/R*C)),

где Uc или U1 и/или U2 – контрольное напряжение, которое микроконтроллер (μC) считывает в момент снятия отчета по истечении известного времени зарядки, начиная с заданного момента (t0), U_Ref – высокостабильное опорное напряжение, значение которого точно известно, t_lade – известное время зарядки, а R/C определяет блок RC времени, состоящий из резистора и конденсатора, причем блок RC времени устанавливает постоянную времени τ = R*C, с которой заряжается конденсатор (C1; C1, C2).

12. Способ по п. 9, в котором первой секцией (T1, C1, R1, R3) формирования сторожевого напряжения и второй секцией (T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения управляют и снимают отсчеты со сдвигом по фазе таким образом, что одно из контрольных напряжений (U1) регистрируют на одном из конденсаторов (C1) в первый заданный момент (t1) и считывают микроконтроллером (μC), а другое контрольное напряжение (U2) регистрируют на другом из указанных конденсаторов (C2) во второй заданный момент (t2 = t1 + Δt) и считывают микроконтроллером (μC).

13. Способ по п. 9, в котором постоянная времени блока RC времени первой секции (T1, C1, R1, R3) формирования сторожевого напряжения и постоянная времени блока RC времени второй секции (T1, T2, C1, C2, R1, R2, R3, D1) формирования сторожевого напряжения отличаются одна от другой.

14. Способ по п. 9, в котором снятие отсчетов кривой заряда конденсатора (C1; C1, C2) циклически повторяют в определенные моменты снятия отсчетов.

15. Способ по п. 9, в котором по меньшей мере в одной секции формирования сторожевого напряжения сохраняют разомкнутым состояние электронного ключа (Т1; Т1, Т2) вплоть до полной зарядки конденсатора (C1; C1, C2), затем регистрируют абсолютное значение опорного напряжения (U_Ref) и калибруют соответствующий по меньшей мере один АЦП-канал микроконтроллера (μC) на основе указанного зарегистрированного значения опорного напряжения (U_Ref).