CN101109982A - 一种实现可变风量分区控制的方法和系统框架 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现可变风量分区控制的方法和系统框架，系统框架具有风扇控制模块、机箱管理模块和多个能够安装节点单板的槽位的系统框架，方法包括：步骤一，将每个槽位上节点单板对应的占用位置划分为不同的分隔区域，对应所述分隔区域设置具有风向和风量控制功能的可变风量分区控制装置；步骤二，所述机箱管理模块正常启动后，通过各节点单板上的智能平台管理控制器子卡获取节点单板及各分隔区域的信息；步骤三，所述机箱管理模块根据所述信息通过所述风扇控制模块和所述分区控制装置来控制所述分隔区域的风量和风向。本发明能够动态测量节点板各个区域温度，分区分配各个区域的风量，降低了风扇转速和系统噪音，提高了系统的可靠性。

Description

一种实现可变风量分区控制的方法和系统框架

技术领域

本发明涉及ATCA(先进电信计算机体系)平台热设计领域，尤其涉及单板槽位可变风量分区控制技术。

背景技术

由于ATCA系统是具备高性能、可扩展性与高可靠性的架构，处理能力强大，相应的能耗也加大，同时因为单板密度高，每个节点单板消耗达到200瓦功率，加上风扇、后插板等，19寸的机箱总共要消耗3000多瓦，这对系统散热提出了很高的要求。

PICMG(PCI工业计算机厂商组织)制定的3.0规范限定了包括前插节点板、后插板、机框协同工作的整体架构，NEBS(Network Equipment BuildingSystem)标准和ETSI(欧洲电信标准协会)规定的功能性要求系统能在周围环境温度高达50℃时充分冷却。PICMG3.0系统设计采用强迫风冷方式，机框进风口从前面板下端进风，增压后转向90°向上，气流在前插板、后插板底部二维均匀分配，当气流流过前插板、后插板的元器件时，热量被强迫对流带走。PICMG3.0规定在机框的进风口和出风口提供温度传感器，这些传感器用于监控进风口温度、采集机框的温升，控制风扇的转速以及决定机箱管理在失效环境下的风扇控制策略。

当前使用的48V直流电扇可提供体积流速大约为每分钟100立方英尺(1米＝3.2808英尺)，支持转速输出监视和脉宽调制输入控制功能。这些功能使得风扇速度被控制为机箱温度的函数。在机箱上装有大量温度感应器以监视不同区域，并且给机箱管理器提供反馈。借助温度数据，机箱管理器可以分别控制每个(组)风扇的转速，提高或者降低风扇转速，以便在需要的槽位得到最佳冷却效果和系统噪音水平。实验数据证明，在风扇水平均匀固定设置情况下，ATCA系统的各个槽位节点板对散热的需求是有差异的，以14槽位系统为例，7、8槽位放置交换板，其他槽位为高密度的刀片处理板，显然刀片处理板功耗更大，需要更多的风量，并且同一个刀片处理板上各个区域对风量的要求也不一样，CPU和芯片组比其他外设芯片需要更大的风量，目前普遍采用的方法是通过机箱管理模块来提高该区域风扇转速，仅仅为了降低某点温度，这样会导致风扇运行寿命降低，系统噪音增大。在非满配置或者节点板负载未上电的情况下，空余槽位的气流阻抗相对较小，进出风口距离相对变小，容易导致高低压区气流短路，使得流过需要散热的单板的气流减少，浪费宝贵的风量和风压，降低散热效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变风量分区控制的方法和系统框架，解决现有规范技术中仅仅能通过控制风扇转速的单一手段来实现散热和系统噪音均衡，克服现有技术中存在的槽位散热气流过于均匀、针对空余槽位和负载未上电节点板槽位风量控制不够的问题和缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供了一种实现可变风量分区控制的方法，用于具有风扇控制模块、机箱管理模块和多个能够安装节点单板的槽位的系统框架，其中，包括如下步骤：

