CN102392816B - 一种基于fpga实现的风扇测速的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于FPGA实现的风扇测速的方法，在FPGA内部包括：同步模块(1)、计数模块(2)、采样模块(3)、计算模块(4)、系统时钟(5)和计时器模块(6)功能模块构成，所有模块由系统时钟模块(5)提供250MHz的时钟。与现有技术性比，本发明的有益效果在于：采用本方案，在有风扇的FPGA板卡上几乎不会增加额外的设备，唯一的要求是将风扇的信号通过OC门输入；在FPGA内部此方案也不会占用太多资源，是板卡系统上一个非常实用的增值功能；精确的风扇转速结果也可以作为判断板卡工作温度或是否有异常的参考。
Description
技术领域
本发明属于系统信号检测领域中的风扇测速技术方向，提供了一种利用FPGA对风扇测速的系统和方法。
背景技术
在PC系统或板卡系统上，风扇已成为必不可少的散热设备。现有的对风扇转速检测的专利一般以在生产试制阶段检测风扇质量为主，本专利仅针对质量良好的风扇在工作场合正常上电后的速度检测，用于系统监控。目前常用的大部分风扇是PWM风扇，其中PWM是全称是Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)，风扇测速通常是按照脉冲宽度的百分比(占空比)进行的，其他的一些PWM风扇也存在一些测速方式，如用信号发生器产生所需要的一定频率、占空比的PWM波，再用转速计对比测出风扇的转速；其他一些检测方式是根据风扇的料号参数及占空比进行转数对比测试出风扇的转速。但是以上这些检测方法所需设备众多，占用空间较大，测试过程相对比较麻烦，且测出的转速精度并不是很高。
专利申请号CN200510102113.3，名称为风扇转速检测装置及方法的专利中提出利用计算机、单片机、电源、继电器等设备对风扇进行速度检测的装置，该专利装置以检测风扇质量为主，间接提供了一种风扇测速的方法，其利用计算机设置风扇料号参数并保存在单片机中，在一定测试时间范围内利用单片机对风扇传感器送来的信号进行转速计算，并参考已有数据获得转速偏差，其中转速计算仅提到利用一个计数器对捕获的脉冲信号频率乘以转速因子获得风扇的转速，但并未给出具体的实施方法。该专利整套装置侧重于对风扇的质量检测，对具体的风扇测速方法无详细描述。
专利申请号CN200920035752.6，名称为风扇测速装置的专利中以电动车充电器的风扇为主，给出了一种利用信号放大器、传感器、比较器等设备测量风扇转速的方法，此方法仅适用于生产线的测量，用于给出是否合格产品的结果，其中的测速方法是依据PWM的波形和风扇的料号查询进行。
专利申请号CN200610123553.1，名称为检测风扇转速的检测装置及方法的专利中提出一种利用光电感测设备，并依据风扇转速不同时对应的光信号强弱差别进行转速的测试，该专利也是主要用于生产检测，且装置所用设备较多，测速精度较差。
发明内容
本发明克服现有技术不足，在有风扇的FPGA板卡上几乎不会增加额外的设备，唯一的要求是将风扇的信号通过OC门输入；在FPGA内部此方案也不会占用太多资源，是板卡系统上一个非常实用的增值功能；精确的风扇转速结果也可以作为判断板卡工作温度或是否有异常的参考。
本发明提供了一种基于FPGA实现的风扇测速的系统，FPGA内部包括：
同步模块(1)，用于同步风扇速度信号；
计数模块(2)，用于记录风扇上电并被FPGA识别其输出信号后的从第1个上升沿开始的所有上升沿的个数；
采样模块(3)，将当前所述计数模块(2)的计数值采样并进行寄存；
计算模块(4)，用于接收采样模块(3)寄存的结果，并计算出风扇转速。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，FPGA内部包括计时器模块(6)，其计时周期作为所述采样模块(3)的采样时间点。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，FPGA内部包括系统时钟(5)，该系统时钟模块(5)为所有模块提供250MHz的时钟。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，风扇速度信号以电平信号的形式输入至所述FPGA。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，电平信号同风扇的转速相关。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，电平信号为具有一定频率的3.3V电平信号。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，电平信号稳定工作时一般在几百Hz，启动阶段的频率更低。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，所述同步模块(1)识别出所述风扇速度信号的上升沿，并将其同步到时钟域。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，计数模块(2)接收同步模块(1)的信号，并启动计数。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，计数模块(2)记录风扇上电并被FPGA识别其输出信号后的从第1个上升沿开始的所有上升沿的个数。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，，所述计时器模块(6)从FPGA系统上电并复位结束后准确计时，计时的周期是1.875s.
