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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ansteuerung einer
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Vielzahl von an einer Spannungsquelle angeschlossenen Verbrauchern
mit einem Mikroprozessor, sowie auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anordnung.
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Es ist bekannt, mit einem Mikroprozessor eine Vielzahl von Verbrauchern
nach einem vorgegebenen Programm, beispielsweise zyklisch, anzusteuern. Ein solcher
Mikroprozessor weist mehrere, den Verbrauchern zugeordnete Ausgänge auf, die so
dimensioniert sind, daß über evtl. erforderliche Zwischenglieder, beispielsweise
Verstärker, Verbraucher wie Lampen, Relais, Motoren oder dergleichen angesteuert
werden können. Eine wesentliche Forderung bei derartigen Anordnungen besteht darin,
daß sämtliche Ausgänge des Mikroprozessors völlig kurzschlußfest sind und bei Auftreten
eines Kurzschlusses im Lastkreis sofort eine entsprechende Rückmeldung an den Mikroprozessor
erfolgen muß. Zusätzlich wird gefordert, daß auch bei einer möglichen Strom- bzw.
Leitungsunterbrechung eine entsprechende Rückmeldung an den Mikroprozessor erfolgt.
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Bekannt sind Schaltungsanordnungen, bei denen jede einzelne dieser
M ikroprozessorUusgänge kurzschlußfest gemacht wird und Kurzschlüsse oder Leitungsunterbrechungen
durch jeden der Ausgänge zugeordneten Einrichtungen an den Mikroprozessor zur Einleitung
von Gegenmaßnahmen und/oder zur Anzeige zurückgemeldet werden.
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Bei der erheblichen Vielzahl von Verbrauchern, die an einen Mikroprozessor
angeschlossen werden können, ist damit ein erheblicher Au5~and verbunden, abgesehen
davon, daß mit der Vielzahl von Überwac hungse inric htungen zusätzliche Fehlermöglichkeiten
vorhanden sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vielzahl von Verbrauchern,
die von einem Mikroprozessor angesteuert werden, so anzuordnen und an eine Versorgungs-Spannungsquelle
anzuschlieesen, sowie in einerWeise zu betreiben, daß mit geringem Aufwand eine
einfache und sichere Möglichkeit der Kurzschlußerkennung oder der Erkennung von
Leitungsunterbrechungen geschaffen werden kann. Darüber hinaus sollen Anordnungen
sowie Verfahren zum Betrieb dieser Anordnungen angegeben werden, die in einfather
Weise für sämtliche Verbraucher die Kurzschlußsicherheit und -anzeige bzw. -rückmeldung
sowie die sofortige Rückmeldung und Anzeige von Leitungsunterbrechungen gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gelöst, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß die Verbraucher in Form einer Matrix angeordnet
sind und über die Lastanschlüsse von Reihentransistoren und Spaltentransistoren
rnit der Spannungsquelle verbunden sind, wobei die Steueranschlüsse der Reihen-
und Spaltentransistoren an die Ausgänge des Mikroprozessors angeschlossen sind.
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Mit dieser Anordnung der Verbraucher und der Transistoren wird mit
geringem Bauelementeaufwand eine einfache und sicher Kurzschlußerkennung und anzeige
bzw. -rückmeldung sowie die Erkennung einer Leitungsunterbrechung und deren Anzeige
bzw. Rückmeldung bei zahlreichen von einem Mikroprozessor gesteuerten Verbrauchern
ermöglicht. Insbesondere können mit dieser Anordnung die Ausgänge des Mikroprozessors
völlig kurzschlußfest gemacht werden, ohne daß jedem einzelnen Ausgang eine gesonderte
Erfassungs- und Rückmeldeeinrichtung zugeordnet werden muß.
Ausgestaltungen
der Erfindung sind den Kennzeichen der Patentansprüche 2 - 7 zu entnehmen, wobei
insbesondere die Patentansprüche 2 und 6 einfache Anordnungen zur Kurzschlußerkennung
und -rückmeldung sowie zur Erkennung von Leitungsunterbrechungen und deren Rückmeldung
beinhalten.
