一种用于FPGA在线升级系统的制作方法

一种用于fpga在线升级系统
技术领域
1.本实用新型涉及通信、控制技术领域，尤其涉及一种用于fpga在线升级系统。


背景技术：

2.现目前fpga程序升级过程中存在需要人工到达现场，并需要下载电缆连接设备，往往需要打开设备，会对设备进行拆卸，过程繁琐并极易出现故障导致设备不能使用的问题，若状态遭到破坏，则前期进行的各项试验需要重新评估，影响到客户的研制进度。现有技术升级fpga程序如图7示，当设备到达外场，如进行fpga程序升级，需要上位机和设备直接连接下载电缆，设备需要断电，过程繁琐，工作量大，并且需要中断业务，将会给企业带来经济上的损失。
3.为解决已有升级实现方案中存在的缺点，就必须在不破坏设备硬件状态、不会中断设备业务实现的情况下，为fpga程序升级设计一种安全可靠、操作简单、升级成本低的方法。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种用于fpga在线升级系统。
5.为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种用于fpga在线升级系统，包括：
6.电源模块、通讯模块、升级控制模块和fpga模块，电源模块的电源供电端分别与通讯模块的电源供电端、升级控制模块的电源供电端和fpga模块的电源供电端相连，为通讯模块、升级控制模块和fpga模块提供工作电源，升级控制模块的通讯数据端与通讯模块的通讯数据端相连，升级控制模块的数据端与fpga模块的数据端相连。
7.进一步地，所述电源模块包括：
8.电源接口j2的第二端与熔断器f1的第一端相连，熔断器f1的第二端与熔断器f2的第一端相连，熔断器f2的第二端分别与电容c17的第一端、电容c18的第一端和二极管d1的正极相连，二极管d1的负极分别与电容c21的第一端和电感l1的第一端相连，电感l1的第二端分别与电容c22的第一端、稳压器u3的内部漏极drain相连，
9.稳压器u3的电源端vcc分别与电阻r30的第一端、可调电阻r26的第一端和电容c23的第一端相连，电阻r30的第二端和可调电阻r26的第二端分别与二极管d2的负极相连，二极管d2的正极分别与电阻r31的第一端、电容c24的第一端、电容c25的第一端和二极管d3的负极相连，二极管d3的正极与电阻r27的第一端相连，
10.稳压器u3的反馈端fb分别与电容c19的第一端、电容c20的第一端、电阻r31的第二端和电阻r32的第一端相连，
11.稳压器u3的内部源极source、电容c19的第二端、电容c20的第二端、电容c23的第二端、电阻r32的第二端、二极管d4的负极、电容c24的第二端、电容c25的第二端和电感l2的
第一端相连，电感l2的第二端、电容c26的第一端、电容c27的第一端和电阻r33的第一端分别与电阻r27的第二端相连，电感l2的第二端输出电源vcc_5v；
12.电源接口j2的第一端、电容c17第二端、电容c18第二端、电容c21的第二端、电容c22的第二端、二极管d4的正极、电容c26的第二端、电容c27的第二端和电阻r33的第二端分别与电源地相连。
13.稳压器u3的型号为mp157gj。将电源接口j2与市电220v连接，稳压器u3将输入的电源电压转换为稳定的+5v电源电压输出。
14.进一步地，所述电源模块还包括降压模块，降压模块包括：
15.稳压器u5的接地端gnd、电容c40的第一端和电容c4的第二端分别与电源地相连，稳压器u5的输出端vout分别与电容c40的第二端和电容c4的第一端相连，稳压器u5的输出端vout输出电源3v3相连，稳压器u5的输入端vin、电容c30的第一端和电容c3的第一端分别与电源vcc_5v相连，电容c30的第二端和电容c3的第二端分别与电源地相连。
16.稳压器u5的型号为ams1117
‑
3.3。通过稳压器u5将输入的+5v电源电压转换为稳定的+3.3v电源电压为微控制器u1、wifi芯片u2等供电。
17.进一步地，所述升级控制模块包括：
18.微控制器u1的后备工作电压端vbat和电容c9的第一端分别与电源3v3相连，电容c9的第二端与电源地相连，微控制器u1的晶振输入端oscin分别与晶振cr1的第一端、电阻r9的第一端和电容c1的第一端相连，微控制器u1的晶振输出端oscout分别与晶振cr1的第二端、电阻r9的第二端和电容c2的第一端相连，电容c1的第二端和电容c2的第二端分别与电源地相连，
