智能数字电源及对其进行监控的方法和装置与流程

本发明涉及智能数字电源技术领域，特别涉及具备计算机程序监测功能的智能数字电源和对智能数字电源的监控方法。对于对智能数字电源的监控方法，可以通过建立功能模块，组合成功能模块构架，由存储在计算机可读存储介质中的计算机程序来实施。

背景技术：

目前，全数字化控制在UPS、光伏逆变器、开关智能数字电源及变频器等智能数字电源领域获得了广泛的应用。传统的采用模拟电路作为控制装置的产品，一旦产品制作好，想要升级，就必须更改硬件电路，非常麻烦，成本也非常高。数字化控制通过软件和硬件共同实现，硬件按照软件的要求执行相应的动作。具体的控制算法由软件完成，软件存储在相应的DSP或MCU芯片内，当发现产品存在缺陷或需要升级时，只需要升级软件，无需更改硬件，方便快捷。

为便于维护，目前的数字化产品通常设置有通讯接口如RS485、RS232、USB、网路接口等，有的设置有WIFI、Zigbee、GPRS等无线模块，通过这些端口或模块，智能数字电源可以连接到互联网上，使用手机或计算机通过网络实现对智能数字电源运行的监控、故障检测及程序升级等功能。这在增加方便性的同时，也带来了隐患，因为在手机、计算机或网络中可能存在病毒，这些病毒会导致手机或计算机无法正常运行。对智能数字电源而言，病毒造成危害可能更严重，甚至会导致智能数字电源损坏或者引发安全事故。

技术实现要素：

本发明的目的在于：在智能数字电源的主控芯片U1输出给受控电路的控制信号可能导致受控电路异常时，能够执行对应的处理动作，避免智能数字电源损坏或者引发安全事故。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明给出一种具备计算机程序监测功能的智能数字电源，包括数字电源本体，数字电源本体包括主体电路和主控芯片U1，主体电路中有受控电路，主控芯片U1在计算机程序的控制下给该受控电路输出控制信号，本智能数字电源还包括对该控制信号进行实时监测的监测器件U2，监测器件U2若监测到该控制信号违反了预设的运行规则，就执行对应的处理动作；数字电源本体设有用于安装和电连接监测器件U2的安装连接结构。

主体电路包括功率变换电路W1、用于对外输出数字电源的输出继电器组W2等，该功率变换电路W1包括接在电源输入正极端和电源输入负极端之间的至少一组桥臂。该智能数字电源的受控电路可以是功率变换电路W1桥臂中的功率开关、输出继电器组W2等，用户能够根据具体的智能数字电源主体电路选择不同的受控电路作为监测器件U2监测的目标。

监测器件U2是一次性可编程芯片，预先烧录有控制信号需遵守的运行规则。监测器件U2的信号输出端口连接主控芯片U1的信号接收端口，信号发送端口PA1连接主控芯片U1的复位端口RST。

优选地，数字电源本体中，在主控芯片U1和受控电路之间连接有由监测器件U2控制的开关电路D1。

优选地，受控电路的一个受控端接收来自主控芯片U1的控制信号，另一个受控端接收来自监测器件U2的控制信号。

本发明给出的对智能数字电源的监控方法，对主控芯片U1输出的控制信号进行实时监测，若监测到该控制信号违反了预设的运行规则，就执行对应的处理动作。该处理动作根据具体的电路状态不同而不同，比如在控制信号违反了预设的运行规则，导致存在着桥臂短路的危险时，就封锁该控制信号；比如控制信号违反了预设的运行规则，具体地，主体电路出现异常，主控芯片U1对此应当输出某个控制信号却没有输出，导致存在着外部的电能通过输出继电器组进行反灌的危险时，就代替主控芯片U1给出这个控制信号。该处理动作还可以是令主控芯片U1中的计算机程序重启或者退回到早前的版本，或者可以是对外且/或对主控芯片U1发出警报信号。