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Ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung, mit dem
in einfacher und sicherer Weise eine Kurzschluß- und/oder Leitungsunterbrechungs-Erkennung
und -rückmeldung durchgerührt werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Einschalten
eines der Verbraucher einer der Spaltentransistoren angesteuert wird und durch wahlweises
oder zyklisches Ansteuern eines der Reihentransistoren der an der entsprechenden
Stelle der Matrix zugeordnete Verbraucher an die Spannungsquelle gelegt wird und
daß der von den Verbrauchern über die Spalten- und Reihentrans istoren aufgenommene
Gesamtstrom gemessen wird und bei erhöhtem Gesamtstrom ein Flip-Flop gesetzt und
die Mikroprozessorausgänge sofort abgeschaltet werden und daß sowohl bei überhöhtem
Gesamtstrom als auch bei Absinken des Gesamtstrornes unterhalb eines einstellbaren
Schwellwertes eine Rückmeldung an den Mikroprozessor abgegeben wird.
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Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Kurzschluß und/ oder
eine Leitungsunterbrechung sofort erkannt und unverzüglich zurückgemeldet, sowie
eine entsprechende Gegenmaßnahme eingeleitet, so daß die restliche Funktionsfähigkeit
der Gesamtanlage erhalten bleibt. Für den Anwender ist auch bei einer sehr großen
Anzahl von Verbrauchern die Störungsstelle sofort erkennbar, so daß er entsprechende
Gegenmaßnahmen (Austausch defekter Anlagenteile)
gezielt einleiten
kann. Im Kurzschlußfall werden alle Ausgänge des Mikroprozessors sofort abgeschaltet,
so daß keine Bauelemente überlastet werden können, womit eine hohe Lebensdauer aller
Bauelemente bei gleichzeitiger Funktionsfähigkeit der vom Kurzschluß nicht betroffenen
Anlagenteile gewährleistet ist.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung und Fig. 2 ein Flußdiagramm
für den Mikroprozessor zum Aufsuchen eines Kurzschlusses innerhalb der Verbraucher-Matrix.
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Das in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen
Anordnung enthält eine Vielzahl von in Form einer Matrix angeordneten Verbrauchern
1, die über die Laststrecken vonReihentransistoren 2 undSpaltentransistoren 3 mit
einer Spannungsquelle U B bzw. mit Masse verbunden sind. Die Steueranschlüsse der
Reihentransistoren 2 sind über ein erstes Widerstandsglied 13 mit den Ausgängen
eines Auswahl-Dekoders 6 verbunden, während die Steueranschlüsse der Spaltentransistoren
3 über ein zweites Widerstandsglied 14 an die Ausgänge eines Speicher-Flip-Flops
8 anegeschlossen sind. Die Widerstandsglieder 13 und 14 enthalten eine der Zahl
der Leitungen entsprechende Anzahl von Widerständen, die mit dem gemeinsame n Anschluß,
d. h. mit der Spannungsquelle U bzw. mit Masse ver-B bunden sind. Diese Widerstandsglieder
13 und 14 erfüllen die Funktion, die Reihen- und Spaltentransistoren 2, 3 in den
abgeschalteten
Zustand zu bringen und in diesem Zustand zu halten,
wenn kein Basis-Ansteuerstrom vorhanden ist. Der Auswahl-Dekoder 6 ist in diesem
Ausführungsbeispiel ein Eins aus Zehn-Dekoder mit oFFenem Kollektorausgang, z.B.
ein Dekoder 74141 der Firma rexas Instruments. Dieser Auswahl-Dekoder schaltet jeweils
immer nur einen der Reihentransistoren 2 ein, so daß jeweils nur eine Ebene der
Matrix eingeschaltet ist. Da nur drei der vier vorhandenen Eingänge des Auswahl-Dekoders
6 für die acht Reihentransistoren 2 dieses Ausführungsbeispieles benötigt werden,
wird der vierte Eingang D als Freigabe-Eingang verwendet. Steht an diesem Eingang
D ein Signal an, dann werden alle Ausgänge des Auswahl-Dekoders 6 und damit alle
Reihentransistoren abgeschaltet.