19.微控制器u1的异步复位端nrst分别与电阻r16的第一端和电容c10的第一端相连，电阻r16的第二端与电源3v3相连，电容c10的第二端与电源地相连，微控制器u1的接地端vssa与电源地相连，微控制器u1的电源端vdda和电容c11的第一端分别与电源3v3相连，电容c11的第二端与电源地相连，微控制器u1的启动模式端pb2/boot1与电阻r17的第一端相连，微控制器u1的接地端vss_1和电阻r17的第二端分别与电源地相连，微控制器u1的电源端vdd_1和电容c12的第一端分别与电源3v3相连，电容c12的第二端与电源地相连，微控制器u1的接地端vss_2和电容c13的第一端分别与电源地相连，微控制器u1的电源端vdd_2和电容c13的第二端分别与电源3v3相连；
20.微控制器u1的启动模式端boot0与电阻r18的第一端相连，电阻r18的第二端与电源地相连，微控制器u1的接地端vss_3、电容c14的第一端和电容c15的第一端分别与电源地相连，微控制器u1的电源端vdd_3、电容c14的第二端和电容c15的第二端分别与电源3v3相连。
21.通过升级控制模块给fpga进行升级：通讯模块给升级控制模块下达升级指令，启动在线升级程序。
22.微控制器u1的型号为stm32f103c8t6。
23.进一步地，所述通讯模块包括4g通讯单元、5g通讯单元、wifi通讯单元之一或者任意组合。
24.进一步地，所述wifi通讯单元包括：
25.wifi芯片u2的复位端reset与电阻r20的第一端相连，wifi芯片u2的使能端en与电
阻r21的第一端相连，电阻r20的第二端和电阻r21的第二端分别与电源3v3相连，wifi芯片u2的电源端vcc与电源3v3相连，wifi芯片u2的接地端gnd和电阻r23的第一端分别与电源地相连，wifi芯片u2的数据端gpio15与电阻r23的第二端相连，wifi芯片u2的数据端gpio0与电阻r22的第一端相连，电阻r22的第二端与电源3v3相连，wifi芯片u2的通讯数据接收端rxd与微控制器u1的通讯数据发送端pa2相连，wifi芯片u2的通讯数据发送端txd与微控制器u1的通讯数据接收端pa3相连。
26.wifi芯片u2的型号为esp8266。
27.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型能够使fpga程序升级更高效、更可靠。
28.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
29.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
30.图1是本实用新型的示意框图；
31.图2是本实用新型电源模块的示意图；
32.图3是本实用新型降压模块的示意图；
33.图4是本实用新型升级控制模块的示意图；
34.图5是本实用新型wifi通讯单元的示意图；
35.图6本实用新型fpga模块的示意图；
36.图7是现有方案fpga程序升级示意图；
37.图8是本实用新型fpga程序在线升级系统组成示意图；
38.图9是本实用新型通信单元示意图；
39.图10是本实用新型fpga程序在线升级流程图。
具体实施方式
40.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
41.本实用新型提供了一种用于fpga在线升级系统，如图1所示，包括：
42.电源模块、通讯模块、升级控制模块和fpga模块，电源模块的电源供电端分别与通讯模块的电源供电端、升级控制模块的电源供电端和fpga模块的电源供电端相连，为通讯模块、升级控制模块和fpga模块提供工作电源，升级控制模块的通讯数据端与通讯模块的通讯数据端相连，升级控制模块的数据端与fpga模块的数据端相连。
43.进一步地，如图2所示，所述电源模块包括：
44.电源接口j2的第二端与熔断器f1的第一端相连，熔断器f1的第二端与熔断器f2的第一端相连，熔断器f2的第二端分别与电容c17的第一端、电容c18的第一端和二极管d1的
正极相连，二极管d1的负极分别与电容c21的第一端和电感l1的第一端相连，电感l1的第二端分别与电容c22的第一端、稳压器u3的内部漏极drain相连，
45.稳压器u3的电源端vcc分别与电阻r30的第一端、可调电阻r26的第一端和电容c23的第一端相连，电阻r30的第二端和可调电阻r26的第二端分别与二极管d2的负极相连，二极管d2的正极分别与电阻r31的第一端、电容c24的第一端、电容c25的第一端和二极管d3的负极相连，二极管d3的正极与电阻r27的第一端相连，
46.稳压器u3的反馈端fb分别与电容c19的第一端、电容c20的第一端、电阻r31的第二端和电阻r32的第一端相连，
47.稳压器u3的内部源极source、电容c19的第二端、电容c20的第二端、电容c23的第二端、电阻r32的第二端、二极管d4的负极、电容c24的第二端、电容c25的第二端和电感l2的第一端相连，电感l2的第二端、电容c26的第一端、电容c27的第一端和电阻r33的第一端分别与电阻r27的第二端相连，电感l2的第二端输出电源vcc_5v；
