CN1212554C - 计算机温控装置及方法 - Google Patents

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Abstract

计算机温度控制的装置和方法，通过CPU温度读取装置定时地读取CPU温度，通过控制装置将该温度与温度阈值进行比较，并根据比较结果输出二个温控电压信号，CPU的风扇控制装置利用其中一个电压信号调节CPU风扇转速，同时通过一个选择器有选择地输出温控电压和与电源内部的测温器测量的电源温度相对应的电压中电压值较大者，通过电源风扇转速控制装置利用输出的较大电压控制电源风扇转速。

Description

计算机温控装置及方法
技术背景
本发明涉及计算机领域，尤其是涉及计算机的温度控制的装置和方法。
发明背景
目前计算机系统的性能越来越高，速度越来越快，同时会产生大量的热，这种热量必须及时地散出去，否则会严重地损伤元件以及影响器件的性能发挥，因此从增加风扇大小及转速等多个方面来提高这种散热效果。但是在提高散热效果的同时，随之而来产生了大量的噪音，在散热与噪音之间出现矛盾。
发明内容
本发明就是针对系统散热与噪音问题而提出的一种系统温控装置及方法，利用BIOS通过定时监测CPU的温度，来实现对CPU风扇和电源风扇的控制，达到在保证CPU工作温度正常情况下最小噪音的目的。
按照本发明的一个方面，提供了一种计算机用温控装置，包括：
CPU温度读取装置，用于读取CPU的温度；
CPU风扇；
控制装置，与CPU温度读取装置相连，从该装置接收指示CPU温度的信号，并根据该信号输出二个温控信号；
与CPU风扇和控制装置连接的CPU风扇转速控制装置，用于根据从控制装置接收的一个温控信号调节CPU风扇的转速；
与控制装置连接的外部电源风扇转速控制装置，用于根据控制装置输出的另一个温控信号输出一个外部电源风扇控制信号；
计算机电源，包括：
电源测温器，用于检测电源本身的温度：
计算机电源风扇；
与电源测温器连接的内部电源风扇转速控制装置，用于根据电源测温器提供的信号输出一个内部电源风扇控制信号；
选择器，与内部电源风扇转速控制装置和外部电源风扇转速控制装置连接，用于输出内部电源风扇控制信号与外部电源风扇控制信号二者中电压值较大者作为计算机电源风扇的温控电压信号给电源风扇来控制电源风扇转速。
较佳地，CPU风扇的控制电压信号取值是介于0伏与CPU风扇最大额定电压之间的多个离散值，外部电源风扇控制信号取值是介于0伏与电源风扇最大额定电压之间的多个离散值。
按照本发明的另一方面，提供了一种实现计算机温度控制的方法，包括步骤：通过CPU温度读取装置定时地读取CPU温度：通过控制装置将该温度与一预设的温度阈值进行比较，并根据比较结果输出二个温控信号；CPU的风扇控制装置利用一个温控信号调节CPU风扇转速；通过一个外部电源风扇转速控制装置将来自控制装置的信号转换成一个外部电源风扇控制信号：利用电源内的测温器测量电源本身温度并通过电源内部的电源风扇转速控制装置输出一个内部电源风扇控制信号；通过一个选择器有选择地输出内部电源风扇控制信号与外部电源风扇控制信号中电压值较大者作为计算机电源风扇的温控电压信号给电源风扇，由此来控制电源风扇转速。
较佳地，所述的阈值是使温控状态进入相邻的下一状态的阈值温度。
较佳地，CPU风扇控制信号的取值是介于0伏与CPU风扇最大额定电压之间的多个离散值，外部电源风扇控制信号的取值是介于0伏与电源风扇最大额定电压之间的多个离散值。
利用本发明的装置和方法，能够很好地解决系统中散热和噪音不和谐共存的矛盾，使计算机系统能够在满足散热的同时达到非常低的噪音效果。
附图说明
图1是构成本发明的温控装置的方框图；
图2是表示系统温控状态图；
图3是电源本身的温控曲线图；
图4是实现选择器的电路图；
图5是表示系统温控状态的过程的流程图；
图6是按照本发明的一个实施例采用的CPU温度读取电路的示意图。
具体实施方式