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Das mit seinen Ausgängen mit dem zweiten Widerstandsglied 14 verbundene
Speicher-Flip-Flop 8 ist eingangsseitig an den Mikroprozcssor MP angeschlossen.
Bei diesem Speicher-Flip-Flop 8 handelt es sich beispielsweise um ein 8-Bit-Speicher-Flip-Flop
74 LS 374 der Fa. Texas Instruments. Dieses Speicher-Flip-Flop 8 speichert die Daten
der Spaltentransistoren 3 während einer Zykluszeit von beispielsweise 2 msek. Es
wird geladen mit dem vom Mikroprozessor MP abgegebenen Impuls T.
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In dem Leitungszug 9 der Verbindung der Emitter der Reihentransistoren
2 mit der Spannungsquelle U B sind zwei Erfassungsglieder 4, 7 angeordnet, die der
Kurzschlußerfassung und der Erkennung von Leitungsunterbrechungen dienen. Das erste
Erfassungsglied 4 enthält einen im Leitungszug 9 liegenden ersten Widerstand 41,
dem die Re ihenschaltung der Bas is-Em itter-Strecke eines ersten
Transistors
42 mit einem zweiten Widerstand 43 parallel geschaltet ist. Der Kollektor des ersten
Transistors 42 ist über einen nicht näher bezifferten Widerstandsteiler mit dem
einen Eingang S eines nachgeschalteten F-Flip-Flops 5 verbunden, dessen anderer
Eingang T mit dem vom Mikroprozessor MP abgegebenen Impuls T beaufschlagt ist. Der
D-Eingang des D-Flipflopä 5 liegt an Masse, während der Eingang nicht benutzt wird
und an der Versorgungsspannung anliegt. Der eine Ausgang 0 ist über die Leitung
10 mit dem Eingang D des Auswah>Dekoders 6 und mit dem Kurzschluß-Erkennungs-Eingang
des Mikroprozessors MP verbunden. Der negierte Ausgang O des D-Flipflops 5 ist an
das Speicher-Flipflop 8 angeschlossen. Bei diesem D-Flipflop 5 handelt es sich beispielsweise
um einen integrierten Schaltkreis 74 LS 74 der Fa. Texas Instruments. Es erfüllt
die Aufgabe, bei einem von dem ersten Ertassungsglied 4 festgestellten Kurzschluß
innerhalb der Matrix über die Ausgänge 0 und 0 , die Ausgänge des Auswahl-Dekoder
6 und des Speicher-Flipflops 8 abzuschalten, wodurch die gesamte Matrix stromlos
wird. Das D-Flipflop 5 wird mit dem vom Mikroprozessor M abgegebenen Impuls T wieder
zurückgesetzt.
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Das zweite Erfassungsglied 7 enthält eine im Leitungszug 9 liegende
Diode 71, deren Anode mit dem spannungsführenden Pol der Spannungsquelle U B verbunden
ist. Parallel zu dieser Diode 71 sind sowohl ein dritter Widerstand 72 als auch
die Reihenschaltung eines vierten Widerstandes 73 mit der BasisEmitter-Strecke eines
zweiten Transistors 74 geschaltet. Der Kollektor dieses zweiten Widerstandes 72
ist über einen ebenfalls nicht näher bezeichneten Widerstand mit dem Anschluß B
des Mikroprozessors MP für dieErkennung von Leitungsunterbrechungen verbunden.
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Ds hicr gewählte Ausführungsbeispiel enthält acht Reihentransistoren
2 und acht Spaltentr-ansistoren 3, wodurch sich eine 8 x 8 Matrix rnit insges.lml
64 Ausgabemöglichkeiten, d.h. mit insgesamt 64 Verbraucher-<nschlüssen ergibt.
Von den Reihentransistoren 2 kann jederzeit nur einer und nicht mehr als einer der
Transistoren gleichzeitig angesteuert werden, wobei die Reihentransistoren 2 beliebig
eingeschaltet oder ausbeschaltet sind. Jeder einzelne der Spaltentransistoren'3
ist über beispielsweise acht Dioden und acht Verbraucher mit den acht Reihentransistoren
2 verbunden.