步骤一，将每个槽位上节点单板对应的占用位置划分为不同的分隔区域，对应所述分隔区域设置具有风向和风量控制功能的可变风量分区控制装置；

步骤二，所述机箱管理模块正常启动后，通过各节点单板上的智能平台管理控制器子卡获取节点单板及各分隔区域的信息；

步骤三，所述机箱管理模块根据所述信息通过所述风扇控制模块和所述分区控制装置来控制所述分隔区域的风量和风向。

上述的方法，其中，在所述步骤一中，通过设置导流条来划分所述分隔区域以阻止所述分隔区域之间空气的直接流动，并且，所述分区控制装置在所述分隔区域的进风口设置有导风片，通过控制所述导风片的开合及角度来控制进入所述分隔区域的风量和风向。

上述的方法，其中，在所述步骤二之前，所述系统框架上电后，所述分区控制装置的初始状态为不调整风量和风向的完全打开状态，并且所述风扇控制模块控制风扇全速运行。

上述的方法，其中，所述步骤二进一步包括：

步骤a，所述机箱管理模块正常启动后，通过智能平台管理总线接口与各个节点单板上的所述控制器子卡通讯；

步骤b，获取包括单板种类、消耗功率和单板在位情况的各个节点单板的信息；

步骤c，由所述机箱管理模块命令所述控制器子卡给节点单板的负载上电。

上述的方法，其中，所述步骤三中：如果槽位上没有节点单板，则通过所述风扇控制模块来调整所述分区控制装置，使所述不在位节点单板所对应的占用位置的分隔区域的进风口关闭。

上述的方法，其中，所述步骤三中：所述机箱管理模块根据节点单板上温度传感器的温度信息，确认节点单板上温度超过门限值的超温区域，并通过所述风扇控制模块来调整所述分区控制装置的导风片的角度，使所述超温区域所在的分隔区域中的冷气流集中吹向所述超温区域。

上述的方法，其中，如果所述导风片的角度已经达到调整极限，并且所述超温区域的温度仍然超过门限值，则通过所述风扇控制模块增加风扇的转速。

上述的方法，其中，所述机箱管理模块通过所述传感器上报的告警信息或者通过主动查询所述传感器的数据来获知所述超温区域，并且持续进行所述导风片角度的调整或所述风扇转速的调整，直至所述超温区域的温度返回正常范围。

上述的系统框架，其中，所述机箱隔离模块直接命令风扇控制模块，由风扇控制模块通过控制步进电机齿轮来带动所述分区控制装置的导风片正反向、多角度转动。

上述的系统框架，其中，所述风扇控制模块为多个，并分别单独控制不同的风扇组。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种实现可变风量分区控制的系统框架，其中，包括：风扇控制模块、多个能够安装节点单板的槽位、机箱管理模块和可变风量分区控制装置；所述可变风量分区控制装置用于将每个槽位上节点单板对应的占用位置划分为不同的分隔区域，对所述分隔区域进行风向和风量控制，所述分区控制装置的初始状态为不调整风量和风向的完全打开状态；所述机箱管理模块用于：正常启动后，通过各节点单板上的智能平台管理控制器子卡获取节点单板及各分隔区域的信息，根据所述信息通过所述风扇控制模块和所述分区控制装置来控制所述分隔区域的风量和风向。

上述的系统框架，其中，所述分区控制装置通过设置导流条来划分所述分隔区域并阻止所述分隔区域之间空气的直接流动，并且，所述分区控制装置在所述分隔区域的进风口设置有导风片，通过控制所述导风片的开合及角度来控制进入所述分隔区域的风量和风向。

上述的系统框架，其中，所述机箱管理模块为两个，设置为主用和备用，且通过实时同步保证主、备机箱管理模块的数据一致。

上述的系统框架，其中，所述风扇控制模块通过控制步进电机齿轮来带动所述分区控制装置的导风片转动。

上述的系统框架，其中，所述风扇控制模块为多个，并分别单独控制不同的风扇。

本发明的技术效果在于：

采用本发明所述方法和系统框架，与现有技术相比，能够动态测量节点板各个区域温度，分区分配各个区域的风量，在额定的风量总和下，分配较小的风量给不需要大风量的区域，使得需要大风量的区域得到可控的大风量。由于各区域空气流顺着各自的通道流动，减少了紊流，提高了散热效率。降低了风扇转速和系统噪音，延长了风扇运行寿命，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明IPMC(智能平台管理控制器)子卡模块硬件原理图；

