Schaltung zur Ansteuerung und Überwachung einer Mehrzahl von Signallampen

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ansteuerung und Überwachung einer Mehrzahl von Signallampen gemäß dem Ober¬ begriff des Anspruchs 1. Die Überwachung von Signallampen, insbesondere Eisenbahn-Signallampen, erfolgt durch Messung der Lampenwechselströme. Eine bekannte Signallampensteuerbau- gruppe ist dazu mit einer Analogschaltung ausgestattet, wobei die Lampenströme über einen Transformator ausgekoppelt wer ^¬ den. Nachteilig ist vor allem der erhebliche Schaltungsauf ^¬ wand aufgrund des diskreten Aufbaus der Analogschaltung. Außerdem muss die Nennfrequenz der zu bewertenden Lampenwech¬ selströme 50 Hz betragen, wogegen die übliche Nennfrequenz im Bereich von 50 Hz bis 125 Hz betragen kann. Für die Hellig¬ keitsanpassung im Tagbetrieb und im Nachtbetrieb müssen zwei Stromfenster einstellbarer Lage und einstellbarer Breite vor- handen sein. Bei der bekannten Analogschaltung ist die Breite des Stromfensters konstant auf +/-30 % des Nennwertes festge ^¬ legt. Die Lage der Stromfenster ist nur über eine aufwendige Dimensionierung mittels Änderung von Widerständen einstell¬ bar, was jeweils zu einer unerwünschten Hardware-Änderung führt. Der Einstellbereich liegt zwischen 50 mA und 200 mA, wogegen das Erfordernis besteht, die beiden Stromfenster im Bereich von 50 mA bis 1000 mA für jeden Lampenstromkreis ein¬ zeln einstellen zu können. Darüber hinaus genügt die bekannte Analogschaltung auch den Anforderungen bezüglich der Erkenn- barkeit des sogenannten Halbwellenfehlers nicht. Beim Halb- wellenfehler fließt nur noch eine Halbwelle durch die Signal ^¬ lampe, so dass eine Verdunkelung der Lampe resultiert. Die Analogschaltung ermöglicht keine direkte Erkennung des Halb-

wellenfehlers. Der Halbwellenfehler lässt sich nur indirekt erkennen, wenn der Lampenstrom aufgrund des Halbwellenfehlers den der Lampe vorgeschalteten Lampentransformator in die Sät¬ tigung bringt, was zu einer Stromerhöhung führt. Diese Eigen- schaft ist jedoch nicht bei allen Lampentransformatoren gege¬ ben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Ansteuerung und Überwachung einer Mehrzahl von Signallampen der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der diese Nachteile vermieden sind, wobei insbesondere eine einfache Anpassung der Stromfenster an verschiedene Anwendungen ohne Hardware- Änderung möglich sein soll. Dabei ist ein größerer Einstell¬ bereich, vorzugsweise von 50 mA bis 1000 mA, bei Unempfind- lichkeit gegenüber erheblichen Frequenzschwankungen, vorzugs¬ weise von 50 Hz bis 125 Hz, anzustreben. Darüber hinaus muss unabhängig vom Stromfenster detektiert werden können, ob beide Halbwellen des zu messenden Lampenwechselstroms vorhan ^¬ den sind oder ob es durch Bauteildefekte zum Halbwellenfehler gekommen ist. Um größtmögliche Sicherheit bezüglich der Funk ^¬ tionsfähigkeit der Schaltung zu garantieren, muss die Schal ^¬ tung selbst durch Online-Prüfungen überwachbar sein.

Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des An- spruchs 1 gelöst. Durch die Verwendung eines Strombewertungs- Controllers anstelle einer Analogschaltung ergibt sich eine softwarebasierte Einstellbarkeit einer Vielzahl von Parame ^¬ tern in einem weiten Bereich. Hardware-Änderungen, insbeson¬ dere zur Einstellung der Lage und der Breite von Stromfens- tern der einzelnen Signallampen für die Tag-/Nacht-Umschal- tung, entfallen weitestgehendst . Vorzugsweise werden 8 Mess ^¬ wertaufnehmer an den Strombewertungs-Controller angeschlos-

sen. Der Strombewertungs-Controller digitalisiert das analoge Messsignal und bewertet dieses.