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Wird bei dieser Anordnung beispielsweise ein Reihentransistor 2 durchgeschaltet,
so können durch wahlweises Ansteuern der Spaltentransistoren 3 acht Verbraucher
eingeschaltet werden. Schaltet man somit nach einander die Spaltentransistoren 3
ein und zu jedem der Spaltentransistoren 3 den entsprechenden Reihentransistor,
so können 8 x 8 = 64 Verbraucher impulsweise angesteuert werden. Eine solche Impulsansteuerung
ist für eine Vielzahl von Verbrauchern unproblematisch, wenn die Impulsfolge schnell
genug ist, d.h. im Bereich von Millisekunden liegt. So werden impulsförmig angesteuerte
Lampen wegen der Träg-F it der Augen als kontinuierlich leuchtend angesehen, wenn
die Impulse schnell genug folgen. Verbraucher wie Relais oder Gleichstrommotoren,
die auf die Impulspausen reagieren könnten, werden mit einem Kondensator überbrückt,
der in den Impulspausen die erforderliche Energie liefert.
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jr Kurzschlußerkennung ist in den Leitungszug 9, der die Verbrauchermatrix
1 an die Spannungsquelle UB legt, ein zum ersten Erfassungsglied 4 gehörender erster
Widerstand 41 eingefügt. An diesem ersten Widerstand 41 tritt je nach der Größe
des von der Verbrauchermatrix 1 aufgenommenen Strom ein Spannungsabfall auf, der
an
die Reihenschaltung der Emitter-Basis-Streckc-- eines ersten
Transistors 42 und eines zweiten Basisschutz-Widerstandes 43 gelegt wird. Der Widerstand
41 wird nun so dimensioiert, daß nur im Kurzschlußfall der an ihm auftretende Spannungsabfall
ausreicht, den ersten Transistor 42 durchzuschalten, wodurch über den Kollektor
des ersten Transistors 42 und einen Widerstandsteiler das D-Flipfliop 5 gesetzt
wird. Die an den Ausgängen C und () des D-FlipFlops 5 auftretenden Signale schalten
über die Leitungen 10 und 11 die Verbrauchermatrix 1 sofort: ab und über die Leitung
10 wird dem Mikroprozessor MP eine Kurzschlußmeldung zugeführt.
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Da jederzeit nur einer und nicht mehr als einReihentransistor ein
geschaltet sein kann, funktioniert die erfindungsgemäße Kurzschlußerkennung für
acht Verbraucheranschlüsse gleichzeitig. Wenn also auf einem der acht Verbraucheranschlüsse,
dem ein Reihentransi:ior zugeordnet ist, ein Kurzschluß festgestellt wird, werden
diese ach Verbraucheranschlüsse abgeschaltel, und dies ausschließlich für die 7eiL
in der der Rcihentransistor eigentlich eingeschaltet sein soll.
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Da der Mikroprozessor die Kurzschlußerkennung sofort zuge führt erhält,
kann er über das ihm einyegebene Programm herausfinden, welcher von diesen acht
Verbraucheranschlüssen den Kurzschluß aufweist. Da der Rechner vor Auftritt des
Kurzschlusses gerade cinen Reihentransistor eingeschaltet hat und danach der Kurzschluß
festgestellt wurde, muß er jetzt suchen, welcher der acht Verbraucheranschlüsse
den Kurzschluß aufweist. Er kann dies in der Weise veranlassen, daß er immer wieder
versucht, den gleichen Reihentransistor einzuschalten, iiber immer nur rnit einem
Spaltentransistor, solange bis er einen nach dem anderen durchgeprüft hat.