图2是本发明风扇控制模块功能示意图；

图3是本发明机箱管理模块软件功能示意图；

图4是本发明机箱管理模块硬件示意图

图5是本发明可变风量分区控制装置示意图；

图6是本发明ATCA机箱示意图。

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，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明提供一种可变风量分区控制的方法及与应用该方法的系统框架，系统框架包括以下模块：

A、IPMC(智能平台管理控制器)子卡模块；

B、风扇控制模块；

C、机箱管理模块；

还包括：

D、可变风量分区控制装置；

其中A、B、C模块都是现有ATCA规范定义的标准模块，也是必需的模块。是独立位于各个ATCA的节点板上的，实现PICMG3.0规定的单板管理功能，测量、监控节点板状态，记录事件日志，并在异常时通过IPMB(智能平台管理总线)接口向机箱管理模块上报告警。风扇控制模块实现风扇转速控制和测量，出风口温度测量，并上报给机箱管理模块。机箱管理模块接收或者主动查询温度等异常信息后，对风扇控制模块发送转速升高或者降低命令，同时或者单独命令风扇控制模块调整可变风量分区控制装置的导风隔板给部分热点区域导入更多的冷却气流。

本发明的可变风量分区控制方法包括以下步骤：

第一步：系统上电后，在机箱管理模块未正常启动前，风扇控制模块直接本地化控制风扇全速运行；此时机箱管理模块与各个节点板上的IPMC子卡通信尚未建立，无法获取节点板的状态，因此可变风量分区控制装置必须全部打开，防止阻塞可用节点板的气流；

第二步：机箱管理模块正常启动后，通过IPMB接口与各个节点板上的IPMC子卡通讯，获取节点板的信息，如单板种类、消耗功率、在位情况等，由机箱管理模块命令节点板IPMC子卡给其负载上电；

第三步：根据第二步获取的节点板在位情况，对于节点板不在位的槽位，机箱管理模块直接命令风扇控制模块，关闭该槽位对应的可变风量分区控制装置；

第四步：对于节点板在位槽位，机箱管理模块查询其保存的特定系统事件日志，如节点板温度过门限告警，机箱管理模块主动查询温度过门限告警节点板的IPMC，获取节点板上10个区域温度传感器的数据，根据传感器编号确定温度过门限的区域，然后由风扇控制模块调整可变风量分区控制装置，控制该区域和相邻区域导风隔板开启到适当角度，使得冷却气流对准集中的发热元件区，加强散热。

第五步：机箱管理模块根据节点板主动上报的温度告警信息，或者定时主动再次查询，获取区域温度传感器的数据，如果可变风量分区控制装置的导风角度已经最大，则控制该区域的风扇控制模块提高转速；

第六步：反复进行第四步、第五步操作，直至所有节点板在位槽位的过热区域温度趋于正常。

以下对系统框架的硬件进行说明。

如图1所示，是IPMC子卡的硬件原理图，其主要实现如下功能：

1)提供ATCA规范定义的智能平台管理总线接口，并能够支持热插拔缓冲及隔离控制功能；

2)具备传感器数据记录和其他如RTC(实时钟)等关键数据的非易失性存储功能；

3)提供对ATCA单板的电源管理接口，包括单板电源开关控制、单板CPU状态、单板有效载荷电源控制；

4)提供ATCA单板前面板指示灯的控制接口，包括离线状态指示灯、热插拔指示灯、告警灯的控制以及前面板扳手开关状态的识别；

5)提供一个硬件监视接口，实现对单板电压、温度的监视，风扇转速测量及转速控制。温度测量范围0℃～+120℃，测量精度±1℃，分辨率±1℃；风扇转速监视是根据风扇转速计输出的频率信号来测量其转速的，转速测量精度为±10％。用于风扇转速控制的PWM信号最高载频达到50KHz以上。

图2是风扇控制模块功能示意图，该模块实现如下功能：风扇供电电压监测和调整；产生PWM(脉宽调制)信号来控制风扇转速；接收风扇转速信号，测量风扇转速，备机框管理模块查询。

图3、图4是本发明机箱管理模块的软件功能和硬件示意图。硬件核心为逻辑器件实现I2C接口，由模块软件实现各种网管接口，与IPMC进行通信，用于监测、控制机箱中的节点板板和其它功能模块，报告系统异常并进行基本的恢复操作。机箱管理模块能实现的主要功能如下：