Gemäß Anspruch 2 ist der Messwertaufnehmer als Hallsensor mit nachgeschaltetem Operationsverstärker ausgebildet. Dieser Stromsensor wird direkt in den Lampenstromkreis geschaltet und liefert am Ausgang eine dem Strom proportionale Ausgangs ^¬ spannung. Um bei der nachfolgenden Auswertung im Strombewer¬ tungs-Controller den vollen Spannungsbereich, üblicherweise 0 bis 5 V, ausnutzen zu können, muss das Ausgangssignal der

Hallsensoren mit Hilfe des Operationsverstärkers aufbereitet werden.

Gleichzeitig sollte der Operationsverstärker gemäß Anspruch 3 ein Tiefpassverhalten aufweisen, um Störungen aufgrund zu ho¬ her Signalfrequenzen bei der Abtastung durch den Strombewer¬ tungs-Controller - Aliasing-Effekte - zu vermeiden.

Da die Schaltung einen Strombereich von 50 mA bis 1000 mA ab- decken muss, wird eine Messbereichs-Umschaltung benötigt. Diese wird nach Anspruch 4 durch Veränderung des Verstär¬ kungsverhältnisses des Operationsverstärkers realisiert.

Um die Funktion der Strombewertung prüfen zu können, muss eine Möglichkeit vorgesehen werden, bei laufendem Betrieb das auszuwertende Signal auf einen Wert unterhalb der Messbe- reichsschwelle herab zu setzen. Dieses kann gemäß Anspruch 5 wiederum mit einer Veränderung des Verstärkungsverhältnisses des Operationsverhältnisses erreicht werden. Die Ansteuerung eines entsprechenden Schalters erfolgt vorzugsweise zyklisch von einem Steuerrechner aus über Prüfbits, die auf alle, vor¬ zugsweise acht, Stromsensoren gleichzeitig wirken.

Die Konfigurationsdaten für die Strombewertung werden gemäß Anspruch 6 über ein serielles EPROM an den Strombewertungs- Controller übergeben. Im EPROM werden die oberen und die un¬ teren Fenstergrenzen der Strombewertungsfenster sowohl für das Tag- als auch für das Nachtfenster sowie die Grenzen für die Halbwellenfehlererkennung abgelegt . Die Vorgabe der Schwellen erfolgt durch Eingabe der Werte in ein EXCEL-ba- siertes Tool, welches dann die Programmierdaten generiert. Neue Fenstergrenzen lassen sich somit sehr einfach über die Eingabe der Daten in das EXCEL-basierte Tool generieren. Eine aufwendige Dimensionierung mittels Hardware-Änderung - wie bei der bekannten Analog-Schaltung - entfällt. Auf diese Weise lassen sich beliebige Stromfenster sowohl bezüglich der Lage als auch bezüglich der Breite separat für jede Signal- lampe einstellen. Damit nicht in den Strombewertungs-Control- ler eingegriffen werden muss, befinden sich die beiden EPROM' s für das Tag-Stromfenster und für das Nacht-Stromfens¬ ter auf einer Zusatzplatine, wobei der Datentransfer vorzugs ^¬ weise über eine serielle l2C-Schnittstelle realisiert wird.

Um Fehlfunktionen des A/D-Wandlers sowie des Controller-in¬ ternen Multiplexers, z. B. Verkopplungen oder Ausfall einzel ^¬ ner Bits des A/D-Wandlers oder Vertauschung einzelner Kanäle des Multiplexers, aufdecken zu können, müssen die Funktionen dieser beiden Komponenten des Strombewertungs-Controllers überwacht werden. Für diese Prüfung ist gemäß Anspruch 7 vor¬ gesehen, dass der Strombewertungs-Controller eine Testspan¬ nung erzeugt, die über einen D/A-Wandler und einen externen Multiplexer auf die Messwertaufnehmer-Eingänge des Strombe- wertungs-Controllers schaltbar ist. Mit Hilfe eines ENABLE- Ausgangs des Strombewertungs-Controllers kann die Prüfspan ^¬ nung an die Multiplexer-Ausgänge geschaltet bzw. abgeschaltet werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die D/A-

Wandlerspannung nur zu dem Zeitpunkt der Prüfung an den ana¬ logen Eingängen des Strombewertungs-Controllers liegt, so dass die zu bewertenden Ausgangssignale der, vorzugsweise acht, Messwertaufnehmer nicht verfälscht bzw. überlagert wer- den.

