介绍
工业以太网交换机和服务器在功率较高时会产生较多的热量,通常需要散热以保证系统的正常运行。一般都会安装冷却风扇。对于带测温反馈的可调速风扇冷却系统,根据物体温度灵活调节风扇转速。同时采用MSP430单片机作为控制平台,通过I2C接口与主机进行通信,并增加了故障检测和报警功能,具有较高的可靠性。控制灵活,节省系统能耗。
系统结构
系统结构采用MSP430主控MCU与DRV8871电机驱动芯片组合,如图1所示。系统利用MSP430的片内ADC采集NTC热敏电阻两端的电压,实现低成本的温度测量功能。另外,主控MCU在输出占空比可调的PWM波形的同时,还预留了I2C通信接口。主机CPU可以向MSP430发出控制命令,读取温度、转速、故障状态等信息。通过向冷却系统添加测温反馈,可以根据被测物的温度实时控制风扇转速。替代单一定速风扇冷却系统,达到一定的节能效果。同时可以在风扇故障或温度过高时提供状态警告和保护。其中,DRV8871电机驱动芯片支持最大峰值电流3.6A,6.5V至45V宽供电范围,并集成过流保护、过温保护、睡眠模式等功能。
图1 系统框图
该冷却系统解决方案具有以下特点和优点:
使用温度作为反馈的可调速风扇冷却系统
I2C接口用于主机控制和读取数据
TI 超低功耗系统微处理器MSP430
灵活的双速调节方式,主机控制和温度控制
基于NTC 的低成本温度测量
PWM占空比控制分辨率达到0.5%
系统故障检测与保护
高效率、高可靠性的节能冷却系统
主机I2C接口控制命令协议
系统主平台CPU可以通过I2C接口与散热子系统进行通信,读取散热子系统的温度、风扇转速、系统故障状态等信息。同时可以通过命令设置系统速度,使系统进入或退出睡眠模式。
控制命令包:
命令参数1 参数2 校验和
返回数据包:
温度速度(MSB) 速度(LSB) 风扇故障状态
NTC测量校准和温度查找表
NTC是具有负温度系数的热敏电阻。其电阻值随温度升高而减小,可用作温度传感器。考虑到散热系统对测温精度要求较低,系统采用NTC测温方案,并使用MSP430的片内ADC作为转换,具有成本低廉的优势。电阻值与温度有如下关系
其中, 为环境温度为(单位:)时对应的NTC电阻值, 为NTC的温度常数。
采用NTC作为传感器测量温度,其电路图如图2所示。分压电阻R7与NTC电阻RT1串联,中间电压作为ADC模块的模拟输入MSP430。分压电阻的阻值根据所选型号NTC数据表中给出的温度特性来选择,以保证良好的输入电压范围和分辨率。
图2 NTC测温电路
由于涉及复杂的对数运算,对于低成本精度要求不高的场景,采用实验测量校准的方式生成温度和ADC采样值对应的表格。查表法比较合适。首先,使用温控设备校准温度表和ADC采样值。从测量电路结构可以看出,ADC采样值与当前温度成反比,因此测量数据表是顺序表,可以采用顺序表查找算法。
图3 查表法测温
双控制模式和软启动功能
系统支持两种速度调节模式。除了利用温度反馈来调节风扇转速外,主机还可以通过I2C接口向MSP430微控制器发送命令来设置当前风扇转速。当主机发送设定速度命令时,系统速度主机控制速度模式。风扇转速由主机给出的命令参数决定。当需要退出主机控制模式时,发送退出设定速度模式的命令,即切换到温度反馈控制模式。另外,为了防止风扇启停或从低速突然加速到高速时电机电流过大,在MSP430控制软件中添加了慢速软启动代码。风扇将从当前转速开始以一定的速度启动。步长逐渐变为设定速度。
图4 双控模式
审稿编辑:郭婷