CN113589785A - 一种功率单元控制器程序升级装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率单元控制器程序升级装置及方法，预先在功率单元控制器中设置板边下载口、程序运行控制电路以及主控芯片；所述程序运行控制电路由板边下载口获取上位机传送的电源信号以及程序。当上位机需要升级程序时，电源信号有效，程序运行控制电路将程序传送至主控芯片，主控芯片进行程序下载升级；当无需升级时，电源信号无效，主控芯片正常运行。采用本发明的装置，仅需一台上位机就可以给功率单元控制器供电，升级程序时采用本发明的程序运行控制电路，可有效解决拆卸功率单元的繁琐操作。保证程序升级操作安全、快捷完成。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种功率单元控制器程序升级装置及方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的快速发展，柔性交直流输电、新能源发电、分布式发电、储能电站、电气化轨道交通等大型电力电子装备向着高电压大容量方向发展。大容量大功率电力电子装备一般应用功率器件串联或者级联式功率模块的技术方案，拓扑结构如图1所示，N个功率单元级联作为一组。为了实现每个功率单元中的功率器件开通和关断功能，每个功率单元配置一个控制器，控制器的主控芯片程序精确控制尤为重要。
功率单元控制器通常固定于功率单元内部，功率单元为了防尘、防静电等效果一般采用外壳罩住。考虑到功率单元主控芯片程序的调试及运维操作，通常将程序烧写口配置在功率单元一侧，并在外壳上留有开孔，如图1所示。功率单元控制器上的主控芯片一般包括FPGA和DSP，FPGA的ASP方式下载口nCE信号，下载程序时需要接高电平，程序运行时需要接低电平，DPS的看门狗电路，下载程序时需要断开，程序运行时需要导通。传统的设计一般采用跳线帽(即短接帽)实现手动切换高低电平或通断控制，这种设计对于已经投运的现场消缺升级程序，需要拆开或拆下功率单元才能完成，因此，设计自适应的虚拟跳线帽控制电路显得很有必要。
大型电力电子装备售后消缺时，主回路不带高压电，功率单元控制器也不带电，因此售后消缺升级程序时需要给板卡提供额外的电源，传统的电源模块取电仍然需要提供常用的220V交直流电，因此，设计简单有效的控制器取电电路是程序升级操作安全、快捷的保障。
发明内容
本发明的目的提供一种功率单元控制器程序升级装置及方法，用于解决需要拆卸功率单元暴露内部控制器才可以升级程序操作，以及板卡上电问题，保证了程序升级操作安全、快捷完成。
为达到上述目的，本发明提供了一种功率单元控制器程序升级装置，包括程序下载器、下载转接板以及功率单元控制器；
所述程序下载器由上位机获取程序并发送给下载转接板；
所述下载转接板由上位机获取电源和由所述程序下载器获得的程序传送给所述功率单元控制器的板边下载口；
所述功率单元控制器包括板边下载口、程序运行控制电路以及主控芯片；所述程序运行控制电路由板边下载口获取电源信号，当电源信号有效时，程序运行控制电路接收程序传送给主控芯片进行程序下载升级；当电源信号无效时，所述主控芯片正常运行。
进一步地，所述程序运行控制电路包括光偶和接口芯片，光偶的输入引脚连接所述板边下载口提供的电源信号输出引脚，光偶的输出连接接口芯片的使能引脚；
所述接口芯片在电源信号无效时，处于使能状态，输出信号与输入信号逻辑相同，为逻辑低，所述主控芯片正常工作；电源信号有效时，所述接口芯片处于非使能状态，输入信号为逻辑低，输出信号为逻辑高，所述主控芯片进行程序下载升级。
进一步地，所述主控芯片为DSP芯片或FPGA芯片；
对于DSP芯片，所述接口芯片输入信号引脚连接DSP芯片的喂狗信号输出端，并通过下拉电阻接地；所述接口芯片输出信号引脚连接DSP芯片的复位端，并通过上拉电阻连接电源；
对于FPGA芯片，所述接口芯片输入信号引脚通过下拉电阻接地；所述接口芯片输出信号引脚连接FPGA芯片的复位端，并通过上拉电阻连接电源。
