設(shè)備智能散熱裝置設(shè)計(jì)方案

劉丹丹

摘 要：文章提出一種設(shè)備內(nèi)部智能散熱裝置的實(shí)現(xiàn)方案，介紹了方案的硬件原理框圖和軟件流程圖，散熱裝置通過(guò)MCU監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部溫度或接收主控單元命令控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。該方案在解決設(shè)備散熱問(wèn)題同時(shí)，達(dá)到了降低設(shè)備功耗和設(shè)備噪聲的作用。

關(guān)鍵詞：MCU；設(shè)備散熱；風(fēng)扇控制

引言

目前設(shè)備中電路集成度越來(lái)越高，使用的高發(fā)熱量的芯片或模塊也越來(lái)越多，設(shè)備中增加散熱片自然散熱已經(jīng)不能滿足要求，設(shè)備內(nèi)部溫度過(guò)高，造成電路的穩(wěn)定性下降，從而影響設(shè)備的可靠性。

綜合上述原因的考慮，文章提出了一種基于MCU的設(shè)備散熱裝置設(shè)計(jì)方案，通過(guò)監(jiān)測(cè)到設(shè)備內(nèi)部溫度來(lái)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，內(nèi)部溫度高控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速快，加速設(shè)備內(nèi)部空氣流動(dòng)從而達(dá)到降低設(shè)備內(nèi)部溫度的效果，內(nèi)部溫度低控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速慢，可以達(dá)到降低設(shè)備功耗和設(shè)備噪聲的作用。

1 方案設(shè)計(jì)原理

散熱裝置主要由MCU、風(fēng)扇電路、溫度監(jiān)測(cè)電路、串口驅(qū)動(dòng)電路、供電電路、MCU外圍電路和MCU軟件組成，設(shè)計(jì)原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1 方案設(shè)計(jì)原理框圖

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

散熱裝置主要由MCU、風(fēng)扇電路、溫度監(jiān)測(cè)電路、串口驅(qū)動(dòng)電路、供電電路和MCU外圍電路組成。以下對(duì)散熱裝置各個(gè)功能電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)介紹。

2.1.1 MCU

散熱裝置的MCU采用LPC2132微控制器，其主要功能為基于I2C的IPMI通信接口、風(fēng)扇控制、溫度傳感器數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)打印，它是整個(gè)散熱裝置的控制核心。LPC2132微控制器基于16位/32位ARM7TDMI-S CPU，該CPU支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤。

2.1.2 風(fēng)扇電路

散熱裝置中的風(fēng)扇采用四線制可調(diào)速風(fēng)扇，風(fēng)扇的速度通過(guò)改變接到調(diào)速PWM信號(hào)線上的PWM占空比的大小，來(lái)調(diào)整速度值得大小。占空比越大，風(fēng)扇速度越大，反之，則越小。把風(fēng)扇的調(diào)速PWM信號(hào)線接到了MCU（LPC2132）的PWM輸出引腳上，用于控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。風(fēng)扇的反饋速度信號(hào)線上傳輸?shù)氖且粋€(gè)矩形波信號(hào)，信號(hào)的頻率，表示了風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速大小，信號(hào)頻率越高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快，反之，則越小。風(fēng)扇的反饋速度信號(hào)線接到MCU的捕獲口上，通過(guò)計(jì)算風(fēng)扇反饋速度信號(hào)的頻率，計(jì)算出來(lái)風(fēng)扇的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

2.1.3 溫度監(jiān)測(cè)電路

電路功能監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部溫度，并將溫度數(shù)據(jù)傳給MCU。電路的溫度傳感器選用LM92C，該溫度傳感器的準(zhǔn)確度可達(dá)±0.33℃，溫度刷間隔500ms，溫度數(shù)據(jù)輸出采用I2C口。

2.1.4 串口驅(qū)動(dòng)電路

串口驅(qū)動(dòng)電路主要功能，將MCU的RS232串口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)串口電平，驅(qū)動(dòng)芯片選用MAX3223，用于散熱裝置溫度數(shù)據(jù)、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和告警狀態(tài)數(shù)據(jù)的打印。