Das Ergebnis der Prüfung wird gemäß Anspruch 8 einem Aus- werte-Controller zugeführt, wobei aufgrund der üblichen Re¬ dundanz der jeweils andere Verarbeitungskanal des Auswerte- Controllers die Prüfergebnisse auswertet, indem der digitale Ausgang seine Polarität - 0 bzw. 5 V - bei jedem Prüfdurch¬ lauf ändert. Da die Prüfung in einem festgelegten Zyklus, beispielsweise 25 ms-Zyklus, durchgeführt wird, ergibt sich ein Recktecksignal, das von dem Auswerte-Controller im je- weils anderen Verarbeitungskanal ausgewertet wird. Wird von der A/D-Wandlerprüfung ein Fehler erkannt, führt der Strombe- wertungs-Controller keine weitere Strommessung oder -prüfung mehr durch, woraufhin auch das Rechtecksignal - Lebenszeichen - ausbleibt. Ist dies der Fall, setzt der Strombewertungs- Controller im anderen Verarbeitungskanal sämtliche Meldebits dauerhaft auf Fehler. Da diese Überwachung quasi überkreuzt erfolgt, überwachen sich die Controller in den beiden Verar¬ beitungskanälen gegenseitig.

Bei jedem Hochlauf der Mikro-Controller, ausgelöst durch Po- wer-up und Reset, führen die Mikro-Controller einen Test des internen RAM-Speichers und des Programmspeichers durch. Der RAM-Speicher wird mit Testwerten beschrieben und die abgeleg¬ ten Testwerte werden zurückgelesen. Über den Programmspeicher wird eine Checksumme berechnet, die mit einer im Programm ^¬ speicher hinterlegten Checksumme verglichen wird. Auch bei einem dadurch festgestellten Fehler wird vom Strombewertungs-

Controller kein Lebenszeichen an den Auswerte-Controller ge¬ sendet .

Für die Tag/Nacht-Helligkeitsanpassung der Signallampen schaltet der Steuerrechner die Analogstromversorgung der Sig¬ nallampen gemäß Anspruch 9 entsprechend um. Dadurch verändern sich die Lampenwechselströme in ihrer Größenordnung, so dass gleichzeitig die Stromfenster für die Lampenstrombewertung umgeschaltet werden müssen. Diese Umschaltung erfolgt durch Software-Kommandos von dem externen Steuerrechner aus. Das

Umschaltsignal wird über eine Verbindungsleitung vom Bus-In¬ terface an den Strombewertungs-Controller übergeben.

Die Auswertung der, vorzugsweise acht, Wechselstromsignale durch den Strombewertungs-Controller erfolgt durch Abtastung der Messsignale, wobei nach Anspruch 10 mehrere Amplituden ^¬ werte ermittelt und mit den Grenzen des Stromfensters vergli ^¬ chen werden. Der A/D-Wandler des Strombewertungs-Controllers wird sequentiell auf die einzelnen analogen Eingänge geschal- tet . Um bei einer maximalen Signalfrequenz von 130 Hz eine ausreichende Abtastung der Messsignale zu gewährleisten, wird ein neuer Sample-Wert für jeden Lampenstromkreis im Abstand von ca. 0.65 ms erfasst. Die eingelesenen Werte werden über eine digitale Filterroutine geglättet. Zur Bewertung des Lam- penstromes werden die Amplitudenwerte verwendet, d. h. es er ^¬ folgt eine Spitze-Spitze-Wert-Messung. Für dieses Verfahren ist wesentlich weniger Rechenkapazität erforderlich als für die Berechnung des Effektivwerts bzw. des Gleichrichtwerts. Pro Lampenstromkreis wird innerhalb eines Messzyklusses aus den Abtastwerten ein Extremwertpaar entsprechend der Signal¬ amplitude bestimmt. Um unempfindlicher gegenüber äußeren Stö¬ rungen zu sein, wird durch Mittelwertbildung aus beispiels¬ weise vier Extremwertpaaren der jeweilige Spitze-Spitze-Wert

berechnet und mit den Fenstergrenzen verglichen. Diese Mess¬ wertaufbereitung und -bewertung sowie die Datenübertragung an den weiterverarbeitenden Auswerte-Controller erfolgen dabei im Abstand von ca. 25 ms. Darüber hinaus erfolgt jeweils nach vier Messzyklen im Anschluss an die beschriebene Aufberei ^¬ tung, Bewertung und Übertragung der A/D-Wandlertest gemäß An¬ spruch 7 sowie eine Referenzwertnachführung des Stromsensors.

