CN113803282A - 实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构，包括MCU主控模块、第一连接器、第二连接器、PC_FAN_FG端口、ARGB灯珠和ARGB_DATA端口，所述的MCU主控模块通过第一连接器与PC_FAN_FG端口相连接，且通过第二连接器与ARGB灯珠的ARGB_DATA端口相连接；所述的第一连接器将采集到的FG转速脉冲信号传输至MCU主控模块。本发明还涉及一种实现风扇追转速显示灯光效果的方法。采用了本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构及其方法，同步获取风扇FG端口信号，再将FG信号运算处理得到风扇当前转速，对应风扇不同转速，MCU输出ARGB灯珠所需的Din信号，控制ARGB灯珠闪烁频率，从而达到风扇扇叶上正转、反转、近乎静至、缓慢转动的效果。在几乎不增加额外成本的前提下，将ARGB竞技光效显著提升。

Description

实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构及其方法

技术领域

本发明涉及机箱散热风扇领域，具体是指一种实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构及其方法。

背景技术

现有技术中，迫切需要一种解决方案能够满足电子竞技类PC机箱上散热风扇的视觉效果升级的需求。

市面上主流方案分为VRGB方案、ARGB方案两种：

VRGB方案使用12V电源供电，RGB三色发光二极管使用MCU三个I/O端口分别控制一个NPN三极管实现RGB三色的点亮与熄灭，与MCU连接端口数为4个：V、R、G、B。

ARGB方案使用5V电源供电，每颗灯珠内部除了封装RGB三色发光二极管外，还封装了一颗可编程LED Drive电路。LED Drive电路的Data In端口使用单线与MCU进行数据传输，其中逻辑“1”、“0”判定标准如下：

Data＝900ns“高”+300ns“低”即为逻辑“1”；

Data＝300ns“高”+900ns“低”即为逻辑“0”。

(300ns、900ns为典型值，不同厂家LED Drive电路略有不同)

LED Drive电路通过Data In端口接收MCU发出的数据包，截取自身所需的数据从而控制灯珠内的RGB发光二极管的颜色、亮度。截取后将数据包中剩余数据通过Data Out传输至下一颗灯珠的Data In端口，后面的灯珠以此类推。与MCU连接端口数为3个：V、Din、G。

市面上机箱风扇大致分为两种：一种为3PIN风扇，使用4PIN通用连接器，但只用其中3个端口，分别为GND、+12V、FG，主要使用在机箱主板上，FG端口用来向PC回报风扇当前转速；另一种为4PIN风扇，同样使用4PIN通用连接器，4个端口全部使用，分别为GND、+12V、FG、Control，主要使用在CPU散热器上，Control端口用来控制风扇转速。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足结构简单、误差小、适用范围较为广泛的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构及其方法。

为了实现上述目的，本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构及其方法如下：

该实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构，其主要特点是，所述的电路结构包括MCU主控模块、第一连接器、第二连接器、PC_FAN_FG端口、ARGB灯珠和ARGB_DATA端口，所述的MCU主控模块通过第一连接器与PC_FAN_FG端口相连接，且通过第二连接器与ARGB灯珠的ARGB_DATA端口相连接；所述的第一连接器将采集到的FG转速脉冲信号传输至MCU主控模块，所述的MCU主控模块转化为ARGB灯珠可识别的DATA控制信号，所述的第二连接器通过ARGB_DATA端口将DATA控制信号传输至ARGB灯珠。

较佳地，所述的电路结构包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，所述的第一电容和第二电容并联连接，且连接在电源和地之间；所述的第三电容和第四电容并联连接，且连接在电源和地之间；所述的第一电容和第二电容用于给MCU主控模块进行电源滤波，所述的第三电容和第四电容给后端ARGB灯珠电源端滤波。

较佳地，所述的电路结构包括第一电阻、第二电阻，所述的第一电阻分别与MCU主控模块和电源连接，所述的第二电阻分别与MCU主控模块和第一连接器连接，所述的第一电阻用于将MCU主控模块的信号采集端口上拉至电源，保持稳定的端口状态，所述的第二电阻用于限制PC_FAN_FG端口的脉冲信号的电流。

该基于上述电路结构实现风扇追转速显示灯光效果的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)启动追转速功能；