48.电源接口j2的第一端、电容c17第二端、电容c18第二端、电容c21的第二端、电容c22的第二端、二极管d4的正极、电容c26的第二端、电容c27的第二端和电阻r33的第二端分别与电源地相连。
49.稳压器u3的型号为mp157gj。将电源接口j2与市电220v连接，稳压器u3将输入的电源电压转换为稳定的+5v电源电压输出。
50.进一步地，如图3所示，所述电源模块还包括降压模块，降压模块包括：
51.稳压器u5的接地端gnd、电容c40的第一端和电容c4的第二端分别与电源地相连，稳压器u5的输出端vout分别与电容c40的第二端和电容c4的第一端相连，稳压器u5的输出端vout输出电源3v3相连，稳压器u5的输入端vin、电容c30的第一端和电容c3的第一端分别与电源vcc_5v相连，电容c30的第二端和电容c3的第二端分别与电源地相连。
52.稳压器u5的型号为ams1117
‑
3.3。通过稳压器u5将输入的+5v电源电压转换为稳定的+3.3v电源电压为微控制器u1、wifi芯片u2等供电。
53.进一步地，如图4所示，所述升级控制模块包括：
54.微控制器u1的后备工作电压端vbat和电容c9的第一端分别与电源3v3相连，电容c9的第二端与电源地相连，微控制器u1的晶振输入端oscin分别与晶振cr1的第一端、电阻r9的第一端和电容c1的第一端相连，微控制器u1的晶振输出端oscout分别与晶振cr1的第二端、电阻r9的第二端和电容c2的第一端相连，电容c1的第二端和电容c2的第二端分别与电源地相连，
55.微控制器u1的异步复位端nrst分别与电阻r16的第一端和电容c10的第一端相连，电阻r16的第二端与电源3v3相连，电容c10的第二端与电源地相连，微控制器u1的接地端vssa与电源地相连，微控制器u1的电源端vdda和电容c11的第一端分别与电源3v3相连，电容c11的第二端与电源地相连，微控制器u1的启动模式端pb2/boot1与电阻r17的第一端相连，微控制器u1的接地端vss_1和电阻r17的第二端分别与电源地相连，微控制器u1的电源端vdd_1和电容c12的第一端分别与电源3v3相连，电容c12的第二端与电源地相连，微控制器u1的接地端vss_2和电容c13的第一端分别与电源地相连，微控制器u1的电源端vdd_2和电容c13的第二端分别与电源3v3相连；
56.微控制器u1的启动模式端boot0与电阻r18的第一端相连，电阻r18的第二端与电
源地相连，微控制器u1的接地端vss_3、电容c14的第一端和电容c15的第一端分别与电源地相连，微控制器u1的电源端vdd_3、电容c14的第二端和电容c15的第二端分别与电源3v3相连。
57.通过升级控制模块给fpga模块进行升级：通讯模块给升级控制模块下达升级指令，启动在线升级程序。
58.微控制器u1的型号为stm32f103c8t6。
59.进一步地，所述通讯模块包括4g通讯单元、5g通讯单元、wifi通讯单元之一或者任意组合。
60.进一步地，如图5所示，所述wifi通讯单元包括：
61.wifi芯片u2的复位端reset与电阻r20的第一端相连，wifi芯片u2的使能端en与电阻r21的第一端相连，电阻r20的第二端和电阻r21的第二端分别与电源3v3相连，wifi芯片u2的电源端vcc与电源3v3相连，wifi芯片u2的接地端gnd和电阻r23的第一端分别与电源地相连，wifi芯片u2的数据端gpio15与电阻r23的第二端相连，wifi芯片u2的数据端gpio0与电阻r22的第一端相连，电阻r22的第二端与电源3v3相连，wifi芯片u2的通讯数据接收端rxd与微控制器u1的通讯数据发送端pa2相连，wifi芯片u2的通讯数据发送端txd与微控制器u1的通讯数据接收端pa3相连。
62.wifi芯片u2的型号为esp8266。
63.如图6所示，fpga模块包括：
