CN107807695A - 一种支持多风扇自主温控调节转速的散热系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支持多风扇自主温控调节转速的散热方法和系统，包括远端监控中心和测控系统，测控系统包括与远端监控中心通信连接的主控设备和与主控设备通信连接的系统设备、散热设备；散热设备包括控制器，控制器连接通过控制电路连接多个风扇，控制器上还连接有与通信电路、温度监测电路、风扇状态监测电路。控制器根据获取的实时工作环境温度信息，计算出将温度调节为工作环境温度阈值时的风扇转速，将风扇转速转换为PWM信号目标占空比，输出PWM信号给控制电路控制电路控制调节每个风扇的风扇转速。本发明设备为独立系统，故障时不会影响其他设备工作；并且其他设备能够远程监测到散热设备故障。

Description

一种支持多风扇自主温控调节转速的散热系统和方法

技术领域

本发明涉及一种风扇散热系统，尤其涉及一种支持多风扇自主协从温控调节转速的散热系统和方法。

背景技术

工作温度不仅直接影响产品内电子元器件的性能参数，还关系到器件、产品的使用寿命，所以在电子设备或系统设计中，往往会充分考虑通风散热问题。其中比较常见的散热方式之一为气体流通散热，对于发热量较小设备可直接进行自然通风散热；对于发热量较大设备，往往需要增加辅助的散热风扇等。在机柜系统中，一般包含两种散热风扇设计方式，一种为机柜顶端安装固定一到两个裸露风扇，负责向机柜外排出热风；另一种为把散热风扇安装在机箱内，设计成独立的设备安装在机柜内，负责加快柜内空气流动。

目前的风扇散热设备主要存在如下缺点：

1）后期维护不便。裸露风扇固定在机柜顶端，日常维护时拆卸、安装不便，且易受空气粉尘影响，缩减使用寿命。

2）安全指数较低。风扇裸露安装在机柜顶端，防护等级较低，不仅无法保证自身工作安全，更无法保证用户使用安全。

3）无法通过软件调速。风扇不支持软件控制调速，只能控制断开工作电源，使风扇停止工作，或者开启电源，使风扇全速工作。

4）无法通过远程控制和监测。只能就近控制散热风扇是否启动工作，或者停止转动；以及就近监测风扇工作状态。

5）无法自主温控调速。只能从其它设备获取温度信息或指令信息，来控制风扇是否工作。设备不支持自主监测温度，无法形成温控闭环调速，增加了外部主控设备工作负担。

6）无法监测风扇状态。不支持对内部各个风扇当前转速、故障状态进行实时监测，无法对内部设备工作状态实时掌握。

7）无法对每个风扇进行单独控制，无法改变单个风扇工作状态。

8）无法进行扩展。当系统较大时，一个散热设备不能满足要求，无法对散热设备进行扩展，只能重新再安装独立的设备，无法形成散热设备联动相互协助工作。

发明内容

本发明提供一种支持多风扇自主协从温控调节转速的散热系统和方法，以解决现有技术存在的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种支持多风扇自主温控调节转速的散热方法，

在控制器内设置需要进行调节的工作环境温度阈值；

温度监测电路将获取的工作环境温度传递给控制器，同时风扇监测电路将获取的每个风扇的工作状态及当前转速传递给控制器；

控制器根据获取的实时工作环境温度信息，计算出将温度调节为工作环境温度阈值时的风扇转速，将风扇转速转换为PWM信号目标占空比，输出PWM信号给控制电路，控制电路控制调节每个风扇的风扇转速；

调节之后，控制器再次获取实时工作环境温度信息，并再次计算将温度降为工作环境温度阈值时的风扇转速，将风扇转速转换为PWM信号目标占空比，再次输出PWM信号给控制电路控制调节每个风扇的风扇转速，依次循环，形成自主温控调速闭环回路。

进一步，所述通过工作环境温度信息计算将温度降为工作环境温度阈值时的风扇转速的方法包括以下两种：

（1）设定设备工作时的工作环境温度阈值为T0，当温度监测电路监测到实时工作环境温度信息T> T0 时，风扇转速要增加，调节风扇转速的PWM占空比增加1个步进值，当监测到实时工作环境温度信息T< T0 时，风扇转速需减小，调节风扇转速的PWM占空比减小1个步进值；

（2）将设备的工作温度划分为不少于一个的温度范围，每个温度范围对应一个风扇转速值，当监测到实时工作环境温度信息在某个温度范围时，按照该风扇转速值对应的PWM占空比调节风扇转速。

