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　　隨著IT產業的迅速發展,用在電子產品上的帶PWM控制的小型直流散熱風扇(以下簡稱風扇)的需求量越來越大。這一類直流風扇在出廠前需進行性能測試,也就是對風扇所用的微型直流電機的電流和轉速進行測試。具體的方式是給風扇提供多種占空比的PWM控制信號,在不同的占空比下分別測試風扇的電流和轉速。傳統的測試方法需采用多臺通用儀器:用信號發生器提供風扇所需的PWM信號,通過電阻采樣風扇的電流,并送電壓表頭顯示,使用光電感應的方法測轉速,通過示波器觀察波形。采用傳統方法,就必須在生產線上設置多個測試工位,每個測試工位只能測量一種占空比下PWM信號控制的風扇電流和轉速。因此,每個測試工位都要配備測試員和整套的測試儀器,使得成本很高。更重要的問題是測試效率低,這是因為要完成一個風扇的測試必須經過多個工位,每個工位測試時都要插拔風扇的接線,導致測試效率很低。傳統的測試方法已成為直流風扇制造環節的瓶頸,生產企業越來越迫切地需要一種專用的自動化測試系統來提高測試效率。針對這種狀況,研制了一種基于TI公司的DSP控制器TMS320F2812A的新型直流風扇自動測試系統。該系統給風扇提供各種占空比的PWM控制信號,通過DSP自帶的A/D通道采樣風扇的電流信號和OP(Output Pulse)信號,計算出風扇的電流和轉速,送到液晶屏上顯示,同時還通過CAN總線送到上位機保存和分析。此系統可同時測試四個風扇,在一個工位上一次接線就能完成所有占空比下的電流和轉速的測試,實現了直流風扇的一站式測試,大大提高了測試效率。

　　1 TMS320F2812A簡介

　　TMS320F2812A(以下簡稱F2812A)是TI公司的TMS320C2000系列DSP控制器中最新也是性能最好的一種。其性能為:32bit處理器精度,最高主頻150MHz,128K×16bit FLASH,18K×16bit SRAM,高達56個通用I/O引腳。F2812A有兩個事件管理器模塊,片上資源非常豐富,不需擴展很多外設。F2812A帶有16路12位的高速A/D轉換器,輸入模擬電壓范圍是0～3V,最高采樣率為12.5MSPS,自動排序器可以提供高達16路的通道自動切換,也可以分成兩個獨立的8通道自動切換。F2812最多可提供16路PWM波形輸出,支持SCI、SPI、MCBSP、eCAN 等多種通信方式[1]。

　　2 系統硬件組成

　　該測試系統的硬件結構框圖如圖1所示,可以同時測試四個風扇。硬件部分主要包括:風扇的電流和輸出脈沖(OP)的信號采集和信號調理電路、PWM輸出電路、啟動上電電路、CAN通信和鍵盤顯示接口等部分。當F2812控制器接收到啟動信號時,通過通用I/O(GPIO)口給風扇加電,同時通過F2812片內的PWM模塊輸出占空比可調的矩形波信號控制風扇的轉速。風扇的電流信號和OP信號經過信號調理電路進入到F2812的片內A/D轉換器,轉換成數字信號供DSP處理。DSP計算出來的電流和轉速值顯示在液晶顯示器上,同時通過CAN總線傳送到上位機進行保存和分析。鍵盤的作用是輸入測試參數,包括PWM信號的占空比、轉速和電流的上下限參數等。

圖1 測試系統硬件結構框圖

　　2.1 風扇電流和OP信號的采集調理電路

　　F2812A帶有16路12位的高速A/D轉換器,輸入模擬電壓范圍為0～3V,最高采樣率為12.5MSPS。本系統所檢測的風扇的電流會因型號不同而差別很大,小到幾十毫安,大到二、三安培。如采用常用的串精密電阻采樣的方法,當被測電流較大時,電阻的壓降對電路的帶負載能力會產生較大的影響;當被測電流很小時,電阻上產生的壓降又太小,會直接影響測量的精度,所以這種采用串電阻直接測量的方法很難滿足直流風扇測試的要求。

　　在本系統中,采用了美國MAXIM公司的雙向精密電流傳感放大器MAX471。MAX471內置35mΩ的精密傳感電阻,可測量的電流范圍是±3A,其響應時間、速度和漂移等指標均很理想,可以適應3A以內的各種規格直流風扇的電流測量。MAX471的原理框圖[2]如圖2所示。電流信號通過RS+和RS-輸入到MAX471的采樣電阻RSENSE上,MAX471通過一個2kΩ的輸出電阻將電流轉換成0～3V的電壓信號,直接送到DSP的A/D轉換器中。

　　OP信號是從風扇直接輸出的一串方波信號,其頻率和風扇的轉速成正比,用于檢測風扇的轉速。OP信號是電壓信號,經電阻分壓轉換到0～3V內,然后經過一個電壓跟隨器傳送到DSP的A/D輸入端。