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，所述计时器模块(6)发送给所述采样模块(3)的采样时间点，其误差小于4ns；
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，所述采样模块(3)以所述计时器模块(6)发送的采样时间点为依据，将当前所述计数模块(2)的计数值采样并进行寄存，寄存的结果输出至所述计算模块(4)。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，所述计算模块(4)将所述采样模块(3)连续两次给出的数值做减法计算，以计算出风扇在1.875s内输出的上升沿的个数。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，风扇输出的上升沿的个数和风扇的转速有常数关系。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，上升沿的个数是风扇转速的2倍.
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，计算模块(4)将1.875s内的上升沿个数乘以16，计算出风扇每分钟的转速。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的系统，逻辑运算时，计算模块(4)将1.875s内的上升沿个数左移4位，计算出风扇每分钟的转速。
本发明还提供了一种基于FPGA实现的风扇测速的方法，FPGA内部包括：同步步骤(1)，同步风扇速度信号；
计数步骤(2)，记录风扇上电并被FPGA识别其输出信号后的从第1个上升沿开始的所有上升沿的个数；
采样步骤(3)，将当前所述计数步骤(2)的计数值采样并进行寄存；
计算步骤(4)，接收采样步骤(3)寄存的结果，并计算出风扇转速。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，FPGA内部包括计时器步骤(6)，其计时周期作为所述采样步骤(3)的采样时间点。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，FPGA内部包括方法时钟(5)，该方法时钟步骤(5)为所有步骤提供250MHz的时钟。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，风扇速度信号以电平信号的形式输入至所述FPGA。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，电平信号同风扇的转速相关。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，电平信号为具有一定频率的3.3V电平信号。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，电平信号稳定工作时一般在几百Hz，启动阶段的频率更低。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，所述同步步骤(1)识别出所述风扇速度信号的上升沿，并将其同步到时钟域。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，计数步骤(2)接收同步步骤(1)的信号，并启动计数。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，计数步骤(2)记录风扇上电并被FPGA识别其输出信号后的从第1个上升沿开始的所有上升沿的个数。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，所述计时器步骤(6)从FPGA系统上电并复位结束后准确计时，计时的周期是1.875s.
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，所述计时器步骤(6)发送给所述采样步骤(3)的采样时间点，其误差小于4ns；
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，所述采样步骤(3)以所述计时器步骤(6)发送的采样时间点为依据，将当前所述计数步骤(2)的计数值采样并进行寄存，寄存的结果输出至所述计算步骤(4)。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，所述计算步骤(4)将所述采样步骤(3)连续两次给出的数值做减法计算，以计算出风扇在1.875s内输出的上升沿的个数。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，风扇输出的上升沿的个数和风扇的转速有常数关系。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，上升沿的个数是风扇转速的2倍.