(2)判断是否初次开启转速检测，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(4)；

(3)开启FG信号检测功能，并使能管脚变化计时；

(4)判断一个完整FG信号时间是否采集完成，如果是，则继续步骤(5)；否则，退出步骤；

(5)根据采集的完整FG时间计算灯光开关的时间；

(6)判断是否需要改变灯光开和关的时间，如果是，则启用最新灯光开启和关闭的时间；否则，退出步骤。

较佳地，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：

(5.1)根据测试数据建立不同转速下灯光定转追停的基本对应表；

(5.2)计算风扇转速平均值e；

(5.3)计算控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值Ez；

(5.4)根据最终的风扇转速算数值Ez进行查表，查询得到灯光响应区间；

(5.5)根据区间进行线性计算，输出进行实时控驱动灯光闪烁的亮灭时间。

较佳地，所述的步骤(5.2)中计算风扇转速平均值e，具体为：

根据以下公式计算风扇转速平均值e：

e＝(E1+……+Et)/t；

其中，t为采集次数，E为采集的值。

较佳地，所述的步骤(5.3)还包括判断风扇转速趋势的处理过程，具体包括以下处理过程：

(5.3.1)通过当前采集值E减去最近平均转速e，得到趋势差值m，根据趋势差值m的正负情况得到风扇目前的加减速状态；

(5.3.2)通过趋势差值m乘以影响系数k，得到实际影响值M；

(5.3.3)将实际影响值M与最近一次的采集值E相加，得到风扇转速算数值Ez。

较佳地，所述的步骤(5.3)中计算控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值Ez，具体为：

根据以下公式计算控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值Ez：

Ez＝((E–e)×k)/100+E；

其中，E为当前采集值，e为最近平均转速，k为影响系数，k的范围为100≥k≥10。

采用了本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构及其方法，在传统ARGB方案上增加了一系列其它方案没有实现的更加绚丽、多变、灵动的竞技光效。同时实现了低成本、高效率(相比上位机转发方式)，只需将原有ARGB灯珠与MCU连接端口数增加至4端口连接。本方案同步获取风扇FG端口信号，再将FG信号运算处理得到风扇当前转速，对应风扇不同转速，MCU输出ARGB灯珠所需的Din信号，控制ARGB灯珠闪烁频率，从而达到风扇扇叶上正转、反转、近乎静至、缓慢转动的效果。在几乎不增加额外成本的前提下，将ARGB竞技光效显著提升。

附图说明

图1为本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构示意图。

图2为本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构的水泵电机输出的FG信号的波形图。

图3为本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构的ARG灯珠驱动数据波形图。

图4为本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构未开启追转速功能的示意图。

图5为本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构使用追转速灯效的示意图。

图6为本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构使用另一实施例的追转速灯效的示意图。

图7为本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的方法流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构，其中包括MCU主控模块、第一连接器、第二连接器、PC_FAN_FG端口、ARGB灯珠和ARGB_DATA端口，所述的MCU主控模块通过第一连接器与PC_FAN_FG端口相连接，且通过第二连接器与ARGB灯珠的ARGB_DATA端口相连接；所述的第一连接器将采集到的FG转速脉冲信号传输至MCU主控模块，所述的MCU主控模块转化为ARGB灯珠可识别的DATA控制信号，所述的第二连接器通过ARGB_DATA端口将DATA控制信号传输至ARGB灯珠。

作为本发明的优选实施方式，所述的电路结构包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，所述的第一电容和第二电容并联连接，且连接在电源和地之间；所述的第三电容和第四电容并联连接，且连接在电源和地之间；所述的第一电容和第二电容用于给MCU主控模块进行电源滤波，所述的第三电容和第四电容给后端ARGB灯珠电源端滤波。

作为本发明的优选实施方式，所述的电路结构包括第一电阻、第二电阻，所述的第一电阻分别与MCU主控模块和电源连接，所述的第二电阻分别与MCU主控模块和第一连接器连接，所述的第一电阻用于将MCU主控模块的信号采集端口上拉至电源，保持稳定的端口状态，所述的第二电阻用于限制PC_FAN_FG端口的脉冲信号的电流。

