隨著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)稱風(fēng)扇)的需求量越來(lái)越大。這一類直流風(fēng)扇在出廠前需進(jìn)行性能測(cè)試,也就是對(duì)風(fēng)扇所用的微型直流電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試。具體的方式是給風(fēng)扇提供多種占空比的PWM控制信號(hào),在不同的占空比下分別測(cè)試風(fēng)扇的電流和轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的測(cè)試方法需采用多臺(tái)通用儀器:用信號(hào)發(fā)生器提供風(fēng)扇所需的PWM信號(hào),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(yīng)的方法測(cè)轉(zhuǎn)速,通過(guò)示波器觀察波形。采用傳統(tǒng)方法,就必須在生產(chǎn)線上設(shè)置多個(gè)測(cè)試工位,每個(gè)測(cè)試工位只能測(cè)量一種占空比下PWM信號(hào)控制的風(fēng)扇電流和轉(zhuǎn)速。因此,每個(gè)測(cè)試工位都要配備測(cè)試員和整套的測(cè)試儀器,使得成本很高。更重要的問(wèn)題是測(cè)試效率低,這是因?yàn)橐瓿梢粋€(gè)風(fēng)扇的測(cè)試必須經(jīng)過(guò)多個(gè)工位,每個(gè)工位測(cè)試時(shí)都要插拔風(fēng)扇的接線,導(dǎo)致測(cè)試效率很低。傳統(tǒng)的測(cè)試方法已成為直流風(fēng)扇制造環(huán)節(jié)的瓶頸,生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越迫切地需要一種專用的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)來(lái)提高測(cè)試效率。針對(duì)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(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)給風(fēng)扇提供各種占空比的PWM控制信號(hào),通過(guò)DSP自帶的A/D通道采樣風(fēng)扇的電流信號(hào)和OP(Output Pulse)信號(hào),計(jì)算出風(fēng)扇的電流和轉(zhuǎn)速,送到液晶屏上顯示,同時(shí)還通過(guò)CAN總線送到上位機(jī)保存和分析。此系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)試四個(gè)風(fēng)扇,在一個(gè)工位上一次接線就能完成所有占空比下的電流和轉(zhuǎn)速的測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了直流風(fēng)扇的一站式測(cè)試,大大提高了測(cè)試效率。
1 TMS320F2812A簡(jiǎn)介
TMS320F2812A(以下簡(jiǎn)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(dá)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(kuò)展很多外設(shè)。F2812A帶有16路12位的高速A/D轉(zhuǎn)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(dá)16路的通道自動(dòng)切換,也可以分成兩個(gè)獨(dú)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(tǒng)硬件組成
該測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,可以同時(shí)測(cè)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(hào)采集和信號(hào)調(diào)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(dāng)F2812控制器接收到啟動(dòng)信號(hào)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(nèi)的PWM模塊輸出占空比可調(diào)的矩形波信號(hào)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。風(fēng)扇的電流信號(hào)和OP信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入到F2812的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供DSP處理。DSP計(jì)算出來(lái)的電流和轉(zhuǎn)速值顯示在液晶顯示器上,同時(shí)通過(guò)CAN總線傳送到上位機(jī)進(jìn)行保存和分析。鍵盤(pán)的作用是輸入測(cè)試參數(shù),包括PWM信號(hào)的占空比、轉(zhuǎn)速和電流的上下限參數(shù)等。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
2.1 風(fēng)扇電流和OP信號(hào)的采集調(diào)理電路
F2812A帶有16路12位的高速A/D轉(zhuǎn)換器,輸入模擬電壓范圍為0～3V,最高采樣率為12.5MSPS。本系統(tǒng)所檢測(cè)的風(fēng)扇的電流會(huì)因型號(hào)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(dāng)被測(cè)電流較大時(shí),電阻的壓降對(duì)電路的帶負(fù)載能力會(huì)產(chǎn)生較大的影響;當(dāng)被測(cè)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(cè)量的精度,所以這種采用串電阻直接測(cè)量的方法很難滿足直流風(fēng)扇測(cè)試的要求。
在本系統(tǒng)中,采用了美國(guó)MAXIM公司的雙向精密電流傳感放大器MAX471。MAX471內(nèi)置35mΩ的精密傳感電阻,可測(cè)量的電流范圍是±3A,其響應(yīng)時(shí)間、速度和漂移等指標(biāo)均很理想,可以適應(yīng)3A以內(nèi)的各種規(guī)格直流風(fēng)扇的電流測(cè)量。MAX471的原理框圖[2]如圖2所示。電流信號(hào)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(zhuǎn)換成0～3V的電壓信號(hào),直接送到DSP的A/D轉(zhuǎn)換器中。