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，计算步骤(4)将1.875s内的上升沿个数乘以16，计算出风扇每分钟的转速。
本发明提供的基于FPGA实现的风扇测速的方法，逻辑运算时，计算步骤(4)将1.875s内的上升沿个数左移4位，计算出风扇每分钟的转速。此转速以上升沿个数为参考依据，具有精确统计的特征。
本发明用于安装风扇的FPGA板卡上，外围几乎不需要其他设备，仅要求风扇上电，且风扇的测速信号与FPGA直接的连接是一个OC门结构，此结构为大部分风扇测速的通用结构，在此不再赘述。OC门输入给FPGA的信号为3.3V标准的LVTTL数字信号，体现为FPGA内部，则是高低电平的脉冲信号，在转速变化时，其占空比会发生变化，风扇的转速不同，其周期也不同。相对于已有利用占空比查风扇料号的方法，本专利通过精确的捕获风扇输出的脉冲信号的边沿，依据其周期变化来测速，而不依据查询风扇料号的传统方法。
与现有技术性比，本发明的有益效果在于：采用本方案，在有风扇的FPGA板卡上几乎不会增加额外的设备，唯一的要求是将风扇的信号通过OC门输入；在FPGA内部此方案也不会占用太多资源，是板卡系统上一个非常实用的增值功能；精确的风扇转速结果也可以作为判断板卡工作温度或是否有异常的参考。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
本发明的结构示意图如附图1所示，主要是在FPGA内部由同步模块1、计数模块2、采样模块3、计算模块4、系统时钟5、计时器模块6等功能模块构成，所有模块由系统时钟模块5提供250MHz的时钟。各模块的功能如下：
(1)通过OC门输入至FPGA的风扇速度信号为具有一定频率的3.3V电平信号，此信号频率同风扇的转速相关，稳定工作时一般在几百Hz，启动阶段的频率更低；
(2)为了能准确捕获到速度信号的边沿，同步模块1利用250MHz的同步时钟，精确的识别出风扇速度信号的上升沿，并将其同步到250MHz时钟域；
(3)同步后的单脉冲信号作为计数模块2的启动及计数条件，计数模块启动后将持续计数，记录风扇上电并被FPGA识别其输出信号后的从第1个上升沿开始的所有上升沿的个数；
(4)计时器模块6从FPGA系统上电并复位结束后准确计时，计时的周期是1.875s，此周期亦是发送给采样模块3的采样时间点，其误差小于4ns；
(5)采样模块3以计时器模块发送的采样时间点为依据，将当前计数模块的计数值采样并进行寄存，寄存的结果输出至计算模块；
(6)计算模块4将采样模块3连续两次给出的数值做减法计算，以计算出在1.875s时间内风扇输出的上升沿的个数，此上升沿的个数和风扇的转速有常数关系，一般的，上升沿的个数是风扇转速的2倍，计算模块4将前述1.875内的上升沿个数乘以32，再除以2，即乘以16(逻辑运算时为左移4位)，即可计算出风扇每分钟的转速。此转速以上升沿个数为参考依据，具有精确统计的特征。
由于系统工作在250MHz的时钟下，具有非常高的实时性和精确性，若对此要求不高，可以适当降低时钟频率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者同等替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (24)
1.一种基于FPGA实现的风扇测速的系统，其特征在于，FPGA内部包括：
同步模块(1)，用于同步风扇速度信号；
计数模块(2)，用于记录风扇上电并被FPGA识别其输出信号后的从第1个上升沿开始的所有上升沿的个数；
采样模块(3)，将当前所述计数模块(2)的计数值采样并进行寄存；
计算模块(4)，用于接收采样模块(3)寄存的结果，并计算出风扇转速；
所述FPGA内部包括计时器模块(6)，其计时周期作为所述采样模块(3)的采样时间点；
所述FPGA内部包括系统时钟模块(5)，该系统时钟模块(5)为所有模块提供250MHz的时钟；
所述风扇速度信号以电平信号的形式输入至所述FPGA；
所述电平信号同风扇的转速相关；