如图1所示，是实现本发明的计算机温度控制装置的方框图，为了达到温控的目的，在计算机内部包括有：控制装置1，用于控制CPU风扇与电源风扇转速；CPU温度读取装置2；CPU风扇3；CPU风扇转速控制装置4；计算机电源5，其中在计算机电源5内部包括有：计算机电源风扇51，内部电源风扇转速控制装置52，选择器53，电源测温器54；外部电源风扇转速控制装置6。
上述的控制装置1可利用计算机主板上的、存储有控制CPU风扇与电源风扇转速的程序的BIOS来实现，通过定时监测CPU的温度Tj，来实现对CPU风扇3和电源风扇51的控制，达到在保证CPU工作温度正常情况下最小噪音的目的。如图1所示，CPU温度读取装置2定时地读取CPU的温度并提供给BIOS1，BIOS1根据监测得到的CPU温度而相应地输出二个温控信号并分别提供给CPU风扇转速控制装置4和外部电源风扇转速控制装置6，其中CPU风扇转速控制装置4根据来自BIOS1的信号而输出一个压控信号Vcpufan来控制CPU风扇3以相应的转速旋转；而外部电源风扇转速控制装置6根据BIOS1输出的信号而输出一个外部电源风扇控制信号Vpwfan，并提供给计算机电源5内部的选择器53；该选择器53还接收由内部电源风扇转速控制装置52根据电源测温器54测量的电源实际温度而输出的内部电源风扇转速控制信号Vpw，并输出转速控制信号Vpwpan和Vpw中电压值较大者Vfan给电源风扇51，控制风扇51的转速。
下面详细描述有关实现本发明的温控方案：
1.使CPU温度读取装置2定时读取CPU温度Tj，时间间隔可设定为Tm。由于温度变化相对比较缓慢，Tm的设定为秒级即可。在图6中示出了本发明采用的CPU温度读取装置2的一个实施电路示意图，由于在该技术领域实现温度读取的电路是众所周知的技术，因此在此略去对该图的说明；
2.设定BIOS1通过CPU风扇转速控制装置4给CPU风扇3的控制电压Vcpufan为多档控制，对应不同的Tj，BIOS1给出相应档次的CPU风扇控制电压Vcpufan，其中Vcpufan的取值范围是0-Vcpufanmax，Vcpufanmax，是CPU风扇3的最大额定控制电压。在本实施例中，将CPU风扇3的控制电压分为两档(8V，12V)。由于CPU在运行时发热的动态变化较大，且CPU对热比较敏感，故将CPU风扇3停转是危险的。设定为最低8V能够保证CPU在低温下的散热需求，又在一定程度上保证了CPU的动态温升不致过高。CPU风扇3的二档控制简单可靠，不会对系统产生太大的影响。
3.设定BIOS1通过外部电源风扇转速控制装置6给电源风扇51的控制电压Vpwfan为多档控制，对应不同的Tj，BIOS1给出不同档次的控制电压Vpwfan，且Vpwfan的取值范围是0-Vpwfanmax，Vpwfanmax是电源风扇51的最大额定控制电压。在本实施例中，设定电源风扇51的控制电压为三档控制(0V，8V，12V)。电源风扇51的分档控制比曲线控制简单，可靠。由于电源风扇51同时又起到给系统及电源散热的作用，故由系统来参与控制电源风扇转速是合理的。由于电源本体的温度耐受度较好，且系统温升较慢，为小时的量级，故电源风扇51的0转速是可行的，也是可靠的，不会发生突然的温升而烧毁系统中的其他器件。8V档位的设计也是合理的，当系统温度升高但并不至太高时，将风扇51打开并在8V下低转速能够有效地解决散热问题，同时又不致于带来太大的噪音增加。
4.定义系统状态(命名为S)有如下几种情况(电源风扇，CPU风扇)：(0V，8V)，(8V，8V)，(8V，12V)，(12V，12V)，可分别将状态命名为KS0，KS1，KS2，KS3。
定义温度域值如下：Ts1，Ts2，Ts3，分别代表系统状态的三个切换温度。
系统温度状态控制参见图2，图2是实现系统温控状态图，其中上图是温度上升时的控制状态，而下图表示温度下降时的控制状态，为防止系统温度出现较快振荡，在下降曲线中将温度控制设计成施密特曲线，定义施密特参数为Tt。