进一步，控制器能够通过通信电路将获取的实时工作环境温度信息和风扇状态信息发送给远端的监控中心进行远端监测，远端监控中心能够根据获取的信息人工远程向控制器发送风扇控制信号，控制器通过控制电路对每个风扇进行启停操作或者转速调节操作。

进一步，所述风扇状态信息包括风扇故障电平信号和风扇转速信号，当控制器采集风扇故障电平信号为高电平时，通过控制器上连接的报警装置进行报警。

支持多风扇自主温控调节转速的散热方法的系统，包括远端监控中心和测控系统，所述测控系统包括与远端监控中心通信连接的主控设备和与主控设备通信连接的系统设备、散热设备；

所述散热设备包括控制器，控制器连接通过控制电路连接多个风扇，控制器上还连接有与主控设备通信的通信电路、获取实时工作环境温度信息的温度监测电路、获取风扇状态信息的风扇状态监测电路。

进一步，所述控制电路包括风扇电机驱动电路。

进一步，所述散热设备、主控设备均设置在机箱内部，机箱上设置有与控制器连接的工作状态指示灯，所述工作状态指示灯包括电源指示灯、散热设备工作指示灯、风扇状态指示灯。

进一步，所述工作环境内部设置至少两个散热设备，分别设置在工作环境的不同位置的通风口处，其中一个散热设备向内抽风，另一个散热设备向外排风。

进一步，所述工作环境内具有进风口和排风口，所述进风口和排风口设置数量相同的散热设备，且其中一个散热设备为主散热设备，其余散热设备为从散热设备，主散热设备的控制器通过通信电路与主控设备和其余从散热设备进行通信，主散热设备的控制器接收从散热设备的实时工作环境温度信息和风扇状态信息并传输给主控设备，同时主散热设备的控制器接收主控设备发送的风扇控制信号并发送给对应的从散热设备。

本发明的有益效果：

（1）工作比较安全。设备为独立系统，故障时不会影响其他设备工作；并且其他设备能够远程监测到散热设备故障；风扇安装在机箱内部，设备工作时能够保证人身安全。

（2）程控风扇转速。可根据整个系统实际使用环境，灵活设置风扇转速与温度值比例系数，然后通过软件调节风扇转速，可适用所有需要散热的系统。

（3）温控自主调节。设备自主监测温度，根据温度调节转速，内部形成自主温控回路，无需外部设备参与，既减轻了其他设备工作负担，又降低了系统故障概率。

（4）风扇实时监测。可对内部风扇状态及转速实时监测，一旦出现故障，可立马判断出故障所在，方便故障维修。

（5）可选择远程控制散热设备内风扇是否工作及风扇转速模式。

（6）设备内每个风扇可单独控制是否工作以及风扇转速。

（7）散热设备可功能扩展，多机协同配合工作，可根据实际情况进行配置，适用于所有系统。

附图说明

图1为自主温控调节转速散热系统的框架示意图。

图2为散热设备框架示意图。

图3为风扇控制信号PWM占空比VS转速曲线示意图。

图4为散热系统自主温控调速闭环回路示意图。

图5为散热设备多机协同工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种支持多风扇自主温控协从调节转速的散热方法的系统，主要包括远端监控中心和测控系统，测控系统主要包含主控设备、散热设备、其他系统设备，其他的系统设备是主要的发热源。

测控系统通过主控设备对外通信，主控设备不仅把接收到的工作环境的温度、风扇等设备的状态信息上传给监控中心，而且接收监控中心下发的控制指令，并通过通信接口把指令发送给对应设备。监控中心与主控设备之间通过有线通信方式或者无线通信方式进行远程通信。有线通信包含远程以太网通信等方式，无线通信包含3G/4G、WLAN无线网络通信等方式。

远端的监控中心主要用于远程监控测控系统内的实时工作环境温度信息、设备工作状态信息等，以及负责控制测控系统内的散热设备的工作模式：自主温控调速还是人工调速。

监控中心可选择具备人机交互界面的客户端。通过人机交互界面向测控系统的主控设备下发控制指令，控制散热设备内风扇启动工作或者暂停工作。

测控系统通用于一般的测试系统或者控制系统，系统内部包括一个核心的主控设备和多个辅助系统设备，主控设备与辅助系统设备为工作设备，它们为主要的发热源。测控系统还包括散热设备，散热设备负责测控系统内的散热通风，用于调节测控系统内部的工作温度。