本发明的该利用上述电路结构实现风扇追转速显示灯光效果的方法，其中包括以下步骤：

(1)启动追转速功能；

(2)判断是否初次开启转速检测，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(4)；

(3)开启FG信号检测功能，并使能管脚变化计时；

(4)判断一个完整FG信号时间是否采集完成，如果是，则继续步骤(5)；否则，退出步骤；

(5)根据采集的完整FG时间计算灯光开关的时间；

(5.1)根据测试数据建立不同转速下灯光定转追停的基本对应表；

(5.2)计算风扇转速平均值e；

(5.3)计算控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值Ez；

(5.4)根据最终的风扇转速算数值Ez进行查表，查询得到灯光响应区间；

(5.5)根据区间进行线性计算，输出进行实时控驱动灯光闪烁的亮灭时间；

(6)判断是否需要改变灯光开和关的时间，如果是，则启用最新灯光开启和关闭的时间；否则，退出步骤。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(5.2)中计算风扇转速平均值e，具体为：

根据以下公式计算风扇转速平均值e：

e＝(E1+……+Et)/t；

其中，t为采集次数，E为采集的值。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(5.3)还包括判断风扇转速趋势的处理过程，具体包括以下处理过程：

(5.3.1)通过当前采集值E减去最近平均转速e，得到趋势差值m，根据趋势差值m的正负情况得到风扇目前的加减速状态；

(5.3.2)通过趋势差值m乘以影响系数k，得到实际影响值M；

(5.3.3)将实际影响值M与最近一次的采集值E相加，得到风扇转速算数值Ez。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(5.3)中计算控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值Ez，具体为：

根据以下公式计算控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值Ez：

Ez＝((E–e)×k)/100+E；

其中，E为当前采集值，e为最近平均转速，k为影响系数，k的范围为100≥k≥10。

本发明的具体实施方式中，针对电脑机箱的散热风扇系统而开发的追转速功能，追转速功能实质是依据水泵电机实时转速来控制水泵上灯珠的开灯和关灯，通过闪烁曝光呈现高速运转的水泵叶片出现停滞以及缓慢转动的一种效果。转速快灯光闪烁频率快，转速慢灯光相应闪烁频率慢。通过加快或者减慢闪烁频率则体现叶片正转和反转效果。如图4所示为未开启追转速功能，其中叶片转动且灯光常亮；如图5所示为使用追转速的灯效，即通过闪烁产生粗叶花纹；如图6所示为使用追转速的另一种灯效，即通过闪烁产生细叶花纹。

相比传统VRGB方案的简单枯燥和ARGB方案的一成不变，本方案在几乎不增加额外成本的前提下，可将ARGB竞技光效显著提升，从而大大增加产品的竞争力和用户的新鲜感。

第三方竞技光效产品厂家可使用本方案提供的ARGB追转速光效，增加产品竞争力，提前半个产品生命周期对产品进行更新换代，增加用户更新竞技光效产品的动力，重新激活市场，引领市场。从而促进整个电竞行业的发展、进步。

如图1所示，MCU通过第一连接器J1与PC主板的PC_FAN_FG端口连接，再通过第二连接器J2与ARGB灯珠的Din端口连接。将从第一连接器J1的PC_FAN_FG端口采集到的FG转速脉冲信号，通过MCU内部追转速算法的运算转化为ARGB灯珠可识别的DATA信号，再通过第二连接器J2的ARGB_DATA端口将DATA控制信号传输至ARGB灯珠，从而控制ARGB灯珠的闪烁频率，以实现追转速的灯光效果。

如图1所示，C1、C2电容用来给MCU电路作电源滤波；C3、C4电容用来给后端ARGB灯珠电源端滤波。R2电阻用来限制PC_FAN_FG脉冲信号的电流，防止PC_FAN_FG脉冲信号电流超过MCU端口可承受最大电流导致MCU端口损坏。由于FG信号是高低交替的脉冲信号，故选择用R1电阻将MCU的FG信号采集端口上拉到VDD，用以在PC待机、睡眠等状态下PC_FAN停转无FG脉冲信时，保持稳定的端口状态。

第一连接器J1输出的波形为水泵电机输出的FG信号如图2所示，目前测试的电机旋转1圈产生8个高低电平的FG信号，MCU的I/O管脚采集并用内部定时器进行计时，通过采集一个T0时间从而获取目前电机的转速。

MCU主控模块输出至第二连接器J2的波形为输出MCU管脚输出的ARG灯珠驱动数据，如图3所示，通过目前采集到的实时转速，来控制开灯时间和关灯时间使其水泵头叶片呈现如图5和图6的视觉效果。