1)热插拔管理；

2)电源功率分配管理；

3)机箱散热管理；

4)电子开关控制节点板与背板连接端口的打开/关闭；

5)背板IPMB总线故障检测、管理与恢复。

图5是可变风量分区控制装置示意图，此为单板插槽俯视图。如图，箭头为单板插入方向，箭头所指向的空间为单板插入导轨。

三区域导流条401为粗黑色部分，每个区域各两片导风片402。导风片角度通过步进电机齿轮403调整，该步进电机由风扇控制模块的IPMC子卡控制。整个装置位于机框两个单板插箱导轨的中间，其中步进电机部分位于3个分区的隔档之间。导风片0-90-120角度可调，0度时导风片闭合，关闭该槽位气流，90度时导风片完全打开，90-120度调节气流方向，相应的调整了风量和风压。由风扇控制模块控制12V直流步进电机来调整导风片角度，步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，只要IPMC控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的导风片转角、调整时间及正反调整方向，在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态，不会由于风压的作用而改变导风片的角度。步进电机未通电时，由机械结构来保证将导风片调整到90度，此时为导风片的初始角度。IPMC控制程序必须对控制脉冲数目进行保存，依此来确定何时进行导风片的正反方向调整，导风片是否调整到最大角度，防止过度调整导风片而损坏控制装置。

图6是ATCA机箱示意图，其中除了可变风量分区控制装置外，其他模块都是ATCA规范定义的必需模块。按照附图6安装硬件模块，包括节点板、风扇控制模块、机箱管理模块、可变风量分区控制装置，其中风扇控制模块由三个完全一致的风扇单元组成，当其中一个单元损坏需要更换时，保证不会影响其他两个单元正常运行，减小故障影响面和更换时间。机箱管理模块主备份工作，作为整个机箱的管理接口和对外网管接口，对外上报机箱告警数据，接收网管配置信息，对内收集控制节点板和其他模块工作状态，控制节点板和其他模块上下电及热插拔，主备机箱管理模块可以实时同步数据，保证主备数据一致。在风扇控制模块上电后，而机箱管理模块启动未完成前，可变风量分区控制装置初始状态为全部打开，风扇控制模块直接本地化控制风扇全速运行，不受机箱管理模块控制，防止阻塞可用节点板的气流。当机箱管理模块正常启动后，通过IPMB接口与各个节点板、风扇控制模块上的IPMC子卡通讯，获取必要的信息，如单板种类、数据接口类型、最大消耗功率、健康情况、风扇正常运行转速和最高最低转速等，信息交互后控制节点板IPMC子卡给其负载上电，风扇转速由机箱管理模块来控制。ATCA规范规定，如果机箱管理模块没有收到系统任何温度告警信息，则命令风扇运行在正常转速，反之则根据告警等级，相应提高风扇转速，直到最高转速，甚至命令节点板下电来保证机箱安全。本发明改进为，对于节点板不在位的槽位，为了防止宝贵的风流直接通过低风阻通道流失，机箱管理模块直接命令风扇控制模块，调整节点板不在位槽位对应的可变风量分区控制装置的导风片角度为0，挡住该槽位的风道。而对于节点板在位槽位，机箱管理模块主动向有温度告警节点板的IPMC查询，获取节点板上多个区域温度传感器的数据，根据IPMC上报的传感器编号确定温度过门限(可自定义门限值)的区域，由风扇控制模块控制可变风量分区控制装置，根据温度值和导风板角度二维表，查表确定需要调整的角度，驱动步进电机转到方向和步进角度，调整该区域和相邻区域导风隔板开启到适当角度，减小正常区域的风流，增大这个区域的风流，使得冷却气流集中对准温度异常区，加强散热效果。此后机箱管理模块仍然需要定时主动查询，获取区域温度传感器的数据，确认散热效果，如果可变风量分区控制装置的导风角度已经最大，则控制该区域的风扇控制模块提高一挡转速，在导风条角度和风扇转速之间取得平衡，直至所有在位节点板的温度均正常。

