隨著(zhù)IT產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,用在電子產(chǎn)品上的帶PWM控制的小型直流散熱風(fēng)扇(以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)扇)的需求量越來(lái)越大。這一類(lèi)直流風(fēng)扇在出廠(chǎng)前需進(jìn)行性能測試,也就是對風(fēng)扇所用的微型直流電機的電流和轉速進(jìn)行測試。具體的方式是給風(fēng)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(fēng)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(fā)生器提供風(fēng)扇所需的PWM信號,通過(guò)電阻采樣風(fēng)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(guò)示波器觀(guān)察波形。采用傳統方法,就必須在生產(chǎn)線(xiàn)上設置多個(gè)測試工位,每個(gè)測試工位只能測量一種占空比下PWM信號控制的風(fēng)扇電流和轉速。因此,每個(gè)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(wèn)題是測試效率低,這是因為要完成一個(gè)風(fēng)扇的測試必須經(jīng)過(guò)多個(gè)工位,每個(gè)工位測試時(shí)都要插拔風(fēng)扇的接線(xiàn),導致測試效率很低。傳統的測試方法已成為直流風(fēng)扇制造環(huán)節的瓶頸,生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越迫切地需要一種專(zhuān)用的自動(dòng)化測試系統來(lái)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(fēng)扇自動(dòng)測試系統。該系統給風(fēng)扇提供各種占空比的PWM控制信號,通過(guò)DSP自帶的A/D通道采樣風(fēng)扇的電流信號和OP(Output Pulse)信號,計算出風(fēng)扇的電流和轉速,送到液晶屏上顯示,同時(shí)還通過(guò)CAN總線(xiàn)送到上位機保存和分析。此系統可同時(shí)測試四個(gè)風(fēng)扇,在一個(gè)工位上一次接線(xiàn)就能完成所有占空比下的電流和轉速的測試,實(shí)現了直流風(fēng)扇的一站式測試,大大提高了測試效率。

　　1 TMS320F2812A簡(jiǎn)介

　　TMS320F2812A(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(gè)通用I/O引腳。F2812A有兩個(gè)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(dòng)排序器可以提供高達16路的通道自動(dòng)切換,也可以分成兩個(gè)獨立的8通道自動(dòng)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(shí)測試四個(gè)風(fēng)扇。硬件部分主要包括:風(fēng)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(dòng)上電電路、CAN通信和鍵盤(pán)顯示接口等部分。當F2812控制器接收到啟動(dòng)信號時(shí),通過(guò)通用I/O(GPIO)口給風(fēng)扇加電,同時(shí)通過(guò)F2812片內的PWM模塊輸出占空比可調的矩形波信號控制風(fēng)扇的轉速。風(fēng)扇的電流信號和OP信號經(jīng)過(guò)信號調理電路進(jìn)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(lái)的電流和轉速值顯示在液晶顯示器上,同時(shí)通過(guò)CAN總線(xiàn)傳送到上位機進(jìn)行保存和分析。鍵盤(pán)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(fēng)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(fēng)扇的電流會(huì )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(shí),電阻的壓降對電路的帶負載能力會(huì )產(chǎn)生較大的影響;當被測電流很小時(shí),電阻上產(chǎn)生的壓降又太小,會(huì )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(mǎn)足直流風(fēng)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(shí)間、速度和漂移等指標均很理想,可以適應3A以?xún)鹊母鞣N規格直流風(fēng)扇的電流測量。MAX471的原理框圖[2]如圖2所示。電流信號通過(guò)RS+和RS-輸入到MAX471的采樣電阻RSENSE上,MAX471通過(guò)一個(gè)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(fēng)扇直接輸出的一串方波信號,其頻率和風(fēng)扇的轉速成正比,用于檢測風(fēng)扇的轉速。OP信號是電壓信號,經(jīng)電阻分壓轉換到0～3V內,然后經(jīng)過(guò)一個(gè)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(dòng)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(shí)間寬度是一個(gè)CPU時(shí)鐘周期,最小的PWM脈沖寬度和脈寬的增減量為一個(gè)CPU時(shí)鐘周期,可以很方便地用來(lái)控制風(fēng)扇的直流電機[3]。由于風(fēng)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(jīng)過(guò)一個(gè)高速開(kāi)關(guān)管反向器升壓后送至風(fēng)扇的PWM控制端。

　　2.3 啟動(dòng)上電電路

　　F2812A片內有56個(gè)通用I/O引腳,通過(guò)I/O復用控制寄存器來(lái)選擇是引腳的基本功能還是通用I/O功能,通過(guò)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(jīng)施密特觸發(fā)器74LVC14去抖動(dòng)后送入通用I/O引腳,F2812A檢測到該按鍵信號后,從另一個(gè)通用I/O引腳輸出一個(gè)控制信號給三極管驅動(dòng)的繼電器,為風(fēng)扇加電,啟動(dòng)測試過(guò)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(xié)議,最高傳輸速率為1Mbps[4]。該CAN控制器模塊通過(guò)CAN收發(fā)器件A82C250驅動(dòng)后可以?huà)斓紺AN總線(xiàn)上。CAN通信模塊電路如圖3所示。

　　2.5 鍵盤(pán)和液晶顯示電路(LCD)

　　鍵盤(pán)采用標準的PS/2口的小數字鍵盤(pán),用來(lái)輸入設置參數。鍵盤(pán)和DSP之間采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)作譯碼電路,將鍵盤(pán)的掃描碼映射到DSP的I/O擴展地址0x8001。當有鍵按下時(shí),CPLD發(fā)送一個(gè)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(guò)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L(cháng)CD是5V器件,所以其8位數據線(xiàn)不能和3.3V的DSP直接相連,需要在數據線(xiàn)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(shí)器、A/D轉換器和外部中斷,并且啟動(dòng)A/D轉換。②檢測GPIO有沒(méi)有啟動(dòng)信號,從GPIO中檢測到啟動(dòng)信號后,從另一個(gè)GPIO發(fā)出控制信號給直流風(fēng)扇加電。③從A/D轉換器里讀取電流信號數據,再通過(guò)求平均值得到風(fēng)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(fēng)扇的具體型號乘以一個(gè)系數得到風(fēng)扇的轉速。④把測試電流和轉速送給LCD顯示,并且通過(guò)CAN總線(xiàn)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(guān)的程序包括發(fā)送控制命令和寫(xiě)顯示數據兩部分。在使用控制字選擇操作位置(頁(yè)數、列數)之后,將數據發(fā)送到數據控制I/O口。由于LCD相對于DSP來(lái)講是慢速設備,在命令之間需要增加延時(shí)語(yǔ)句。

　　除了主程序外,程序中還涉及到一個(gè)外部中斷。小鍵盤(pán)的操作采用外部中斷方式,當有鍵按下時(shí),DSP接收到一個(gè)外部中斷信號,相應地,中斷服務(wù)程序從I/O擴展地址0x8001讀取鍵值掃描碼。通過(guò)對鍵盤(pán)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(kāi)發(fā)環(huán)境CCS2000,它支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)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(yǔ)言編寫(xiě),而其它程序都采用C語(yǔ)言編寫(xiě),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(diǎn)。
 
　　在小型直流風(fēng)扇的性能測試中,以F2812A為核心的自動(dòng)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(shí)現多路信號的實(shí)時(shí)計算、高效率的準確測試。該測試系統已經(jīng)在一些小型直流風(fēng)扇生產(chǎn)廠(chǎng)家中使用,取得了良好的效果。實(shí)際應用表明,該系統在性?xún)r(jià)比、測試速度和可維護性等方面均有明顯的優(yōu)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(shí)用技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社,2003