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Sobald der entsprechende Spaltentransistor gefunden ist, der dem mit
Kurzschluß behafteten Ausgang zugeordnet ist, tritt die Kurzschlußerkennung wiederum
in Wirkung und dem Mikroprozessor wird die Information zugeführt, welcher der Verbraucheranschlüsse
defekt
ist. oese Information wird an eine Anzeigeeinheit weitergegeben,
damit eine schnelle Reparatur dieses Anschlusses bzw. des Verbrauchers möglich ist
Analog zur Kurzschlußerkennung und -meldung ist in den Leitungszug 9 von der Spannungsquelle
U B zur Verbrauchermatrix 1 eine zum zweilen Erfassungsglied 7 gehörende Diode 71
angeordnet. Beim Einschalton eines Verbrauchers fließt über diese Diode 71 ein Strom
und der Durchlaß-Spannungsabfall an dieser Diode 71 wird an den Basis-Emitlrer-Übergang
eines zweiten Transistors 72 gelegt. Der der Diode 71 parallel geschaltete dritte
Widerstand 72 weist einen so großen Widerstandswert auf, daß auch bei geringer Stromaufnahme
eines Verbrauchers der Matrix 1 der zweite Tansistor 72 infolge der an ihm liegenden
Spannung bereits durchsteuert.
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Da das Mikroprozessor-Programm so ausgebildet ist, daß jeweils nur
ereer der 64 Verbraucher durch entsprechende Ansteuerung der Reihen-und Spaltentransistoren
2 und 3 - wie oben beschrieben - eingeschaltet iL, kann mittels des zweiten Erfassungsgliedes
7 überprüft werden, ob dieser betreffende Verbraucher angeschlossen ist so daß ein
wenn auch geringer Strom über die Diode 71 fließt, ober ob eine Leitungsunterbrechung
oder ein Defekt des Verbrauchers selbst aufgetreten ist, so daß bei Einschalten
dieses Verbrauchers kein Strom über die Diode 71 fließt In diesem Falle schaltet
der zweite Transistor 74 nichl durch und gibt über seinen mit dem Mikroprozessor
MP verbundenen Kollektor kein Bestätigungssignal ab. Da nur einer der in diesem
Ausführungsbeispiel 64 Verbraucher über die Mikroprozessor-;Leuerung angesteuert
wurde, ist die Information, welcher der Matrix-Ausgänge keinen Strom ,ieht im gleichen
Augenblick im Mikroprozessor MP vorhanden und kann entsprechend angezeigt werden.
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Neben der Anzeige der Leitungsunterbrechung und des Kurzschlusses
kann der Mikroprozessor MP durch ein entsprechendes Programm im Kurzschlußfall dafür
sorgen, daß der defekte M%trix-Ausgang durch Nicht-Ansteuern des betreffenden Reihen-
oder Spaltentransistors nicht weiter bis zur Kurzschlußbehebung angesteuert wird.
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Damit irann die restliche Gesamtanlage ungestört weiterbetrieben werden.
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Ein in l-ig. 2 dargestelltes Flußdiagramm soll beispielhaft erläutern,
in welcher Weise die Programmierung des Mikroprozessors für eine Kurzschlußsuche
erfolgen kann.
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Nach dem Programm-Start folgen nacheinander folgende Schritte: a1:
Einschalten eines der Reihentransistoren 2 vorbereiten (Ebene M ausgeben) a2: Einschalten
des ersten Spaltentransistors 3 vorbereiten den ersten Transistor der M-Ebene einschalten,
den ersten Transistor der N-SpaLte einschalten.
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a4: Wird ein Kurzschluß festgestellt, d.h. wird vom ersten Erfassungsglied
ein entsprechendes Signal angebeben, a5: Im Kurzschlußfall Meldung für den Mikroprozessor
aufbereitsn, damit abgelesen werden kann, an welcher Stelle in der Matrix der Kurzschluß
auftrat und die Stelle abgespeichert werden leann a6: Einschalten des nächsten Transistors
der Spaltentransistoren 3 vorbereiten a7: Sind alle Spaltentransistoren angesteuert
worden? a8: Vorbereiten der nächsten Ebene (Reihentransistor) für den Kurzschlußtest.
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a9: Sind alle Ebenen (Reihentransistoren abgefragt worden? a 10: Auswerten
der Kurzschlußmeldungen.