本发明的有益效果是：能够对智能数字电源的主控芯片U1输出的控制信号进行实时监测，在智能数字电源的主控芯片U1输出给受控电路的控制信号可能导致受控电路异常时，能够执行对应的处理动作，避免智能数字电源损坏或者引发安全事故。该智能数字电源的数字电源本体能够根据用户需要安装和电连接烧录有不同运行规则的监测器件U2，使监测器件U2对控制信号的监控更灵活。

对于对智能数字电源的主控芯片的监控方法，可以建立功能模块，组合成功能模块构架，主要通过存储在计算机可读存储介质中的计算机程序来实施。

附图说明

图1为具备计算机程序监测功能的智能数字电源的电路示意图；

图2为智能数字电源的功率变换电路的示意图。

具体实施方式

本实施例的智能数字电源的电路如图1所示，其数字电源本体的主体电路包括功率变换电路W1、用于对外输出数字电源的输出继电器组W2等。功率变换电路W1桥臂中的功率开关S1、S2、S3、S4和输出继电器组W2系受控电路，主控芯片U1在计算机程序的控制下输出导通/断开等控制信号给这些受控电路。本智能数字电源包括对该控制信号进行实时监测的监测器件U2，监测器件U2安装和电连接在数字电源本体的安装连接结构上。该安装连接结构是数字电源本体上预留给监测器件U2的芯片座和电连接端口，监测器件U2安装在芯片座内，其用于发出警报信号的信号输出端口A2连接主控芯片U1的信号接收端口A1，其用于发出重启信号的信号输出端口B2连接主控芯片U1的信号接收端口B1，其信号发送端口PA1连接主控芯片U1的复位端口RST。监测器件U2预先烧录有控制信号需遵守的运行规则，若监测到主控芯片U1输出的控制信号违反了预设的运行规则，就执行对应的处理动作（下文举例说明）。

这种智能数字电源可以通过网络实现对控制主控芯片U1的计算机程序的在线升级，而控制信号的运行规则由受控电路功率变换电路W1桥臂中的功率开关S1、S2、S3、S4和输出继电器组W2的运行逻辑决定。当智能数字电源的硬件结构制作完成后，受控电路在正常工作时就存在一定的运行逻辑，不管控制主控芯片U1的计算机程序怎么升级优化，主控芯片U1输出给受控电路的控制信号都需要遵守特定的运行规则，以使受控电路在正常的运行逻辑下工作，而监测器件U2中就烧录有这些特定的运行规则。主控芯片U1和监测器件U2之间存在直接通讯连接，因此监测器件U2使用一次性可编程芯片，从而避免监测器件U2中烧录的运行规则被强制更改。

在智能数字电源中，控制不同受控电路的控制信号有不同的运行规则，而在控制信号违反运行规则时，监测器件U2在受控电路的不同电路状态下需要执行的处理动作也不同。下面以智能数字电源中功率变换电路W1桥臂中的功率开关S1、S2、S3、S4和输出继电器组W2两个受控电路为例，对监测器件U2在监测到控制信号违反预设运行规则时的处理动作做出说明。

一、如图2所示的功率变换电路W1，该功率变换电路W1是采用单极性调制方式的单相逆变电路，包括接在电源输入正极端和电源输入负极端之间的两组桥臂，其受控电路是位于一组桥臂上的功率开关S1、S2和位于另一组桥臂上的功率开关S3、S4，主控芯片U1通过四个信号输出端口PWM 1、PWM 2、PWM 3、PWM 4输出的控制信号分别控制功率开关S1、S2、S3、S4导通/断开。监测器件U2通过信号接收端口PA2、PA3、PA4、PA5实时监测主控芯片U1通过信号输出端口PWM 1、PWM 2、PWM 3、PWM 4输出的控制信号。在主控芯片U1和受控电路之间连接有由监测器件U2控制的开关电路D1，监测器件U2能够通过断开开关电路D1来封锁主控芯片U1输出给功率开关S1、S2、S3、S4的控制信号。