本发明中V、Din、FG、G端口连接关系及技术特征如下：

V和G为图1中VDD和GND端口，可选从PC电源的SATA端口或PC主板的USB端口取5V电源，用来给MCU及后端ARGB灯珠负载供电。

Din为图1中ARGB_DATA端口，MCU通过此端口将ARGB灯珠的5V控制信号传输至第一颗ARGB-1灯珠，ARGB-1灯珠截取自身控制信号后，再将剩余控制信号传递至ARGB-2灯珠，ARGB-2灯珠截取自身控制信号后，再将剩余控制信号传递至ARGB-3灯珠……，直至最后一颗ARGB-n灯珠接收到控制信号。

FG为图1中PC_FAN_FG端口，MCU通过与此端口连接从而获取PC_FAN_FG端口5V转速脉冲信号。

如图7所示为启动电路实现风扇追转速显示灯光效果的流程图，初次开启转速检测，通过软件标志位判断：a)系统第一次上电；b)关闭转速检测之后再次开启。本发明的基于上述电路结构实现风扇追转速显示灯光效果方法，其中，包括以下步骤：

(1)启动追转速功能；

(2)判断是否初次开启转速检测，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(4)；

(3)开启FG信号检测功能，并使能管脚变化计时；

(4)判断一个完整FG信号时间是否采集完成，如果是，则继续步骤(5)；否则，退出步骤；

(5)根据采集的完整FG时间计算灯光开关的时间；

(5.1)根据测试数据建立不同转速下灯光定转追停的基本对应表；

(5.2)计算风扇转速平均值e；

(5.3)计算控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值Ez；

(5.4)根据最终的风扇转速算数值Ez进行查表，查询得到灯光响应区间；

(5.5)根据区间进行线性计算，输出进行实时控驱动灯光闪烁的亮灭时间；

(6)判断是否需要改变灯光开和关的时间，如果是，则启用最新灯光开启和关闭的时间；否则，退出步骤。本发明的基于上述电路结构实现风扇追转速显示灯光效果的方法如下：

由于PC风扇转速是根据CPU温度进行动态调节的，且本方案采集到的风扇转速对比风扇实际转速是相对滞后的。如果使用直接采集风扇转速再通过简单计算后直接映射到ARGB灯珠上，则追转速效果会不理想，做不到定转追停的效果，且灯光效果会频繁突变。

故而考虑使用变化相对较小的平均算法+转速趋势判断的方式实现，并在计算平均值时，控制原始数据的变化量，已达到更小、更平缓的风扇转速算数值变化。具体如下：

持续采集一段时间内风扇实际转速的原始数据，求平均值e。采集次数为t，采集的值为E，然后进行求平均值得到e。采用移位存储的方式，新采集数据将采集次数t内最早采集的数据挤出，每两个相邻平均数e之间的t个原始数据中仅1个数据不同，保证数据的连续性、平滑性。公式为：

e＝(E1+……+Et)/t；

其中，t为采集次数，E为采集的值。

风扇转速趋势判断及影响因素如下：

A、用当前采集值E减最近平均转速e，得到趋势差值m，根据趋势差值m的正负情况可以得到风扇目前的加减速状态；

B、用趋势差值m乘以影响系数k(1≥K＞0)，得到实际影响值M，k用来平滑不同风扇的转速差异，根据实际调试结果，目前K取经验值为0.2或0.3；

C、将实际影响值M加上最近一次的采集值E上得到Ez；

公式为：

Ez＝(E–e)×k+E；

D、Ez即为追转速方案实际控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值；

E、由于k的理论取值范围为1≥k＞0，考虑到浮点运算会消耗MCU过多资源，故将计算公式优化为：

Ez＝((E–e)×k)/100+E；

其中，E为当前采集值，e为最近平均转速，k为影响系数，k的范围为100≥k≥10，取整十。

灯光效果与风扇转速的实际匹配如下：

因为实际风扇转速和灯光响应不是同步线性变化的，目前根据前期的测试数据建立了一张不同转速下灯光定转追停的基本对应表；根据最终的风扇转速算数值Ez进行查表，查询得到一个灯光响应区间，根据这个区间线性计算，然后输出给驱动进行实时控驱动灯光闪烁的亮灭时间，以达到风扇扇叶正转、反转、追停的效果。

