CN102852842A - 一种基于fpga的机箱风扇控制系统及其控制方法 - Google Patents

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吴鹏
陈磊
刘川
奚后玮
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张刚
黄在朝
黄辉
邓辉
王玮
侯功
沈文
于海
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的机箱风扇控制系统及其控制方法，用于通信设备机箱的散热管理。该方法在一片FPGA内实现对整个机箱全部风扇转速信息、数字温度传感器温度信息的读取，并且输出PWM波控制风扇转速，从而实现机箱的散热管理。处理器可以通过UART接口模块访问FPGA内寄存器表，读取其中温度、转速等信息，并配置PWM波输出策略。

Description

一种基于FPGA的机箱风扇控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于FPGA的机箱风扇控制系统及其控制方法。
背景技术
现代通信设备中，高器件密度、结构紧凑型要求越来越多，相应对系统的散热要求也越来越高。为了满足系统的散热需求，在一个机箱内往往需要多个风扇。在这种情况下，对风扇的控制显得特别重要：一方面，风扇数目增多提高了发生故障的概率，需要及时知道每个风扇的工作情况；另一方面，在大部分时间，不需要风扇全速工作即可满足散热需求，因此，根据机箱内温度调节风扇转速就很有意义，既降低机箱噪声，又减小风扇功耗，延长风扇寿命。
目前机箱内多采用PWM波控制风扇转速，控制核心为单片机。单片机负责读取传感器温度，风扇转速，并生成PWM波调节风扇转速。这种基于单片机的控制方法主要存在两个缺点：（1）单片机不能直接采样指示风扇转速的方波信号，需要外部增加计数器芯片，降低了系统的可靠性；（2）单片机外部管脚和内部资源有限，一般只能支持对两个风扇的控制，对于含多个风扇的机箱，需多个单片机配合使用，成本提高，便捷性降低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于FPGA的机箱风扇控制系统及其控制方法，克服了传统单片机方式在可靠性和便捷性上的弊端，满足了通信设备机箱内的散热管理需求。
本发明提供的一种基于FPGA的机箱风扇控制系统，所述机箱风扇包括风扇和温度传感器；其改进之处在于，所述控制系统包括FPGA和处理器；
所述FPGA分别与所述处理器、所述风扇和所述温度传感器连接。
其中，所述FPGA包括温度读取模块、风速采样模块、定时模块、PWM波生成模块、寄存器和接口模块；
所述寄存器分别与所述温度读取模块、所述风速采样模块、所述PWM波生成模块和所述接口模块连接；
所述定时模块和所述风速采样模块连接；
所述温度读取模块与所述温度传感器连接；
所述风速采样模块与所述风扇连接；
所述PWM波生成模块与所述风扇连接。
其中，所述接口模块为UART接口模块；所述UART接口模块与所述处理器连接。
其中，所述风速采样模块的个数与所述风扇个数相等。
其中，所述温度读取模块的个数与所述温度传感器的个数相等。
其中，所述定时模块包括计数器，所述计数器为风速方波计数器。
其中，所述寄存器包括传感器温度寄存器、风扇转速寄存器和PWM控制寄存器；
所述传感器温度寄存器接收风扇的温度信息、所述风扇转速寄存器接收风扇的转速信息、所述PWM控制寄存器接收FPGA控制信息；再通过所述接口模块将风扇的温度信息、风扇的转速信息和FPGA控制信息传给处理器。
其中，所述UART接口模块包括依次连接的发送模块、接收模块和波特率生成模块；通过修改波特率发生器参数，配置其波特率。
本发明基于另一目的提供的一种基于FPGA的机箱风扇控制系统的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
（1）所述温度读取模块接收温度传感器检测的风扇的温度值，并将温度信息传给所述寄存器；
（2）所述的温度读取模块，通过FPGA逻辑模拟时序，完成对温度传感器的初始化和温度读取过程，并将读取的温度值存入寄存器；
（3）所述的风速采样模块，通过计数器对一秒内风速方波信号进行计数，并将转速信息存入寄存器表；
（4）所述UART接口模块通过TXD与RXD与处理器通信，所述处理器访问寄存器，获取温度及风扇转速信息，并且配置PWM波参数；
（5）所述的PWM波生成模块根据寄存器中PWM控制寄存器生成相应的PWM波，对外部风扇进行调速。
其中，所述计数器每秒产生一个时钟周期的脉冲，供风速采样模块异步复位计数器和采样当前风速方波值。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明的FPGA是一种通用逻辑器件，随着技术不断发展，其性能越来越高，成本越来越低。FPGA有非常丰富的管脚资源和逻辑资源，特别是其内部大量的D触发器可以方便地用于对信号边沿进行采样计数，因此，可以在一片FPGA内完成对整个机箱全部风扇的控制，相较于基于单片机的控制方式，更为可靠和便捷。
本发明通过自主设计的模块，在一片FPGA内实现对整个机箱的风扇控制，克服了传统单片机方式在可靠性和便捷性上的弊端，满足了通信设备机箱内的散热管理需求，将有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的机箱风扇控制系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实施例提供一种基于FPGA的机箱风扇控制系统及其控制方法，用于通信设备机箱的散热管理。该方法在一片FPGA内实现对整个机箱全部风扇转速信息、数字温度传感器温度信息的读取，并且输出PWM波控制风扇转速，从而实现机箱的散热管理。主控板处理器可以通过UART接口模块访问FPGA内寄存器表，读取其中温度、转速等信息，并配置PWM波输出策略。
具体的，本实施例提供的一种基于FPGA的机箱风扇控制系统如图1所示，机箱风扇包括风扇和温度传感器；所述控制系统包括FPGA和主控板处理器；所述FPGA分别与所述主控板处理器、所述风扇和所述温度传感器连接。
所述FPGA包括温度读取模块、风速采样模块、定时模块、PWM波生成模块、寄存器和接口模块；所述寄存器分别与所述温度读取模块、所述风速采样模块、所述PWM波生成模块和所述接口模块连接；所述定时模块和所述风速采样模块连接；所述温度读取模块与所述温度传感器连接；所述风速采样模块与所述风扇连接；所述PWM波生成模块与所述风扇连接。
其中，所述风速采样模块的个数与所述风扇个数相等；所述温度读取模块的个数与所述温度传感器的个数相等。
所述定时模块可为计数器。
所述寄存器包括传感器温度寄存器、风扇转速寄存器和PWM控制寄存器；所述传感器温度寄存器接收风扇的温度信息、所述风扇转速寄存器接收风扇的转速信息、所述PWM控制寄存器接收FPGA控制信息；FPGA再通过接口模块与主控板处理器之间建立I2C通道将这些信息传送给主控板进行统一处理。
所述接口模块为UART接口模块；所述UART接口模块与所述主控板处理器连接。所述UART接口模块包括依次连接的发送模块、接收模块和波特率生成模块；UART接口模块是双向的，发送模块负责发送，接收模块负责接受，波特率生成模块在发送模块和接收模块发送和接收的过程中生成波特率。通过修改波特率发生器参数，配置其波特率。
在FPGA内，通过Verilog硬件描述语言实现温度读取模块、风速采样模块、PWM波生成模块、定时模块、寄存器表、UART接口模块。
对应的，本实施例提供一种基于FPGA的机箱风扇控制系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）所述温度读取模块接收温度传感器检测的风扇的温度值，并将温度信息传给所述寄存器；
（2）所述温度读取模块，通过FPGA逻辑模拟时序，完成对温度传感器的初始化和温度读取过程，并将读取的温度值存入寄存器；
（3）所述风速采样模块，通过计数器对一秒内风速方波信号进行计数，并将转速信息存入寄存器表；
（4）所述UART接口模块通过TXD与RXD与主控板处理器通信，所述主控板处理器访问寄存器，获取温度及风扇转速信息，并且配置PWM波参数；
（5）所述PWM波生成模块根据寄存器中PWM控制寄存器生成相应的PWM波，对外部风扇进行调速。风扇转速整体控制，FPGA内只需一个PWM波生成模块。
其中，所述计数器每秒产生一个时钟周期的脉冲，供风速采样模块异步复位计数器和采样当前风速方波值。
最后应当说明的是：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，所属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等同替换，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 (10)