进一步地，所述光偶输入串联电阻，限制光偶的输入电流，所述光偶输入并联电容和二极管，滤除干扰信号并防止输入反向。
进一步地，所述板边下载口的电源信号输出引脚并联一个双向TVS管，通过一个二极管与所述主控芯片的电源端连接，限制输入电压过高及防止电源反向。
进一步地，所述下载转接板包括两个下载口和一个USB接口，第一下载口连接所述程序下载器下载口，第二下载口连接所述功率单元控制器板边下载口，USB接口连接上位机USB接口。
另一方面提供一种功率单元控制器程序升级方法，包括：
在功率单元控制器中设置板边下载口、程序运行控制电路以及主控芯片；所述程序运行控制电路由板边下载口获取上位机传送的电源信号以及程序；
当上位机需要对功率单元控制器进行程序升级时，电源信号有效，所述程序运行控制电路将程序传送至主控芯片，主控芯片进行程序下载升级；
当无需对功率单元控制器进行程序升级时，电源信号无效，所述程序运行控制电路控制所述主控芯片正常运行。
进一步地，所述程序运行控制电路包括光偶和接口芯片，光偶的输入引脚连接所述板边下载口提供的电源信号输出引脚，光偶的输出连接接口芯片的使能引脚；
所述接口芯片在电源信号无效时，处于使能状态，输出信号与输入信号逻辑相同，为逻辑低，所述主控芯片正常工作；电源信号有效时，所述接口芯片处于非使能状态，输入信号为逻辑低，输出信号为逻辑高，所述主控芯片进行程序下载升级。
进一步地，所述主控芯片为DSP芯片或FPGA芯片；
对于DSP芯片，所述接口芯片输入信号引脚连接DSP芯片的喂狗信号输出端，并通过下拉电阻接地；所述接口芯片输出信号引脚连接DSP芯片的复位端，并通过上拉电阻连接电源；所述接口芯片处于使能状态，输出信号与输入信号逻辑相同，为逻辑低，输出喂狗信号，所述主控芯片正常工作；所述接口芯片处于非使能状态，输出信号为逻辑高，无喂狗信号，DSP芯片进行程序下载升级；
对于FPGA芯片，所述接口芯片输入信号引脚通过下拉电阻接地；所述接口芯片输出信号引脚连接FPGA芯片的复位端，并通过上拉电阻连接电源。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)当大型电力电子装备售后消缺升级程序时，采用本发明的装置，仅需一台上位机(笔记本电脑)就可以给功率单元控制器供电，升级程序时采用本发明的程序运行控制电路，可有效解决拆卸功率单元的繁琐操作。保证程序升级操作安全、快捷完成。
(2)本发明的功率单元控制器程序升级装置通用性好，无论主控芯片为DSP或FPGA，均可实现直接在线升级，无需人工执行跳线等操作。
附图说明
图1是大型电力电子装备功率单元组合示意图；
图2是本发明的一种功率单元控制器程序升级装置示意图；
图3是程序运行控制电路示意图；
图4是控制器板边下载口电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图2所示的一种功率单元控制器程序升级装置，包括程序下载器、下载转接板、板边下载口、程序运行控制电路、主控芯片。程序下载器USB口连接上位机USB1，程序下载器下载口连接下载转接板上的下载口1，下载转接板USB输出连接上位机USB2，下载转接板下载口2连接功率单元控制器板边下载口，板边下载口连接主控芯片的程序下载专用引脚，程序运行控制电路输入连接板边下载口的5V电源信号，程序运行控制电路输出连接主控芯片程序运行控制引脚。
其中，下载转接板包括两个下载口和一个USB口，下载口1连接程序下载器下载口，下载口2连接功率单元控制器板边下载口，USB输出连接上位机USB，如图2所示。下载转接板下载口2连接下载口1和USB，具体电路原理如图3所示。下载口1接收程序下载器传输的信号，USB接收上位机传输的5V电源信号，通过下载口2汇总下载口1和USB的信号，给控制器板卡下载口提供电源信号和程序下载信号，即实现了功率单元控制器上电，又实现了程序下载信号传输。
程序运行控制电路实现了程序下载与运行的自适应切换，包括一个光偶和一个接口芯片，具体原理图如图3所示。光偶的输入连接板边下载口提供的5V电源，光偶的输出连接接口芯片的使能引脚。