Dieser messwertaufnehmerspezifische Referenzwert wird gemäß Anspruch 11 zur Ermittlung eines Halbwellenfehlers verwendet, wobei um den Referenzwert symmetrisch Schwellwerte gelegt werden, die von dem zu bewertenden Signal bei korrekter Kur¬ venform überschritten bzw. unterschritten werden müssen. Da die Referenzspannung des Stromsensors relativ großen Toleran- zen unterliegt, muss die Referenzspannung beim Initialisieren sowie im laufenden Betrieb der Schaltung ermittelt und nach¬ geführt werden. Bei einem erkannten Halbwellenfehler wird das Ergebnisbit auf Fehler, d. h. der Stromwert ist nicht in dem vorgegebenen Bereich, gesetzt. In diesem Fall wird der Refe- renzwert nicht mehr nachgeführt, um zu verhindern, dass der Referenzwert in die Mitte des fehlerhaften Signals geregelt wird und somit der Halbwellenfehler nicht mehr erkannt wird. Wird der Lampenkreis ausgeschaltet, d. h. der Amplitudenwert bzw. Spitze-Spitze-Wert liegt nahe Null, wird der Halbwellen- fehler gelöscht und der Referenzwert kann wieder nachgeregelt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher Darstellun¬ gen näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

Figur 2 eine Stromsensorschaltung als Detail der Figur 1,

Figur 3 das Prinzip einer Stromfensterumschaltung,

Figur 4 das Prinzip einer Strombewertung und

Figur 5 das Prinzip einer Halbwellenfehlererkennung.

Die in Figur 1 dargestellte Schaltung zur Strombewertung be- steht im Wesentlichen aus acht Stromsensoren 1, die den

Bestromungszustand von acht nicht dargestellten Signallampen erfassen, einem Strombewertungs-Controller 2, einem Auswerte- Controller 3, einem seriellen EPROM 4, einem D/A-Wandler 5 und einem Multiplexer 6. Der Strombewertungs-Controller 2 di- gitalisiert sequentiell die von den acht Stromsensoren 1 zu ^¬ geführten stromproportionalen Spannungssignale und vergleicht Extremwertpaare entsprechend der Amplitude A (Figur 4) mit vorgegebenen Grenzwerten. Die Daten für diese Grenzwerte wer¬ den von dem EPROM 4 vorgegeben, wobei das EPROM 4 mit den entsprechenden Werten für die Stromfenster Fl für den Tagbe¬ trieb und F2 für den Nachtbetrieb für jede einzelne Signal ^¬ lampe separat programmierbar ist.

Der D/A-Wandler 5 und der Multiplexer 6 dienen der Funktions- kontrolle des Strombewertungs-Controllers 2. Dazu wird eine Testspannung auf die acht analogen Eingänge des Strombewer¬ tungs-Controllers 2 geschaltet, wobei bei korrekter Funk ^¬ tionsweise des Strombewertungs-Controllers 2 eine bestimmte Reaktion erfolgen muss. Der D/A-Wandler 5 ist bei dem Ausfüh- rungsbeispiel als nicht invertierender Summierverstärker aus¬ gebildet. Mit diesem D/A-Wandler 5 können acht unterschiedli ^¬ che Spannungen zwischen 0 V und 5 V erzeugt werden. Die Steu¬ erung des D/A-Wandlers 5 wird von den digitalen Ausgängen BO, Bl und B2 des Strombewertungs-Controllers 2 realisiert. Um die Spannung des D/A-Wandlers 5 an den gewünschten analogen Eingang des Strombewertungs-Controllers 2 zu schalten, ist der Acht-Bit-Multiplexer 6 zwischengeschaltet. Die Ausgänge YO bis Y7 des Multiplexers 6 werden niederohmig an den jewei-

ligen analogen Eingang geschaltet, damit die Testspannung von der zu bewertenden Messspannung nicht beeinflusst wird. Die Steuerung des Multiplexers 6 übernehmen die digitalen Aus¬ gänge B3, B4 und B5 sowie C5 des Strombewertungs-Controllers 2, wobei die Ausgänge B3, B4 und B5 die einzelnen analogen Eingänge des Strombewertungs-Controllers 2 auswählen. Mit Hilfe des Ausgangs C5 - ENABLE - kann die Testspannung an die Multiplexer-Ausgänge YO bis Y7 ein- und ausgeschaltet werden.

Die Ergebnisse dieses Selbsttests des Strombewertungs-Cont ^¬ rollers 2 werden an den Auswerte-Controller 3 weitergeleitet, indem der digitale Ausgang CO des Strombewertungs-Controllers seine Polarität bei jedem Prüfdurchlauf ändert. Dadurch er ^¬ gibt sich ein Rechtecksignal, das in dem jeweils anderen Ka- nal des zweikanaligen Gesamtsystems ausgewertet wird. Die Po ^¬ laritätsänderung am Ausgang CO, d. h. das Rechtecksignal, welches quasi als Lebenszeichen des Gesamtsystems fungiert, bleibt aus, wenn ein interner Fehler des Strombewertungs- Controllers 2 erkannt wird.