主控设备可选择现有的工控机或者控制器等硬件，在硬件基础上具备软件控制、运算、存储功能以及接口通信功能的设备都可作为主控设备。主控设备负责管控整个测控系统或者整个设备，一般可使用现有的测控系统的主控设备，例如应用于插件式的机箱中时，与各插件通信连接的母板上的控制装置可作为主控设备，也可单独设置独立的主控装置、如CPU或单片机，作为主控设备，它通过通信接口与远端监控中心通信，通过内部通信总线与散热设备通信。通信总线可采用CAN总线、RS485总线等，也可采用其它常用通信方式进行数据交互。

散热设备如图2所示，包括控制器，控制器通过控制电路连接多个风扇，控制器上还连接有与主控设备通信的通信电路、获取实时工作环境温度信息的温度监测电路、获取风扇状态信息的风扇状态监测电路。散热设备能够通过自主温控调节风扇转速，维持系统内部温度在正常工作温度范围内。控制电路包括风扇电机驱动电路。通信电路包含设备与外部的通信总线等。温度监测电路包括温度传感器和监测电路。其中，温度传感器为温度监测电路的前端元件。风扇状态监测电路包括状态电平信号采集及转速频率信号采集电路。

本发明的散热设备主要应用于机箱内部，例如可以是标准上架式机箱，也可为其它类型机箱，机箱深度可根据系统内其它设备深度进行调整。机箱上、下盖板具备通风散热孔，用于内部风扇形成上下通风散热风道。机箱前端具备设备指示灯，设备指示灯至少包含电源指示灯，能够指示散热设备是否处于上电状态，以及工作电源是否正常；包含工作指示灯，能够指示散热设备工作是否正常；包含所有风扇指示灯，能够指示内部各个风扇是否启动工作，是否有故障输出，以及风扇正常工作时转速等级。

机箱内部风扇选用已有成品风扇，但风扇需具备以下条件：1、风扇工作电压应与内部提供电压等级相同；2、风扇对外信号应包含PWM控制信号，支持PWM调速；3、风扇对外信号应包含故障状态输出信号及风扇转速输出信号。

测控系统内部风扇控制方式采用PWM脉宽调速方式，每个风扇转速可单独调控。脉宽调速指PWM信号输出频率固定，通过调整信号占空比来改变风扇转速，一般占空比与风扇转速成正比例关系。当PWM信号占空比大于最小启动值时，风扇开始启动工作，此时风扇转速为最小转速，当PWM信号占空比达到最大时，风扇转速达到最大，占空比与转速关系图如图3所示。

风扇的PWM驱动信号可直接采用散热设备内部的控制器输出频率信号，或者采用散热设备的控制器上连接的DA芯片输出频率信号。PWM信号的频率以及占空比大小可由散热设备通过软件进行设置。

本发明在工作时，散热设备内部需要安装温度传感器模块，用于监测系统内部空气温度。传感器可选择数字温度传感器或者模拟温度传感器。数字温度传感器通常对外接口为1-Wire单总线或者I2C总线等通信口，散热设备的控制器可直接访问传感器，读取实时温度值。模拟温度传感器对外输出信号为模拟信号，需要经过采样电路转换及温度补偿，然后进入散热设备的控制器进行采样，获取工作环境的实时温度值。

散热设备内部的控制器采集风扇输出的故障电平信号及风扇转速信号，来监测风扇工作状态。故障电平信号用来侦测风扇运转状态，例如风扇堵转时输出高电平报警，正常时为低电平。风扇转速信号为方波信号，可采集方波频率来侦测风扇转速。一般频率与风扇转速成正比例关系，风扇输出方波信号频率越高，代表风扇转速越快。它们之间的比例系数可从风扇技术参数中获得。散热设备的控制器可直接通过I/O口去监测风扇故障电平信号，也可通过I/O口监测频率信号，或者通过频率采集芯片监测频率信号。

散热设备具备至少1路对外通信接口，接口主要负责将内部监测信息上传给主控设备，用于对整个系统工作温度进行实时监测和负责接收主控设备下发的控制信息，控制内部风扇启动工作或者暂停工作。通信接口可采用常用的RS485总线或者CAN总线，方便后续设备扩展，也可采用其它常用通信方式。