所述接口芯片在电源信号无效时，处于使能状态，输出信号与输入信号逻辑相同，为逻辑低，所述主控芯片正常工作；电源信号有效时，所述接口芯片处于非使能状态，输入信号为逻辑低，输出信号为逻辑高，所述主控芯片进行程序下载升级。
当下载转接板上的USB口与上位机USB口通过USB数据线连接时，5V电源有效，光偶原边导通，光偶正常工作，光偶副边输出高电平，接口芯片使能无效。接口芯片两侧的信号即主控芯片运行信号1和主控芯片运行信号2断开。运行信号1由于下拉电阻的存在，被置低，而运行信号2由于上拉电阻的存在，输出为逻辑高。
当下载转接板上的USB口与上位机USB口未连接或者连接后5V电源无效时，光偶原边不导通，光偶不工作，光偶副边输出低电平，接口芯片使能有效。接口芯片两侧的信号即主控芯片运行信号1和主控芯片运行信号2相同。即主控芯片运行信号2被置为与主控芯片运行信号1的逻辑相同。
所述主控芯片常见的为DSP芯片或FPGA芯片两种类型的芯片。
对于DSP芯片，所述接口芯片输入信号引脚连接DSP芯片的喂狗信号输出端，并通过下拉电阻接地；所述接口芯片输出信号引脚连接DSP芯片的复位端，并通过上拉电阻连接电源；所述接口芯片处于使能状态，输出的运行信号2与运行信号1逻辑相同，为逻辑低，输出喂狗信号，所述主控芯片正常工作；所述接口芯片处于非使能状态，运行信号2为逻辑高，无喂狗信号，看门狗电路无效，DSP无法完成自检正常运行，此时DSP芯片能够进行程序下载升级。
对于FPGA芯片，所述接口芯片输入信号引脚通过下拉电阻接地；所述接口芯片输出信号引脚连接FPGA芯片的复位端，并通过上拉电阻连接电源。所述接口芯片处于使能状态，输出的运行信号2与运行信号1逻辑相同，为逻辑低，FPGA芯片正常工作。所述接口芯片处于非使能状态，运行信号2为逻辑高，FPGA芯片进行程序下载升级。
程序运行控制电路光偶原边串联电阻R1用于限制光偶导通电流，保证光偶工作在额定电流参数，光偶原边并联电容C1用于光偶输入的高频干扰信号，光偶原边并联的二极管D1用于防止光偶原边电源反向对光偶造成损坏。接口芯片两侧的上下拉电阻用于FPGA程序运行控制，下拉电阻R2用于接口芯片使能有效时，FPGA的运行信号2为低，程序可以正常运行。上拉电阻R3用于接口芯片使能无效时，FPGA的运行信号2为高，程序可以正常下载。
结合图4，控制器板边下载口电路在板边下载口的5V信号与控制器内的5V电源之间串联一个二极管D2，D2二极管限制5V电源单相流动，即下载程序时通过上位机USB给控板边下载口5V信号供电；程序下载结束，设备上主电后控制器5V电源带电，但板边下载口5V信号无电，保证光偶的正常逻辑状态。5V信号与地之间并联双向TVS管TVS1，防止5V信号过冲对控制器元件造成损坏。
另一方面提供一种功率单元控制器程序升级方法，包括：
预先在功率单元控制器中设置板边下载口、程序运行控制电路以及主控芯片；所述程序运行控制电路由板边下载口获取上位机传送的电源信号以及程序。
当上位机需要对功率单元控制器进行程序升级时，电源信号有效，所述程序运行控制电路将程序传送至主控芯片，主控芯片进行程序下载升级；
当无需对功率单元控制器进行程序升级时，电源信号无效，所述程序运行控制电路控制所述主控芯片正常运行。
综上所述，本发明涉及一种功率单元控制器程序升级装置及方法，预先在功率单元控制器中设置板边下载口、程序运行控制电路以及主控芯片；所述程序运行控制电路由板边下载口获取上位机传送的电源信号以及程序。当上位机需要升级程序时，电源信号有效，程序运行控制电路将程序传送至主控芯片，主控芯片进行程序下载升级；当无需升级时，电源信号无效，主控芯片正常运行。采用本发明的装置，仅需一台上位机就可以给功率单元控制器供电，升级程序时采用本发明的程序运行控制电路，可有效解决拆卸功率单元的繁琐操作。保证程序升级操作安全、快捷完成。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (9)