圖2 MAX471的原理框圖

　　2.2 PWM輸出信號驅動電路

　　F2812A片內的事件管理器模塊可以提供多達16路的PWM輸出信號,最小的死區時間寬度是一個CPU時鐘周期,最小的PWM脈沖寬度和脈寬的增減量為一個CPU時鐘周期,可以很方便地用來控制風扇的直流電機[3]。由于風扇要求的PWM控制信號的幅值是5～10V,因此從DSP輸出的PWM信號還需經過一個高速開關管反向器升壓后送至風扇的PWM控制端。

　　2.3 啟動上電電路

　　F2812A片內有56個通用I/O引腳,通過I/O復用控制寄存器來選擇是引腳的基本功能還是通用I/O功能,通過數據和方向控制寄存器控制雙向I/O引腳的數據和數據方向。按鍵信號經施密特觸發器74LVC14去抖動后送入通用I/O引腳,F2812A檢測到該按鍵信號后,從另一個通用I/O引腳輸出一個控制信號給三極管驅動的繼電器,為風扇加電,啟動測試過程。

　　2.4 CAN通信模塊

　　F2812A片內有增強型CAN控制器模塊,完全兼容CAN2.0B協議,最高傳輸速率為1Mbps[4]。該CAN控制器模塊通過CAN收發器件A82C250驅動后可以掛到CAN總線上。CAN通信模塊電路如圖3所示。

　　2.5 鍵盤和液晶顯示電路(LCD)

　　鍵盤采用標準的PS/2口的小數字鍵盤,用來輸入設置參數。鍵盤和DSP之間采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)作譯碼電路,將鍵盤的掃描碼映射到DSP的I/O擴展地址0x8001。當有鍵按下時,CPLD發送一個中斷信號到DSP,然后DSP從I/O擴展地址0x8001讀取掃描碼。液晶顯示模塊(LCD)和DSP之間通過CPLD譯碼,將命令控制I/O映射到地址0x8001,將數據控制I/O地址映射到0x8003和0x8004。因為LCD是5V器件,所以其8位數據線不能和3.3V的DSP直接相連,需要在數據線上加電平隔離和轉換芯片74LS245。

　　3 軟件設計

　　本系統的軟件流程圖如圖4所示。程序的主流程為:①首先執行系統初始化的工作,即設置寄存器、配置GPIO、定時器、A/D轉換器和外部中斷,并且啟動A/D轉換。②檢測GPIO有沒有啟動信號,從GPIO中檢測到啟動信號后,從另一個GPIO發出控制信號給直流風扇加電。③從A/D轉換器里讀取電流信號數據,再通過求平均值得到風扇的電流值;對OP信號的數據作FFT變換,求出基波的頻率,再根據風扇的具體型號乘以一個系數得到風扇的轉速。④把測試電流和轉速送給LCD顯示,并且通過CAN總線把測試結果傳輸到上位機,以保存和分析測試數據。

圖3 CAN通信模塊電路

圖4 軟件流程圖

　　與LCD相關的程序包括發送控制命令和寫顯示數據兩部分。在使用控制字選擇操作位置(頁數、列數)之后,將數據發送到數據控制I/O口。由于LCD相對于DSP來講是慢速設備,在命令之間需要增加延時語句。

　　除了主程序外,程序中還涉及到一個外部中斷。小鍵盤的操作采用外部中斷方式,當有鍵按下時,DSP接收到一個外部中斷信號,相應地,中斷服務程序從I/O擴展地址0x8001讀取鍵值掃描碼。通過對鍵盤的操作,可以設定輸出占空比,測試電流和轉速的上下限參數等。

　　編程工具采用TI公司的DSP集成開發環境CCS2000,它支持匯編語言和C語言編程。為了保證程序運行效率,核心算法FFT程序和中斷向量表程序采用匯編語言編寫,而其它程序都采用C語言編寫,使本系統軟件具有模塊化、結構化、可移植性好和調試方便的特點。
 
　　在小型直流風扇的性能測試中,以F2812A為核心的自動測試系統能利用DSP的多路模擬量輸入通道和多路PWM輸出通道以及高速計算能力,實現多路信號的實時計算、高效率的準確測試。該測試系統已經在一些小型直流風扇生產廠家中使用,取得了良好的效果。實際應用表明,該系統在性價比、測試速度和可維護性等方面均有明顯的優勢。

　　參考文獻

　　1 TMS320F28x Digital Signal Processor Data Manual(SPRS174K).Texas Instruments, 2004

　　2 MAX472 DATASHEET.MAXIM,1996

　　3 TMS320F28x Event Manager (EV) Peripheral Reference Guide(SPRU065). Texas Instruments,2002

　　4 何蘇勤,王忠勇.TMS320C2000系列DSP原理及實用技術.北京:電子工業出版社,2003