64.fpga芯片u10的配置结束信号端conf_done与电阻r300的第一端、jatg接口j1的第三端tdo相连，电阻r300的第二端与电源3v3相连；fpga芯片u10的配置状态信号端nstatus与电阻r200的第一端相连，电阻r200的第二端与电源3v3相连；fpga芯片u10的用户模式配置起始信号端nconfig与电阻r100的第一端相连、jatg接口j1的第五端tms相连，电阻r100的第二端与电源3v3相连；fpga芯片u10的下载链器件使能输入端nce与电阻r400的第一端、jatg接口j1的第六端reset相连，电阻r400的第二端与电源地相连；fpga芯片u10的数据输入端data0与flash存储器u9的数据输出端data、jatg接口j1的第七端nc相连；fpga芯片u10的时钟输出端dclk与存储器u9的时钟输入端dclk、jatg接口j1的第一端tck相连；fpga芯片u10的配置芯片使能端ncso与存储器u9的片选端ncs、jatg接口j1的第八端nc相连；fpga芯片u10的配置芯片控制端asdo与存储器u9的数据输入端asdi、jatg接口j1的第九端tdi相连；jatg接口j1的第二端nc与电源地相连，jatg接口j1的第四端3v3与电源3v3相连，jatg接口j1的第十端gnd与电源地相连；微控制器u1还与flash存储器u9相连。
65.fpga芯片u10的型号为ep2agx45cu17i5g。
66.1系统组成
67.fpga程序在线升级系统由设备管理平台、程序版本服务器、通信单元、升级单元构成，如图8示。
68.1.1设备管理平台
69.设备管理平台负责下发fpga程序在线升级指令，并接收在线升级过程中上报的状态数据。
70.1.2程序版本服务器
71.版本服务器用于存放fpga程序数据文件，并开启ftp服务器功能，设备接收到fpga
程序在线升级指令后，通过ftp协议下载软件版本。
72.软件版本服务器地址、用户名、密码及端口号可根据需求随时变换，设备软件不需要关注软件版本服务器参数，接收到在线升级指令后，解析相应的参数即可。
73.1.3通信单元，如图9所示：
74.(1)通信单元完成接收设备管理平台指令和fpga程序数据文件的下载。
75.(2)通信单元和管理平台之间使用tcp/ip进行通信；
76.(3)当接收到设备管理平台下方的升级指令后，通信单元根据指令的数据，选择下载通道下载fpga程序数据文件，并将数据文件保存到本地。
77.(4)下载通道可由以太网、串口或移动通信4g/5g或wifi中的任意一种来进行。
78.①
下载通道为以太网或移动通信或wifi时，管理平台在线升级指令由软件版本服务器地址、用户名、密码及端口号组成，通信接收到指令后解析，获取到服务器地址、用户名及密码，通过ftp协议下载fpga程序数据文件。
79.②
下载通道为串口，通过xmodem或ymodem协议下载fpga程序数据文件。
80.③
下载完成后，通信单元计算fpga程序数据文件的校验和，并和校验和文件比较，将校验结果发送给设备管理平台，设备管理平台根据校验结果判断是否进行下一步操作。
81.④
解压fpga程序数据文件到本地。
82.1.4升级单元
83.(1)发送指令到fpga器件，fpga器件接收到升级指令后，在升级单元和程序存储器之间建立通道，升级单元获取到存储器的控制权。
84.(2)烧写fpga程序到程序存储器，并校验。
85.(3)非升级状态下，程序存储器由fpga器件控制，用于fpga器件启动后获取程序。
86.2.在线升级过程中状态数据上报
87.1)版本文件下载成功或失败，上报管理平台
88.2)版本文件升级成功或失败，上报管理平台
89.3)版本文件升级过程中，上报进度到管理平台
90.3.版本升级流程
91.fpga程序在线升级流程如图10所示：
92.1)设备管理平台下发文件下载指令，流程图步骤1
93.2)通信单元接收到升级指令后，向设备管理平台发送应答ack消息，表示成功接收到文件下载指令。如果管理平台在规定的时间内没有接收到应答ack消息，重新发送，连续进行3次，都没有收到ack，表示此通信链路异常，设备管理平台发送告警消息给工作人员，流程图步骤
‘1’
；
94.3)通信单元接收到升级指令，通过ftp(以太网/4g/5g，串口xmodem/ymodem)在版本服务器下载版本文件。下载成功后发送版本文件下载成功ack消息到管理平台，失败发送失败ack消息到管理平台，管理平台发送到告警消息到工作人员，流程图步骤
‘2’
；
95.4)通信单元版本下载完成后，解压版本文件，计算校验和，并和程序文件中的校验和文件比对，并将比对结果发送到管理平台，流程图步骤
‘3’
；
96.5)管理平台下发升级指令到通信单元，通信单元将升级指令下发到升级单元；
97.6)升级单元发送指令到fpga器件，fpga器件接收到升级指令后，在升级单元和程
序存储器之间建立通道，升级单元获取到存储器的控制权。
98.7)升级单元烧写fpga程序到程序存储器，升级过程中进行升级状态数据上报到管理平台，烧写完成后，校验程序存储器中的代码，并将校验结果发送到管理平台；
99.8)升级单元发送版本升级成功ack到管理平台；
100.9)在条件允许的情况下进行设备复位或重新上电，新版本生效。
101.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。