1.一种功率单元控制器程序升级装置，其特征在于：包括程序下载器、下载转接板以及功率单元控制器；
所述程序下载器由上位机获取程序并发送给下载转接板；
所述下载转接板由上位机获取电源和由所述程序下载器获得的程序传送给所述功率单元控制器的板边下载口；
所述功率单元控制器包括板边下载口、程序运行控制电路以及主控芯片；所述程序运行控制电路由板边下载口获取电源信号，当电源信号有效时，程序运行控制电路接收程序传送给主控芯片进行程序下载升级；当电源信号无效时，所述主控芯片正常运行。
2.根据权利要求书1所述的功率单元控制器程序升级装置，其特征在于：所述程序运行控制电路包括光偶和接口芯片，光偶的输入引脚连接所述板边下载口提供的电源信号输出引脚，光偶的输出连接接口芯片的使能引脚；
所述接口芯片在电源信号无效时，处于使能状态，输出信号与输入信号逻辑相同，为逻辑低，所述主控芯片正常工作；电源信号有效时，所述接口芯片处于非使能状态，输入信号为逻辑低，输出信号为逻辑高，所述主控芯片进行程序下载升级。
3.根据权利要求书2所述的功率单元控制器程序升级方法及装置，其特征在于：所述主控芯片为DSP芯片或FPGA芯片；
对于DSP芯片，所述接口芯片输入信号引脚连接DSP芯片的喂狗信号输出端，并通过下拉电阻接地；所述接口芯片输出信号引脚连接DSP芯片的复位端，并通过上拉电阻连接电源；
对于FPGA芯片，所述接口芯片输入信号引脚通过下拉电阻接地；所述接口芯片输出信号引脚连接FPGA芯片的复位端，并通过上拉电阻连接电源。
4.根据权利要求书3所述的功率单元控制器程序升级装置，其特征在于：所述光偶输入串联电阻，限制光偶的输入电流，所述光偶输入并联电容和二极管，滤除干扰信号并防止输入反向。
5.根据权利要求书3所述的功率单元控制器程序升级装置，其特征在于：所述板边下载口的电源信号输出引脚并联一个双向TVS管，通过一个二极管与所述主控芯片的电源端连接，限制输入电压过高及防止电源反向。
6.根据权利要求书1至3之一所述的功率单元控制器程序升级装置，其特征在于：所述下载转接板包括两个下载口和一个USB接口，第一下载口连接所述程序下载器下载口，第二下载口连接所述功率单元控制器板边下载口，USB接口连接上位机USB接口。
7.一种功率单元控制器程序升级方法，其特征在于：包括：
在功率单元控制器中设置板边下载口、程序运行控制电路以及主控芯片；所述程序运行控制电路由板边下载口获取上位机传送的电源信号以及程序；
当上位机需要对功率单元控制器进行程序升级时，电源信号有效，所述程序运行控制电路将程序传送至主控芯片，主控芯片进行程序下载升级；
当无需对功率单元控制器进行程序升级时，电源信号无效，所述程序运行控制电路控制所述主控芯片正常运行。
8.根据权利要求书7所述的功率单元控制器程序升级方法，其特征在于：所述程序运行控制电路包括光偶和接口芯片，光偶的输入引脚连接所述板边下载口提供的电源信号输出引脚，光偶的输出连接接口芯片的使能引脚；
所述接口芯片在电源信号无效时，处于使能状态，输出信号与输入信号逻辑相同，为逻辑低，所述主控芯片正常工作；电源信号有效时，所述接口芯片处于非使能状态，输入信号为逻辑低，输出信号为逻辑高，所述主控芯片进行程序下载升级。
9.根据权利要求书8所述的功率单元控制器程序升级方法，其特征在于：所述主控芯片为DSP芯片或FPGA芯片；
对于DSP芯片，所述接口芯片输入信号引脚连接DSP芯片的喂狗信号输出端，并通过下拉电阻接地；所述接口芯片输出信号引脚连接DSP芯片的复位端，并通过上拉电阻连接电源；所述接口芯片处于使能状态，输出信号与输入信号逻辑相同，为逻辑低，输出喂狗信号，所述主控芯片正常工作；所述接口芯片处于非使能状态，输出信号为逻辑高，无喂狗信号，DSP芯片进行程序下载升级；
对于FPGA芯片，所述接口芯片输入信号引脚通过下拉电阻接地；所述接口芯片输出信号引脚连接FPGA芯片的复位端，并通过上拉电阻连接电源。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211102 |