功率开关S1、S2是工频波开关管，额定工作频率f1是50 Hz，功率开关S3、S4是高频波开关管，额定工作频率f2是20KHz，工作频率过高会引起功率开关的导通损耗增大，工作频率过低会导致电路中的磁性元件饱和；在正常工作情况下，同一组桥臂的上的两个功率开关不允许同时导通，否则功率变换电路W1的桥臂短路，会导致智能数字电源损坏或者引发安全事故。因此，根据功率变换电路W1的运行逻辑对主控芯片U1输出给功率变换电路W1的控制信号设置如下运行规则：

运行规则1：功率开关S1、S2的实际开关频率sf1和额定工作频率f1的比值n1= sf1/ f1满足：0.5 ≤ n1 ≤ 2，即25Hz ≤ sf1 ≤ 100Hz ；

运行规则2：功率开关S3、S4的实际开关频率sf2和额定工作频率f2的比值n2= sf2/ f2满足：0.5 ≤ n2 ≤ 2，即10KHz ≤ sf2 ≤ 40KHz ；

运行规则3：功率开关S1导通时，功率开关S2必须处于断开状态，且需要间隔一个的死区时间t；功率开关S2开通时，功率开关S1必须处于断开状态，且需要间隔一个的死区时间t；

运行规则4：功率开关S3导通时，功率开关S4必须处于断开状态，且需要间隔一个的死区时间t；功率开关S4导通时，功率开关S3必须处于断开状态，且需要间隔一个的死区时间t。

当主控芯片U1感染病毒使得控制主控芯片U1输出控制信号的计算机程序被篡改，或者当智能数字电源的计算机程序出现其他异常时，主控芯片U1产生逻辑错误，使得主控芯片U1输出给功率变换电路W1的控制信号违反上述运行规则1、2、3或4，引起：功率开关S1、S2的开关频率超出25Hz ~100Hz的范围；或者功率开关S3、S4的开关频率超出10KHz ~40KHz的范围；或者功率开关S1、S2同时导通，或者功率开关S1、S2导通的时间小于死区时间t=250ns；或者功率开关S3、S4同时导通，或者功率开关S3、S4导通的时间小于死区时间t=250ns。此时，若监测器件U2监测到该违反运行规则的行为会导致受控电路存在桥臂短路的危险，就立即通过信号输出端口OE控制开关电路D1断开，从而封锁主控芯片U1输出给功率变换电路W1的控制信号，以使功率变换电路W1的四个功率开关S1、S2、S3、S4全部处于断开状态，避免功率变换电路W1或者其他功率器件损坏。监测器件U2封锁控制信号后，记录该控制信号违反运行规则的次数和持续的时间。当在预先规定的1分钟时间内该违反的行为超过10次时，监测器件U2通过信号输出端口B2向主控芯片U1的信号接收端口B1传递重启信号，令主控芯片U1中的计算机程序重启。若是智能数字电源的主控芯片U1在运行计算机程序的1.0版本时输出的控制信号正常，而升级到2.0版本后，程序有漏洞或者不稳定，导致主控芯片U1产生逻辑错误，输出给功率变换电路W1的控制信号违反上述运行规则1、2、3或4，则监测器件U2通过信号发出端口PA1向主控芯片U1的复位端口RST传递复位信号，令主控芯片U1的计算机程序退回到早前的1.0版本。同时，监测器件U2通过信号输出端口A2传递警报信号给主控芯片U1的信号接收端口A1，还可以对外发出警报信号，从而使智能数字电源报故障信息来提醒使用者有异常情况，使用者能够及时对智能数字电源的故障进行处理，避免智能数字电源损坏或者引发安全事故。

对于功率变换电路W1的功率开关S1、S2、S3、S4，在其工作频率偏离额定工作频率一定范围但是偏离的程度还不至于违反运行规则1、2时，也会对功率变换电路W1的工作性能产生影响，因此对于运行规则1和运行规则2，又有细化的运行规则：