Figur 2 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Stromsen¬ sors 1. Der Stromsensor 1 ist direkt in den Lampenstromkreis 7 geschaltet und liefert am Ausgang eine dem Strom proportio ^¬ nale Ausgangsspannung. Die Messwertaufnahme erfolgt mit einem Hallsensor 8, dem ein Operationsverstärker 9 nachgeschaltet ist. Der Operationsverstärker 9 ist mit zwei Widerständen Rl und R2 und einem Kondensator C derart beschaltet, dass Tief ^¬ passverhalten resultiert, wodurch zu hohe Signalfrequenzen ausgefiltert werden.

Da die Strombewertung von 50 mA bis 1000 mA möglich sein soll, wird eine Bereichsumschaltung benötigt. Dazu ist eine Veränderung des Verstärkungsverhältnisses des Operationsver-

stärkers 9 mittels einer Schalter/Widerstand-Baugruppe S1/R3 vorgesehen.

Um die Funktion des Strombewertungs-Controllers 2 prüfen zu können, wird das zu bewertende Signal zyklisch bis unterhalb einer Schwelle herabgesetzt. Dieses kann wiederum mit einer Veränderung des Verstärkungsverhältnisses des Operationsver ^¬ stärkers 9 mittels einer weiteren Schalter-Widerstand-Bau ^¬ gruppe S2/R4 erreicht werden. Die Ansteuerung des Schalters S2 erfolgt zyklisch von einem Steuerrechner 10 aus, wobei

Prüfbits auf alle acht Stromsensoren 1 gleichzeitig wirken.

Figur 3 veranschaulicht das Stromfensterprinzip. Die Be- reichsumschaltung für die unterschiedlichen Helligkeitsanfor- derungen der Signallampen bei Tagbetrieb und bei Nachtbetrieb wirkt einerseits auf die Lampenstromversorgung und anderer¬ seits auf den Messbereich des Strombewertungs-Controllers 2. Das EPROM 4 speichert die Stromfenster Fl für den Tagbetrieb und F2 für den Nachtbetrieb separat für jede einzelne der acht Signallampen. Die Umschaltung zwischen Tag- und Nachtbe¬ trieb erfolgt durch Software-Kommandos vom Steuerrechner 10 aus .

Figur 4 veranschaulicht das Prinzip, nach dem der Strombewer- tungs-Controller 2 arbeitet. Ausgewertet werden nur die

Spitze-Spitze-Wertepaare [Wl; W2] der digitalisierten Signal ^¬ kurve. Bei korrekter Signalform und damit korrekter Bestro- mung der zugeordneten Signallampe liegen diese Extremwerte Wl und W2 innerhalb des vorgegebenen Fensters Fl bzw. F2, wel- ches durch einen untern Grenzwert G ₁₁ und einen oberen Grenz ^¬ wert G ₀ definiert ist. Zur Ausmittelung von Störungen werden jeweils vier Extremwertpaare [Wl; W2] gemittelt und mit den Fenstergrenzwerten G ₁₁ und G ₀ verglichen. Die Auswertung der

vier Extremwertpaare [Wl; W2] beginnt dabei zyklisch in nach ^¬ einander folgenden Zeitfenstern K-3, K-2, K-I usw., wobei die Zeitfenster einen Messzyklus CYCL von ca. 25 ms repräsentie ^¬ ren.

Ein weiterer wichtiger Teil der Strombewertung ist das Erken¬ nen eines Halbwellenfehlers 11, wie in Figur 5 dargestellt. Die Referenzspannung U _Re f des Stromsensors 1 kann in relativ weiten Bereichen schwanken, so dass eine Nachführung erfor- derlich ist. Mit dem ermittelten Referenzwert U _Re f können sym ^¬ metrisch um diesen eine obere Schwelle S ₀ und eine untere Schwelle Su definiert werden, die das zu bewertende Signal bei korrekter Kurvenform überschreiten und unterschreiten muss. Bei dem im rechten Teil der Figur 5 dargestellten HaIb- wellenfehler 11 wird die untere Schwelle S ₁₁ nicht mehr unter ^¬ schritten, was zu einer entsprechenden Fehlermeldung führt.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend ange ^¬ gebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Va- rianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearte¬ ter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch ma¬ chen.