本发明还提供一种支持多风扇自主温控调节转速的散热系统的方法，系统一般工作在自主温控调节风扇转速的模式下，系统上电以后，散热设备根据内部调控闭环回路自主工作，不需要外部参与控制。由于本发明的散热设备属于一个独立自主的温空调节设备，不需要外部进行控制，极大减轻了外部主控设备的工作负担；并且设备之间不进行相互控制，互不影响，降低了整体系统故障概率。

本发明的自主温控调节风扇转速的模式包括：首先需要在控制器内设置需要进行调节的工作环境温度阈值；然后温度监测电路将获取的工作环境温度传递给控制器，同时风扇状态监测电路将获取的每个风扇的工作状态传递给控制器；控制器根据获取的实时工作环境温度信息，计算将温度调节为工作环境温度阈值时的风扇转速，将风扇转速转换为PWM信号目标占空比，输出PWM信号给控制电路，控制电路控制调节每个风扇的风扇转速；调节之后，控制器再次获取实时工作环境温度信息，并再次计算将温度降为工作环境温度阈值时的风扇转速，将风扇转速转换为PWM信号目标占空比，再次输出PWM信号给控制电路控制调节每个风扇的风扇转速，依次循环，形成自主温控调速闭环回路。

通过工作环境温度信息计算将温度降为工作环境温度阈值时的风扇转速的方法包括以下两中：

（1）精确调速法：设定设备工作时的工作环境温度阈值为T0，当温度监测电路监测到实时工作环境温度信息T> T0 时，风扇转速要增加，调节风扇转速的PWM占空比增加1个步进值，当监测到实时工作环境温度信息T< T0 时，风扇转速需减小，调节风扇转速的PWM占空比减小1个步进值；

（2）等级粗调法：将设备的工作温度划分为不少于一个的温度范围，此时工作环境阈值为一个或者几个范围值，每个温度范围对应一个风扇转速值，当监测到实时工作环境温度信息在某个温度范围时，按照该风扇转速值对应的PWM占空比调节风扇转速。

自主温控调节时，监控中心只对测控系统温度信息及设备工作情况进行监测，不做控制。散热设备的控制器监测风扇状态及当前工作环境的温度，并把监测信息通过通信总线发送给主控设备，主控设备再把信息回传给监控中心，监控中心显示接收信息进行远程监测。

为了确保系统具备完全通用性，系统内专门预留了人工干预控制的硬件及软件接口，用于监控中心进行远程控制使用。当某些应用场合不需要自主温空调节时，人工可进行远程控制风扇启动工作，或者暂停工作，每个风扇是否工作以及风扇转速都可单独远程控制。此时可远程监测风扇转速与设定输出值进行比较，形成另外一个远程调节的闭环回路。

整个测控系统较为庞大时，可能一个散热设备已经不能满足系统散热要求，这时需要添加一个或多个散热设备。这些散热设备之间不是完全相互独立工作，而是通过外部通信总线组成一个整体。此时至少需要在两个不同位置的通风口处设置数量相同的散热设备，且相对的散热设备转速一致，其中一侧的散热设备向内抽风，另一侧处的散热设备向外排风。

为保证整个风道内进风量与排风量均衡，一侧的散热设备与另一侧的散热设备内风扇类型与个数应保持一致，另外风扇转速也应保持一致。

一侧的散热设备负责向工作环境外排风，另一侧的散热设备负责向工作环境内抽风。

多个散热设备可通过外部按钮或开关之类配置主设备或从设备进行主从设置或者冗余设置，也可通过软件进行设置。主设备负责控制从设备工作。主散热设备负责与主控设备通信，从设备上传自身监测的温度信息及设备状态信息给主设备，主设备进行汇总，一块发送给主控设备。主散热设备同时接收远程监控中心发送给主控设备的风扇控制信号，然后通过主散热设备的控制器发送给其他的从散热设备。

本发明具有以下优点：

1）便于后期维护。当应用于机箱时，设备机箱可通过导轨移出机柜，或者可通过前端把手辅助安装、拆卸；内部风扇等通过连接器与电路板连接，方便拆卸维护。

2）工作比较安全。设备为独立系统，故障时不会影响其他设备工作；并且其他设备能够远程监测到散热设备故障；风扇安装在机箱内部，设备工作时能够保证人身安全。

3）程控风扇转速。可根据整个系统实际使用环境，灵活设置风扇转速与温度值比例系数，然后通过软件调节风扇转速，可适用所有需要散热的系统。

4）温控自主调节。设备自主监测温度，根据温度调节转速，内部形成自主温控回路，无需外部设备参与，既减轻了其他设备工作负担，又降低了系统故障概率。

5) 风扇实时监测。可对内部风扇状态及转速实时监测，一旦出现故障，可立马判断出故障所在，方便故障维修。

6）可远程控制散热设备内风扇是否工作及风扇转速。

7）设备内每个风扇可单独控制是否工作以及风扇转速。

8）散热设备可功能扩展，多机协同配合工作，可根据实际情况进行配置，适用于所有系统。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种支持多风扇自主温控调节转速的散热方法，其特征在于：