运行规则1.1：功率开关S1和S2的实际开关频率sf1满足：40Hz ≤ sf1 ≤ 60Hz；

运行规则2.1：功率开关S3和S4的实际开关频率sf2满足：18KHz ≤ sf2 ≤ 22KHz。

监测器件U2监测到主控芯片U1输出给功率变换电路W1的控制信号违反了上述运行规则5或6，此时功率变换电路W1还可以正常工作，因此不需要立即封锁控制信号。监测器件U2记录该控制信号违反运行规则的次数和持续的时间，当在预先规定的1分钟时间内该违反的行为超过10次时，监测器件U2通过信号输出端口A2传递警报信号给主控芯片U1的信号接收端口A1，还可以对外发出警报信号，从而使智能数字电源报故障信息来提醒使用者有异常情况。

二、如图1所示受控电路输出继电器组W2，通过与门电路D2扩展受控端，其一个受控端接收来自主控芯片U1信号发出端口CON1的控制信号，另一个受控端接收来自监测器件U2信号发出端口CON2的控制信号。当这两个控制信号都是高电平时，与门电路D2输出高电平，从而接通输出继电器组W2；这两个控制信号中有一个是低电平时，与门电路D2输出低电平，从而断开输出继电器组W2。监测器件U2通过信号接收端口PA6端口实时监测主控芯片U1通过信号发出端口CON1端口输出的控制信号。

该智能数字电源的电路还包括对功率变换电路W1的输入电压进行采样的电压采样电路V1，对功率变换电路W1的输出电压和输出继电器组W2的输入电压进行采样的电压采样电路V2，对输出继电器组W2的输出电压进行采样的电压采样电路V3。电压采样电路V1、V2、V3可以采用差分电路或霍尔电压传感器等来实现。

电压采样电路V1、V2、V3把采样到的电压信号分别输出到主控芯片U1的信号接收端口AD11、AD12、AD13和监测器件U2的信号接收端口AD21、AD22、AD23，主控芯片U1和监测器件U2根据电压采样电路V1、V2、V3的采样电压判断智能数字电源的功率变换电路W1、输出继电器组W2等电路的运行状态。若功率变换电路W1运行正常，则与门电路D2应输出高电平，使输出继电器组W2处于接通状态；若功率变换电路W1异常或智能数字电源由于其他异常情况，如输入电压低而处于故障状态，则与门电路D2应输出低电平，使输出继电器组W2处于断开状态。因此，根据输出继电器组W2的运行逻辑对主控芯片U1输出给输出继电器组W2的控制信号设置如下运行规则：

运行规则1：若功率变换电路W1运转正常，则信号发出端口CON1应当输出高电平给与门电路D2，接通输出继电器组W2；

运行规则2：若功率变换电路W1运转异常，则信号发出端口CON1应当输出低电平给与门电路D2，断开输出继电器组W2；

运行规则3：若智能数字电源处于故障状态，则信号发出端口CON1应当输出低电平给与门电路D2，断开输出继电器组W2。

当功率变换电路W1运转正常，主控芯片U1对此应当通过信号发出端口CON1输出高电平，此时却没有输出信号或者输出了低电平，即违反了运行规则1，导致输出继电器组W2无法正常工作，监测器件U2就令主控芯片U1中的计算机程序重启，再监测控制信号是否能恢复正常，如果仍无法正常工作，则传递警报信号给主控芯片U1或者对外发出警报信号，从而使智能数字电源报故障信息来提醒使用者有异常情况。

当功率变换电路W1运转异常，或者智能数字电源处于故障状态，主体电路发生异常，主控芯片U1对此应当通过信号发出端口CON1输出低电平，此时却没有输出信号或者输出了高电平，即违反了运行规则2或3，导致存在着外部的电能通过输出继电器组W2进行反灌的危险，监测器件U2就代替主控芯片U1给出低电平到与门电路D2，使得与门电路D2输出低电平，从而控制输出继电器组W2断开，避免智能数字电源损坏或者引发安全事故。