图5是实现系统温控状态的流程图。参见图5，首先，在步骤S1，BIOS1读取系统当前的温控状态并假定为KSn，在步骤S2 BIOS1获取CPU的温度Tj，并在步骤S3与温控状态中下一个状态KSn+1的阈值温度Tsn+1进行比较，如果温度Tj超过了Tsn+1，则在步骤S4系统温控状态进入下一个状态KSn+1；否则，控制程序返回到步骤S2，继续定时地读取CPU温度Tj。以下是实现控制曲线的逻辑程序：
如果(S＝＝KS0&&Tj＞Ts1)S＝KS1；
如果(S＝＝KS1&&Tj＞Ts2)S＝KS2；
如果(S＝＝KS2&&Tj＞Ts3)S＝KS3；
系统温度下降状态的控制与上升状态基本类似，区别在于，当温控状态从高温度状态KSn+1进入到低温度状态KSn的阈值温度是Tsn+1-Tt，而不是Tsn+1。以下是实现该控制曲线的逻辑程序：
如果(S＝＝KS3&&Tj＜TS3-Tt)S＝KS2；
如果(S＝＝KS2&&Tj＜TS2-Tt)S＝KS1；
如果(S＝＝KS1&&Tj＜TS1-Tt)S＝KS0；
上面是在BIOS1中的系统温控方案。上面定义的电源风扇51转速的电压Vpwfan只是一个相对理想的系统输出电压，并不真是的电源风扇51转速。真正的电源风扇51的转速由电源本体中的电源测温器54与主板中的BIOS1共同控制。电源控制方案设计如下：
调整电源内部的温度控制曲线改为分档控制，同样定义为：0V，8V，12V。此转速控制是通过电源测温器54监测电源内部的温度Tp，进而控制电源风扇51转速。定义两个温度域值为Tp1，Tp2，并且该电源内部本身的温控曲线见图3。在图3中，Vpw是电源本体对电源风扇51的理想控制电压，实际的电源风扇电压由电源本体的Vpw与BIOS提供的电源风扇控制电压Vpwfan共同控制，其控制逻辑如下：
Vfan＝Max(Vpw，Vpwfan)
图4示出了实现该逻辑的电路。从该电路图中可以看出，由两个二极管构成的钳位电路将Vpw和Vpwfan中电压值较大的一个Vfan输出给电源风扇。
以上的电源风扇51控制方案既保证了系统散热的需求，也保证了电源本体自身散热的需求，对电源和系统来说都是安全的，不会带来其他负面的影响。
上面详述了系统温控策略的实现原理及方式，并提出了几个公式及控制曲线。下面分析一下各参数的选取方法与初步设定值及其意义。
1.采样时间Tm的确定。
采样时间决定了系统对散热的响应敏感度，也会影响系统中各风扇的最小开关时间。由于温度变化是一个比较缓慢的过程，同时CPU风扇又不会停转，CPU的最小散热得到了保证，故可以设计采样时间为秒级。可以定义Tj的采样周期Tm为8秒。此采样周期由BIOS1截获SMI中断获得，由于BIOS1中只需要简单地读取Tj并进行几个比较及输出，不会影响时钟中断的工作，也不会影响系统时钟的准确性。
2.Ts1，Ts2，Ts3的确定
这三个参数的确定是非常重要的，它决定了系统的几种噪音状态的不同温度范围。其中，Ts1是系统(0V，8V)到(8V，8V)状态的切换温度，其含义是CPU风扇3低转，电源风扇51从停转到低转的切换温度，也是最低系统散热状态下的最高允许温度。Ts2是系统(8V，8V)到(8V，12V)状态的切换温度，其含义是电源风扇51低转，CPU风扇3从低转到高转的切换温度。Ts3是系统(8V，12V)到(12V，12V)状态的切换温度，其含义是CPU风扇3高转，电源风扇51从低转到高转的切换温度，也是系统启动最大散热状态的最低温度。
下表是Intel的P4的温度参数，
    CPU类型     Tc
    Willamette-478 1.3G     70
    Willamette-478 1.4G     71
    Willamette-478 1.5G     73
    Willamette-478 1.6G     74
    Willamette-478 1.7G     75
    Willamette-478 1.8G     76
    Willamette-478 1.9G     72
    Willamette-478 2.0G     73
    Willamette-478 2.2G     63