在控制器内设置需要进行调节的工作环境温度阈值；

温度监测电路将获取的工作环境温度传递给控制器，同时风扇监测电路将获取的每个风扇的工作状态及当前转速传递给控制器；

控制器根据获取的实时工作环境温度信息，计算出将温度调节为工作环境温度阈值时的风扇转速，将风扇转速转换为PWM信号目标占空比，输出PWM信号给控制电路，控制电路控制调节每个风扇的风扇转速；

调节之后，控制器再次获取实时工作环境温度信息，并再次计算将温度降为工作环境温度阈值时的风扇转速，将风扇转速转换为PWM信号目标占空比，再次输出PWM信号给控制电路控制调节每个风扇的风扇转速，依次循环，形成自主温控调速闭环回路。

2.根据权利要求1所述的一种支持多风扇自主温控调节转速的散热方法，其特征在于：

所述通过工作环境温度信息计算将温度降为工作环境温度阈值时的风扇转速的方法包括以下两种：

设定设备工作时的工作环境温度阈值为T0，当温度监测电路监测到实时工作环境温度信息T> T0 时，风扇转速要增加，调节风扇转速的PWM占空比增加1个步进值，当监测到实时工作环境温度信息T< T0 时，风扇转速需减小，调节风扇转速的PWM占空比减小1个步进值；

将设备的工作温度划分为不少于一个的温度范围，每个温度范围对应一个风扇转速值，当监测到实时工作环境温度信息在某个温度范围时，按照该风扇转速值对应的PWM占空比调节风扇转速。

3.根据权利要求1所述的一种支持多风扇自主温控调节转速的散热方法，其特征在于：

控制器能够通过通信电路将获取的实时工作环境温度信息和风扇状态信息发送给远端的监控中心进行远端监测，远端监控中心能够根据获取的信息人工远程向控制器发送风扇控制信号，控制器通过控制电路对每个风扇进行启停操作或者转速调节操作。

4.根据权利要求1所述的一种支持多风扇自主温控调节转速的散热方法，其特征在于：

所述风扇状态信息包括风扇故障电平信号和风扇转速信号，当控制器采集风扇故障电平信号为高电平时，通过控制器上连接的报警装置进行报警。

5.应用权利要求1~4任一项所述的支持多风扇自主温控调节转速的散热方法的系统，其特征在于：

包括远端监控中心和测控系统，所述测控系统包括与远端监控中心通信连接的主控设备和与主控设备通信连接的系统设备、散热设备；

所述散热设备包括控制器，控制器连接通过控制电路连接多个风扇，控制器上还连接有与主控设备通信的通信电路、获取实时工作环境温度信息的温度监测电路、获取风扇状态信息的风扇状态监测电路。

6.根据权利要求5所述的一种支持多风扇自主温控调节转速的散热系统，其特征在于：

所述控制电路包括风扇电机驱动电路。

7.根据权利要求5所述的一种支持多风扇自主温控调节转速的散热系统，其特征在于：

所述散热设备、主控设备均设置在机箱内部，机箱上设置有与控制器连接的工作状态指示灯，所述工作状态指示灯包括电源指示灯、散热设备工作指示灯、风扇状态指示灯。

8.根据权利要求5所述的一种支持多风扇自主温控调节转速的散热系统，其特征在于：

所述工作环境内部设置至少两个散热设备，分别设置在工作环境的不同位置的通风口处，其中一个散热设备向内抽风，另一个散热设备向外排风。

9.根据权利要求8所述的一种支持多风扇自主温控调节转速的散热系统，其特征在于：

所述工作环境内具有进风口和排风口，所述进风口和排风口设置数量相同的散热设备，且其中一个散热设备为主散热设备，其余散热设备为从散热设备，主散热设备的控制器通过通信电路与主控设备和其余从散热设备进行通信，主散热设备的控制器接收从散热设备的实时工作环境温度信息和风扇状态信息并传输给主控设备，同时主散热设备的控制器接收主控设备发送的风扇控制信号并发送给对应的从散热设备。