采用了本发明的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构及其方法，在传统ARGB方案上增加了一系列其它方案没有实现的更加绚丽、多变、灵动的竞技光效。同时实现了低成本、高效率(相比上位机转发方式)，只需将原有ARGB灯珠与MCU连接端口数增加至4端口连接。本方案同步获取风扇FG端口信号，再将FG信号运算处理得到风扇当前转速，对应风扇不同转速，MCU输出ARGB灯珠所需的Din信号，控制ARGB灯珠闪烁频率，从而达到风扇扇叶上正转、反转、近乎静至、缓慢转动的效果。在几乎不增加额外成本的前提下，将ARGB竞技光效显著提升。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括MCU主控模块、第一连接器、第二连接器、PC_FAN_FG端口、ARGB灯珠和ARGB_DATA端口，所述的MCU主控模块通过第一连接器与PC_FAN_FG端口相连接，且通过第二连接器与ARGB灯珠的ARGB_DATA端口相连接；所述的第一连接器将采集到的FG转速脉冲信号传输至MCU主控模块，所述的MCU主控模块转化为ARGB灯珠可识别的DATA控制信号，所述的第二连接器通过ARGB_DATA端口将DATA控制信号传输至ARGB灯珠。

2.根据权利要求1所述的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，所述的第一电容和第二电容并联连接，且连接在电源和地之间；所述的第三电容和第四电容并联连接，且连接在电源和地之间；所述的第一电容和第二电容用于给MCU主控模块进行电源滤波，所述的第三电容和第四电容给后端ARGB灯珠电源端滤波。

3.根据权利要求1所述的实现风扇追转速显示灯光效果的电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括第一电阻、第二电阻，所述的第一电阻分别与MCU主控模块和电源连接，所述的第二电阻分别与MCU主控模块和第一连接器连接，所述的第一电阻用于将MCU主控模块的信号采集端口上拉至电源，保持稳定的端口状态，所述的第二电阻用于限制PC_FAN_FG端口的脉冲信号的电流。

4.一种基于权利要求1所述的电路结构实现风扇追转速显示灯光效果的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)启动追转速功能；

(2)判断是否初次开启转速检测，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(4)；

(3)开启FG信号检测功能，并使能管脚变化计时；

(4)判断一个完整FG信号时间是否采集完成，如果是，则继续步骤(5)；否则，退出步骤；

(5)根据采集的完整FG时间计算灯光开关的时间；

(6)判断是否需要改变灯光开和关的时间，如果是，则启用最新灯光开启和关闭的时间；否则，退出步骤。

5.根据权利要求4所述的实现风扇追转速显示灯光效果的方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：

(5.1)根据测试数据建立不同转速下灯光定转追停的基本对应表；

(5.2)计算风扇转速平均值e；

(5.3)计算控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值Ez；

(5.4)根据最终的风扇转速算数值Ez进行查表，查询得到灯光响应区间；

(5.5)根据区间进行线性计算，输出进行实时控驱动灯光闪烁的亮灭时间。

6.根据权利要求5所述的实现风扇追转速显示灯光效果的方法，其特征在于，所述的步骤(5.2)中计算风扇转速平均值e，具体为：

根据以下公式计算风扇转速平均值e：

e＝(E1+……+Et)/t；

其中，t为采集次数，E为采集的值。

7.根据权利要求5所述的实现风扇追转速显示灯光效果的方法，其特征在于，所述的步骤(5.3)还包括判断风扇转速趋势的处理过程，具体包括以下处理过程：

(5.3.1)通过当前采集值E减去最近平均转速e，得到趋势差值m，根据趋势差值m的正负情况得到风扇目前的加减速状态；

(5.3.2)通过趋势差值m乘以影响系数k，得到实际影响值M；

(5.3.3)将实际影响值M与最近一次的采集值E相加，得到风扇转速算数值Ez。

8.根据权利要求5所述的实现风扇追转速显示灯光效果的方法，其特征在于，所述的步骤(5.3)中计算控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值Ez，具体为：

根据以下公式计算控制ARGB灯珠进行匹配的风扇转速算数值Ez：

Ez＝((E–e)×k)/100+E；

其中，E为当前采集值，e为最近平均转速，k为影响系数，k的范围为100≥k≥10。

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