    Willamette-478 2.4G     66
    Willamette-478     70
可以明确的看出，Willamette的P4温度允许值Tc最低为70度，而Northwood由于更换了制造工艺，温度值Tc降到了63度，故与Willamette的参数存在很大的差别。这样，可以明确，系统温控对Willamette与Northwood将采用不同的设定值。对于Willamette来说，Tc最低为70度，实测的Tj会比Tc高1度左右，故Tj极值为71度。考虑到Tj的测试误差为±3度，并考虑安全性并留较大的裕量，可以初步设定Ts3为60度。这样，使CPU的Tj在60度时就启动最大散热模式，保证了系统的散热。
Ts2代表了电源风扇51低转，CPU风扇3从低转到高转的切换温度，它代表着在CPU存在短期温升时CPU风扇3需要满转的温度，参考Ts3的温度设定，可设定Ts2为50度。
Ts1代表了系统的最低散热状态下的温度最高允许值，考虑到在25度常温，系统在Desktop的应用环境下，此时的Tj应小于Ts1。考虑到系统的内部温升及CPU的最小发热量，可设定Ts1为40度。
3.Tt的确定
Tt是为防止系统温度出现较快振荡而设计的施密特参数，即上升和下降的温度比较差值。可设定为Tt＝＝3。
4.Tp1，Tp2的设定
由于Tp1，Tp2是电源内部的温度，与其监测点在电源5内部的位置有关，不同的电源会有不同。故此参数不由系统决定，而是由电源厂家自行决定。决定的原则为Tp2是为防止电源本体5的温度过高时的风扇最低打开温度，Tp1为在25度常温下电源本体5的无风扇散热的最大温度允许值。如电源的温度传感器反映电源内空气温度，可建议Tp2＝55度，Tp1＝40度。
上面初步设定了几个参数的初值，具体数值还需要测试决定。下面是测试的原则及要达成的效果。
1.系统在25度常温下，Win98的桌面状态，无应用程序运行时，系统应处于KSO状态。
2.系统在25度常温下，系统在Win98下运行3DMark2000的Demo，系统应处于KS1或KS0状态。
3.系统在35度高温下，系统在Win98下运行3DMark2000的Demo，系统应处于KS2或KS1状态。
4.系统在35度高温下，运行MaxPower75％，，系统应处于KS3状态。
在每一个不同的系统中，需要根据以上的原则进行测试，并结合初值的设定原则，决定Ts1，Ts2，Ts3的最后数值。
为了方便测试，需要在BIOS中的Setup里预留系统温控的选项，包括Enable/Disable(启动/关断)，Ts1设定，Ts2设定，Ts3设定。Ts1，Ts2，Ts3的设定范围均为30度至65度，温度梯度为2度。在系统评测完成后，在销售计算机之前需屏蔽掉Ts1，Ts2，Ts3的设定，仅留系统温控的Enable/Disable选项。
上面叙述了系统温控的实现方法，我们可以很简单地预估一下它的噪音控制效果。假设在无系统温控时系统的满载噪音为35dB，即KS3为35dB。可很容易地测试出其他各状态的噪音值。先估算一下，由于KS2状态是将电源风扇变为低转，可估计为KS2＝32dB，其它同理可估计为KS1＝30dB，KS0＝27dB。
如果上述测试要求能够满足，就可以看到，在常温下运行3D等大型游戏软件时系统噪音将控制在30dB左右，效果非常明显。
下面再分析一下实行系统温控可能会遇到的几个问题。
1.机型的配合
理论上系统温控方案应对每一个机型定制方案，其实也就是对Ts1，Ts2，Ts3的选择需重新设定。对于同一机型中的不同主板，虽然BIOS会有不同，但温控参数应是相同的。
2.CPU的升级问题
对于Northwood与Willamette这样大的CPU切换动作，系统温控是一定需要重新设定参数的。但对于Willamette系列的常规CPU升级，可采用分档的方法。比如1.5G到1.8G都采用1.8G的散热片及参数，而1.9G与2.0G都采用2G的散热片及参数。
3.散热片选择问题