所述电平信号为具有一定频率的3.3V电平信号；
所述电平信号稳定工作时一般在几百Hz，启动阶段的频率更低。
2.权利要求1的系统，其特征在于，所述同步模块(1)识别出所述风扇速度信号的上升沿，并将其同步到时钟域。
3.权利要求1的系统，其特征在于，计数模块(2)接收同步模块(1)的信号，并启动计数。
4.权利要求1的系统，其特征在于，计数模块(2)记录风扇上电并被FPGA识别其输出信号后的从第1个上升沿开始的所有上升沿的个数。
5.权利要求1的系统，其特征在于，所述计时器模块(6)从FPGA系统上电并复位结束后准确计时，计时的周期是1.875s。
6.权利要求1的系统，其特征在于，所述计时器模块(6)发送给所述采样模块(3)的采样时间点，其误差小于4ns。
7.权利要求1的系统，其特征在于，所述采样模块(3)以所述计时器模块(6)发送的采样时间点为依据，将当前所述计数模块(2)的计数值采样并进行寄存，寄存的结果输出至所述计算模块(4)。-
8.权利要求1的系统，其特征在于，所述计算模块(4)将所述采样模块(3)连续两次给出的数值做减法计算，以计算出风扇在1.875s内输出的上升沿的个数。
9.权利要求1的系统，其特征在于，风扇输出的上升沿的个数和风扇的转速有常数关系。
10.权利要求1的系统，其特征在于，上升沿的个数是风扇转速的2倍。
11.权利要求1的系统，其特征在于，计算模块(4)将1.875s内的上升沿个数乘以16，计算出风扇每分钟的转速。
12.权利要求1的系统，其特征在于，逻辑运算时，计算模块(4)将1.875s内的上升沿个数左移4位，计算出风扇每分钟的转速。
13.一种基于FPGA实现的风扇测速的方法，其特征在于，FPGA内部包括：
同步步骤(1)，同步风扇速度信号；
计数步骤(2)，记录风扇上电并被FPGA识别其输出信号后的从第1个上升沿开始的所有上升沿的个数；
采样步骤(3)，将当前所述计数步骤(2)的计数值采样并进行寄存；
计算步骤(4)，接收采样步骤(3)寄存的结果，并计算出风扇转速；
所述FPGA内部包括计时器步骤(6)，其计时周期作为所述采样步骤(3)的采样时间点；
所述FPGA内部包括方法时钟步骤(5)，该方法时钟步骤(5)为所有步骤提供250MHz的时钟；
所述风扇速度信号以电平信号的形式输入至所述FPGA；
所述电平信号同风扇的转速相关；
所述电平信号为具有一定频率的3.3V电平信号；
所述电平信号稳定工作时一般在几百Hz，启动阶段的频率更低。
14.权利要求13的方法，其特征在于，所述同步步骤(1)识别出所述风扇速度信号的上升沿，并将其同步到时钟域。
15.权利要求13的方法，其特征在于，计数步骤(2)接收同步步骤(1)的信号，并启动计数。
16.权利要求13的方法，其特征在于，计数步骤(2)记录风扇上电并被FPGA识别其输出信号后的从第1个上升沿开始的所有上升沿的个数。
17.权利要求13的方法，其特征在于，所述计时器步骤(6)从FPGA系统上电并复位结束后准确计时，计时的周期是1.875s。
18.权利要求13的方法，其特征在于，所述计时器步骤(6)发送给所述采样步骤(3)的采样时间点，其误差小于4ns。
19.权利要求13的方法，其特征在于，所述采样步骤(3)以所述计时器步骤(6)发送的采样时间点为依据，将当前所述计数步骤(2)的计数值采样并进行寄存，寄存的结果输出至所述计算步骤(4)。
20.权利要求13的方法，其特征在于，所述计算步骤(4)将所述采样步骤(3)连续两次给出的数值做减法计算，以计算出风扇在1.875s内输出的上升沿的个数。
21.权利要求13的方法，其特征在于，风扇输出的上升沿的个数和风扇的转速有常数关系。
22.权利要求13的方法，其特征在于，上升沿的个数是风扇转速的2倍。
23.权利要求13的方法，其特征在于，计算步骤(4)将1.875s内的上升沿个数乘以16，计算出风扇每分钟的转速。
24.权利要求13的方法，其特征在于，逻辑运算时，计算步骤(4)将1.875s内的上升沿个数左移4位，计算出风扇每分钟的转速。
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