1.一种基于FPGA的机箱风扇控制系统，所述机箱风扇包括风扇和温度传感器；其特征在于，所述控制系统包括FPGA和处理器；
所述FPGA分别与所述处理器、所述风扇和所述温度传感器连接。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述FPGA包括温度读取模块、风速采样模块、定时模块、PWM波生成模块、寄存器和接口模块；
所述寄存器分别与所述温度读取模块、所述风速采样模块、所述PWM波生成模块和所述接口模块连接；
所述定时模块和所述风速采样模块连接；
所述温度读取模块与所述温度传感器连接；
所述风速采样模块与所述风扇连接；
所述PWM波生成模块与所述风扇连接。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述接口模块为UART接口模块；所述UART接口模块与所述处理器连接。
4.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述风速采样模块的个数与所述风扇个数相等。
5.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述温度读取模块的个数与所述温度传感器的个数相等。
6.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述定时模块包括计数器，所述计数器为风速方波计数器。
7.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述寄存器包括传感器温度寄存器、风扇转速寄存器和PWM控制寄存器；
所述传感器温度寄存器接收风扇的温度信息、所述风扇转速寄存器接收风扇的转速信息、所述PWM控制寄存器接收FPGA控制信息；再通过所述接口模块将风扇的温度信息、风扇的转速信息和FPGA控制信息传给处理器。
8.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述UART接口模块包括依次连接的发送模块、接收模块和波特率生成模块；通过修改波特率发生器参数，配置其波特率。
9.一种基于FPGA的机箱风扇控制系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）所述温度读取模块接收温度传感器检测的风扇的温度值，并将温度信息传给所述寄存器；
（2）所述的温度读取模块，通过FPGA逻辑模拟时序，完成对温度传感器的初始化和温度读取过程，并将读取的温度值存入寄存器；
（3）所述的风速采样模块，通过计数器对一秒内风速方波信号进行计数，并将转速信息存入寄存器表；
（4）所述UART接口模块通过TXD与RXD与处理器通信，所述处理器访问寄存器，获取温度及风扇转速信息，并且配置PWM波参数；
（5）所述的PWM波生成模块根据寄存器中PWM控制寄存器生成相应的PWM波，对外部风扇进行调速。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述计数器每秒产生一个时钟周期的脉冲，供风速采样模块异步复位计数器和采样当前风速方波值。
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