对于同一频率CPU的不同散热片的选择，问题并不大。只要散热片能够符合散热的要求，不同的散热片最多会带来不同的噪音效果，这与不采用系统温控是一样的。但需注意的是，需要测试散热片上的风扇在8V状态下的转速稳定度及其散热噪音效果。只要通过了8V的稳定度试验，此散热片即可应用在系统中。
以上针对具体的实施例描述了本发明，本技术领域内的人可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化、修改，且均在本发明的范围内。例如，在本实施例中，对CPU风扇3的控制采用(8V，12V)的二档控制，但可以想到，也可以采用三档或更多档次的其它电压控制，以实现更好的散热静音效果。同样对于电源风扇也可以采用多于或少于三档的其它电压控制，且这些变化均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1、一种计算机用温控装置，包括：
CPU温度读取装置，用于读取CPU的温度；
CPU风扇；
控制装置，与CPU温度读取装置相连，从该装置接收指示CPU温度的信号，并根据该信号输出二个控制信号；
与CPU风扇和控制装置连接的CPU风扇转速控制装置，用于根据从控制装置接收的控制信号而输出一个CPU风扇控制信号(Vcpufan)来调节CPU风扇的转速；
与控制装置连接的外部电源风扇转速控制装置，用于根据控制装置输出的另一个控制信号输出一个外部电源风扇控制信号(Vpwfan)；
计算机电源，包括：
电源测温器，用于检测电源本身的温度；
计算机电源风扇；
与电源测温器连接的内部电源风扇转速控制装置，用于根据电源测温器提供的信号输出一个内部电源风扇控制信号(Vpw)；
选择器，与内部电源风扇转速控制装置和外部电源风扇转速控制装置连接，用于输出内部电源风扇控制信号(Vpw)与外部电源风扇控制信号(Vpwfan)二者中电压值较大者作为计算机电源风扇的温控电压信号给电源风扇来控制电源风扇转速。
2、如权利要求1所述的装置，其中所述的控制装置是计算机主板上的BIOS控制器。
3、如权利要求1或2所述的装置，其中CPU风扇控制信号(Vcpufan)取值是介于0伏与CPU风扇最大额定电压之间的多个离散值，外部电源风扇控制信号(Vpwfan)取值是介于0伏与电源风扇最大额定电压之间的多个离散值。
4、如权利要求3所述的装置，其中CPU风扇控制信号(Vcpufan)取值范围是(8V，12V)，外部电源风扇控制信号(Vpwfan)取值范围是(0V，8V，12V。)。
5、一种实现计算机温度控制的方法，包括：
1)通过CPU温度读取装置定时地读取CPU温度；
2)通过控制装置将该温度与温度阈值进行比较，并根据比较结果输出二个温控信号给CPU风扇转速控制装置和外部电源风扇转速控制装置；
3)CPU的风扇转速控制装置利用来自控制装置的温控信号通过输出一个CPU风扇转速控制信号(Vcpufan)来调节CPU风扇转速；
4)通过一个外部电源风扇转速控制装置将来自控制装置的温控信号转换成一个外部电源风扇控制信号(Vpwfan)；
5)利用电源内的测温器测量电源本身温度并通过电源内部的电源风扇转速控制装置输出一个内部电源风扇控制信号(Vpw)；
6)通过一个选择器有选择地输出外部和内部电源风扇控制信号(Vpwfan，Vpw)中电压值较大者作为计算机电源风扇的温控电压信号给电源风扇，由此来控制电源风扇转速。
6、如权利要求5所述的方法，其中步骤2)中所述的阈值是使温控状态进入相邻的下一状态的阈值温度。
7、如权利要求5或6所述的方法，其中CPU风扇控制信号(Vcpufan)取值是介于0伏与CPU风扇最大额定电压之间的多个离散值，外部电源风扇控制信号(Vpwfan)取值是介于0伏与电源风扇最大额定电压之间的多个离散值。
8、如权利要求7所述的方法，其中CPU风扇控制信号(Vcpufan)取值范围是(8V，12V)，外部电源风扇控制信号(Vpwfan)是(0V，8V，12V)。
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