2.1.5 供電電路

電路的功能是控制風(fēng)扇12V上電，可以通過(guò)MCU（LPC2132）控制風(fēng)扇打開(kāi)與關(guān)閉，使得散熱裝置更加人性化。電路控制芯片選用LM5069，通過(guò)MCU（LPC2132）控制 LM5069的UVLO腳，高電平控制12V上電，低電平控制12V斷電；通過(guò)MCU（LPC2132）讀取LM5069的PGD腳狀態(tài)可以查看12V上電是否成功。

2.1.6 MCU外圍電路

MCU外圍電路功能是配置MCU正常工作，主要有時(shí)鐘、MCU復(fù)位處理、看門(mén)狗處理和JTAG程序下載。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

散熱裝置軟件為MCU控制軟件，它主要包含MCU初始化軟件模塊、IPMI通信軟件模塊、風(fēng)扇速度控制軟件模塊、風(fēng)扇速度檢測(cè)軟件模塊、風(fēng)扇板溫度值讀取軟件模塊和調(diào)試串口軟件模塊。

2.2.1 MCU初始化軟件模塊

MCU初始化軟件模塊的主要功能是根據(jù)MCU硬件電路配置MCU相應(yīng)功能寄存器，使得MCU能按硬件電路設(shè)計(jì)正常工作。MCU的GPIO管腳的初始化是根據(jù)硬件設(shè)計(jì)來(lái)規(guī)劃。對(duì)于LPC2132來(lái)說(shuō)，每個(gè)GPIO的配置需要經(jīng)歷管腳功能選擇、上拉下拉模式選擇、輸入輸出方向選擇、高低電平設(shè)置四步。

2.2.2 IPMI通信軟件

IPMI通信軟件模塊主要功能為運(yùn)用MCU硬件I2C0接口與上層控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用IPMI（Intelligent Platform Management Interface）通信協(xié)議，用于設(shè)備的物理特征，如各部件的溫度、電壓、風(fēng)扇工作狀態(tài)、電源供應(yīng)以及機(jī)箱入侵等，散熱裝置用于傳輸溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、告警等信息。

2.2.3 風(fēng)扇速度控制軟件模塊

風(fēng)扇速度控制軟件模塊主要功能根據(jù)設(shè)備溫度值或上層控制命令調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以0%、30%、50%、70%、90%和100%幾個(gè)級(jí)別進(jìn)行調(diào)節(jié)包含根據(jù)主控發(fā)送溫度值調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。散熱裝置風(fēng)扇速度控制由MCU（LPC2132）的脈寬調(diào)制口PWM控制，根據(jù)軟件設(shè)置，PWM可以輸出不同占空比脈寬信號(hào)，風(fēng)扇1、風(fēng)扇2、風(fēng)扇3和風(fēng)扇4轉(zhuǎn)速分別由PWM2、PWM4、PWM5和PWM6控制，每個(gè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速都可以單獨(dú)設(shè)置。

2.2.4 風(fēng)扇速度監(jiān)測(cè)軟件模塊

風(fēng)扇速度監(jiān)測(cè)軟件模塊主要功能是監(jiān)測(cè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，判斷風(fēng)扇工作狀態(tài)。風(fēng)扇速度監(jiān)測(cè)由MCU（LPC2132）的定時(shí)器捕獲口CAP0檢測(cè)，CAP0每捕獲到一個(gè)下降沿產(chǎn)生一次中斷，風(fēng)扇1、風(fēng)扇2、風(fēng)扇3和風(fēng)扇4速度監(jiān)測(cè)分別由CAP0.0、CAP0.1、CAP0.2和CAP0.3讀取。

2.2.5 溫度讀取軟件模塊

溫度值讀取軟件模塊的主要功能為讀取設(shè)備上溫度傳感器LM92溫度數(shù)據(jù)。溫度傳感器溫度讀取端口為I2C口，MCU設(shè)置為主設(shè)備，通信速率設(shè)置為400kb/s，定時(shí)器間隔1s讀取溫度傳感器的溫度值。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹一種設(shè)備散熱裝置的設(shè)計(jì)方案，該方案采用了MCU控制風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)設(shè)備散熱裝置智能化，從而達(dá)到設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的節(jié)能和降噪功能；并增加了與上層主控單元進(jìn)行通信的IPMI接口，使得散熱裝置不但能受上層主控單元控制并且能向上層主控單元上報(bào)狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高了散熱裝置的人性化。

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