由上可知，与现有技术相比，采用本发明所述方法和系统框架，能够动态测量节点板各个区域温度，分区分配各个区域的风量，在额定的风量总和下，分配较小的风量给不需要大风量的区域，使得需要大风量的区域得到可控的大风量。由于各区域空气流顺着各自的通道流动，减少了紊流，提高了散热效率。降低了风扇转速和系统噪音，延长了风扇运行寿命，提高了系统的可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种实现可变风量分区控制的方法，用于具有风扇控制模块、机箱管理模块和多个能够安装节点单板的槽位的系统框架，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将每个槽位上节点单板对应的占用位置划分为不同的分隔区域，对应所述分隔区域设置具有风向和风量控制功能的可变风量分区控制装置；

步骤二，所述机箱管理模块正常启动后，通过各节点单板上的智能平台管理控制器子卡获取节点单板及各分隔区域的信息；

步骤三，所述机箱管理模块根据所述信息通过所述风扇控制模块和所述分区控制装置来控制所述分隔区域的风量和风向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，通过设置导流条来划分所述分隔区域以阻止所述分隔区域之间空气的直接流动，并且，所述分区控制装置在所述分隔区域的进风口设置有导风片，通过控制所述导风片的开合及角度来控制进入所述分隔区域的风量和风向。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤二之前，所述系统框架上电后，所述分区控制装置的初始状态为不调整风量和风向的完全打开状态，并且所述风扇控制模块控制风扇全速运行。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括：

步骤a，所述机箱管理模块正常启动后，通过智能平台管理总线接口与各个节点单板上的所述控制器子卡通讯；

步骤b，获取包括单板种类、消耗功率和单板在位情况的各个节点单板的信息；

步骤c，由所述机箱管理模块命令所述控制器子卡给节点单板的负载上电。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤三中：如果槽位上没有节点单板，则通过所述风扇控制模块来调整所述分区控制装置，使所述不在位节点单板所对应的占用位置的分隔区域的进风口关闭。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤三中：所述机箱管理模块根据节点单板上温度传感器的温度信息，确认节点单板上温度超过门限值的超温区域，并通过所述风扇控制模块来调整所述分区控制装置的导风片的角度，使所述超温区域所在的分隔区域中的冷气流集中吹向所述超温区域。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，如果所述导风片的角度已经达到调整极限，并且所述超温区域的温度仍然超过门限值，则通过所述风扇控制模块增加风扇的转速。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述机箱管理模块通过所述传感器上报的告警信息或者通过主动查询所述传感器的数据来获知所述超温区域，并且持续进行所述导风片角度的调整或所述风扇转速的调整，直至所述超温区域的温度返回正常范围。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于，所述机箱管理模块为两个，设置为主用和备用，且通过实时同步保证主、备机箱管理模块的数据一致。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述风扇控制模块为多个，并分别单独控制不同的风扇。

11.一种实现可变风量分区控制的系统框架，其特征在于，包括：风扇控制模块、多个能够安装节点单板的槽位、机箱管理模块和可变风量分区控制装置；

所述可变风量分区控制装置用于将每个槽位上节点单板对应的占用位置划分为不同的分隔区域，对所述分隔区域进行风向和风量控制，所述分区控制装置的初始状态为不调整风量和风向的完全打开状态；

所述机箱管理模块用于：正常启动后，通过各节点单板上的智能平台管理控制器子卡获取节点单板及各分隔区域的信息，根据所述信息通过所述风扇控制模块和所述分区控制装置来控制所述分隔区域的风量和风向。

12.根据权利要求11所述的系统框架，其特征在于，所述分区控制装置通过设置导流条来划分所述分隔区域并阻止所述分隔区域之间空气的直接流动，并且，所述分区控制装置在所述分隔区域的进风口设置有导风片，通过控制所述导风片的开合及角度来控制进入所述分隔区域的风量和风向。

13.根据权利要求11或12所述的系统框架，其特征在于，所述机箱管理模块为两个，设置为主用和备用，且通过实时同步保证主、备机箱管理模块的数据一致。

14.根据权利要求13所述的系统框架，其特征在于，所述机箱隔离模块直接命令风扇控制模块，由风扇控制模块通过控制步进电机齿轮来带动所述分区控制装置的导风片正反向、多角度转动。

15.根据权利要求13所述的系统框架，其特征在于，所述风扇控制模块为多个，并分别单独控制不同的风扇组。

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