OP信號(hào)是從風(fēng)扇直接輸出的一串方波信號(hào),其頻率和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速成正比,用于檢測(cè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。OP信號(hào)是電壓信號(hào),經(jīng)電阻分壓轉(zhuǎn)換到0～3V內(nèi),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(hào)驅(qū)動(dòng)電路
F2812A片內(nèi)的事件管理器模塊可以提供多達(dá)16路的PWM輸出信號(hào),最小的死區(qū)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(jī)[3]。由于風(fēng)扇要求的PWM控制信號(hào)的幅值是5～10V,因此從DSP輸出的PWM信號(hào)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(nèi)有56個(gè)通用I/O引腳,通過(guò)I/O復(fù)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(shù)據(jù)和方向控制寄存器控制雙向I/O引腳的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)方向。按鍵信號(hào)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(cè)到該按鍵信號(hào)后,從另一個(gè)通用I/O引腳輸出一個(gè)控制信號(hào)給三極管驅(qū)動(dòng)的繼電器,為風(fēng)扇加電,啟動(dòng)測(cè)試過(guò)程。
2.4 CAN通信模塊
F2812A片內(nèi)有增強(qiáng)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(qū)動(dòng)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(pán)和液晶顯示電路(LCD)
鍵盤(pán)采用標(biāo)準(zhǔn)的PS/2口的小數(shù)字鍵盤(pán),用來(lái)輸入設(shè)置參數(shù)。鍵盤(pán)和DSP之間采用復(fù)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(kuò)展地址0x8001。當(dāng)有鍵按下時(shí),CPLD發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)到DSP,然后DSP從I/O擴(kuò)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(shù)據(jù)控制I/O地址映射到0x8003和0x8004。因?yàn)長(zhǎng)CD是5V器件,所以其8位數(shù)據(jù)線不能和3.3V的DSP直接相連,需要在數(shù)據(jù)線上加電平隔離和轉(zhuǎn)換芯片74LS245。
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。程序的主流程為:①首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化的工作,即設(shè)置寄存器、配置GPIO、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器和外部中斷,并且啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。②檢測(cè)GPIO有沒(méi)有啟動(dòng)信號(hào),從GPIO中檢測(cè)到啟動(dòng)信號(hào)后,從另一個(gè)GPIO發(fā)出控制信號(hào)給直流風(fēng)扇加電。③從A/D轉(zhuǎn)換器里讀取電流信號(hào)數(shù)據(jù),再通過(guò)求平均值得到風(fēng)扇的電流值;對(duì)OP信號(hào)的數(shù)據(jù)作FFT變換,求出基波的頻率,再根據(jù)風(fēng)扇的具體型號(hào)乘以一個(gè)系數(shù)得到風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。④把測(cè)試電流和轉(zhuǎn)速送給LCD顯示,并且通過(guò)CAN總線把測(cè)試結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī),以保存和分析測(cè)試數(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)兩部分。在使用控制字選擇操作位置(頁(yè)數(shù)、列數(shù))之后,將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)控制I/O口。由于LCD相對(duì)于DSP來(lái)講是慢速設(shè)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(dāng)有鍵按下時(shí),DSP接收到一個(gè)外部中斷信號(hào),相應(yīng)地,中斷服務(wù)程序從I/O擴(kuò)展地址0x8001讀取鍵值掃描碼。通過(guò)對(duì)鍵盤(pán)的操作,可以設(shè)定輸出占空比,測(cè)試電流和轉(zhuǎn)速的上下限參數(shù)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(yùn)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(tǒng)軟件具有模塊化、結(jié)構(gòu)化、可移植性好和調(diào)試方便的特點(diǎn)。
在小型直流風(fēng)扇的性能測(cè)試中,以F2812A為核心的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)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(jì)算能力,實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的實(shí)時(shí)計(jì)算、高效率的準(zhǔn)確測(cè)試。該測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)在一些小型直流風(fēng)扇生產(chǎn)廠家中使用,取得了良好的效果。實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)在性價(jià)比、測(cè)試速度和可維護(hù)性等方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)。