【導(dǎo)讀】隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)飛速普及，進(jìn)入家家戶戶。PC也是日新月異，各種功能、性能提高速度非?？?。重要的部件之一，它對(duì)于整個(gè)PC機(jī)的性能起著舉足輕重的作用。的重要組成部分。主板上的CPU雖然只有火柴盒大小，但卻是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算。如果把計(jì)算機(jī)比作一個(gè)人，那CPU就是大腦，所有的操作均由。CPU發(fā)出，它是負(fù)責(zé)讀取指令、解碼指令與執(zhí)行命令的核心部件。到CPU的功耗與性能的好壞。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的散熱片加三線散熱風(fēng)。扇已無法滿足需求。用脈寬調(diào)制技術(shù)智能調(diào)節(jié)控制CPU風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，使。的同時(shí)降低CPU溫度。與傳統(tǒng)的CPU風(fēng)扇相比，智能風(fēng)扇能最大程度上實(shí)現(xiàn)無級(jí)。變速，降低能量損耗，減少噪音。與調(diào)節(jié)的有關(guān)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。

　　

【正文】 架構(gòu)的原包風(fēng)扇中采用的 PWM 溫控風(fēng)扇的 PWM 信號(hào)線。改進(jìn)后的 4pin 插座如圖 所示。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 圖 4pin CPU FAN 插座及各 pin 的功能 從針腳定義上來看，這種 4 針設(shè)計(jì)，的前 3 針的定義和上一代是一樣的，區(qū)別就是多了一根轉(zhuǎn)速控制線。 這 4 根線的顏色是不同的，每種顏色代表的含義見表 [10]： 表 4pin CPU FAN 插座及各 pin 的顏色 針角 功能 顏色 1 GND（接地） 黑 2 12V（電源） 黃 3 Sense (轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè) ) 藍(lán) 4 Control(轉(zhuǎn)速控制 ) 綠 PWM溫控風(fēng)扇原理 由上文可知，要控制 CPU 的溫度， 就要調(diào)節(jié) CPU FAN 的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算式 為： ?kiRUn ?? （ ） 其中 U 為電樞端電壓， i 為電樞電流， R 為電樞電路總電阻， φ 為每極磁通量， K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 常用的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種，分別為：調(diào)節(jié) 電 樞供電電壓；減弱勵(lì)磁磁通；改變電樞回路總電阻。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能平滑高速，但高速 范圍不大 [11]。 本文中提到的 PWM 技術(shù)就是通過調(diào)節(jié)電壓方波的占空比的大小來調(diào)節(jié)平均電壓的大小，從而控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。 直流電機(jī)機(jī)械特性曲線如 圖 所示 ： 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 nn0n0 1n0 2n0 3TT0UNU1U2U3 圖 直流電機(jī)機(jī)械特性曲線 在具有 PWM 智能風(fēng)扇 功能的主板上，除了原先的測(cè)溫電路之外，多了一個(gè) PWM的控制芯片，他的作用是根據(jù)測(cè)溫電路測(cè)得的 CPU 溫度，發(fā)出 具有 不同占空比的 PWM脈沖信號(hào)。這個(gè)脈沖是一種方波，在一個(gè)周期內(nèi)，此方波信號(hào)的高電平時(shí)段占整個(gè)周期的比例，我們稱之為占空比 [12]（ Duty Cycle） 。 TTDC on? () 其中 ， Ton 為信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間， T 為信號(hào)的周期。 整個(gè)周期都是高電平信號(hào)，則占空比為 100%，反之占空比為零。最簡(jiǎn)單的 PWM 溫控電路，在風(fēng)扇的電路板上多了個(gè)控制電路，我們把它簡(jiǎn)單的理解為一個(gè)三極管，其中一級(jí)和 PWM 的方波脈沖連接，這個(gè)級(jí)上如果出現(xiàn)高電平，則三極管另外兩極處于導(dǎo)通狀態(tài)，如果是低電平，則另外兩極處于斷開狀態(tài)。如果發(fā)出的方波脈沖信號(hào)的占空比為 50%，即高電平信號(hào)占一個(gè)周期的一半時(shí)間，那么此三極管在一個(gè)周期內(nèi)就有一半時(shí)間處于導(dǎo)通狀態(tài)。通過此三極管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短，我們很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。 如果 PWM 的方波脈沖信號(hào)的占空比可以做到多種級(jí)別，那么風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也可以做到多種級(jí)別。以上就是最簡(jiǎn)單的 PWM 智能溫控風(fēng)扇的原理，其中很多地方都簡(jiǎn)化了，在實(shí)際中，不是一個(gè)三極管這么簡(jiǎn)單，還有一個(gè)另外的電路和芯片負(fù)責(zé)此功能，但是其原理都是類似的。 這個(gè)芯片的內(nèi)容 將在后面講到。 最后，有一點(diǎn)需要注意。此溫控風(fēng)扇的 控制 信息來源是主板的測(cè)溫電路。但是我們知道，目 前各個(gè)廠家在測(cè)溫時(shí)候的誤差有大有小，溫度的補(bǔ)償也不一樣。比 如我 知道的865PE 主板，華碩的測(cè)溫就比 Intel 原包的低 45 度。所以，相同的風(fēng)扇，上到不同的主板上，可能帶來的最低轉(zhuǎn)速不盡相同。這也是目前 Intel 最頭疼的事情。至少，由富士武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 康代工的 Intel 原包主板相對(duì)更接近真實(shí)的 CPU 表面溫度一些。在 各種 品牌電腦中，各家的產(chǎn)品都會(huì)根據(jù)自己的機(jī)箱的情況讓主板供應(yīng)商提供合適的最低占空比，以及溫度補(bǔ)償。 2020 年底， Intel 推出了新的 LGA 775 P4 CPU，但它的功耗高，發(fā)熱量大，所需的散熱器也要搭配有高 轉(zhuǎn)速風(fēng)扇，但高轉(zhuǎn)速風(fēng)扇必然帶來很大的噪音。智能溫控風(fēng)扇技術(shù)的推出就是來解決這個(gè)問題，它以實(shí)時(shí) 準(zhǔn)確 的溫控調(diào)速，緩解了 LGA 775 散熱器所帶來的高噪音。這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于大多數(shù)支持 LGA 775 CPU 的主板上。這種智能調(diào)速風(fēng)扇的官方名稱為 4 針脈寬調(diào)節(jié)風(fēng)扇，英文名是 4Wire Pulse Width Modulation (PWM) Controlled Fans。它的原理是通過 CPU 內(nèi)部感應(yīng)器感知 CPU 的功耗及溫度，通過相關(guān)芯片及 PWM 脈寬調(diào)節(jié)式電子開關(guān)電路對(duì)風(fēng)扇供電的脈沖頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇調(diào) 速。這種調(diào)速技術(shù)相比老式的調(diào)電壓和調(diào)電流控制有著電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，感應(yīng)靈敏，控制精確和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。 利用電子開關(guān)將直流斬波成一定頻率的方波，調(diào)節(jié)方波的寬度以改變輸出電壓或電流。在實(shí)際應(yīng)用中，這種調(diào)節(jié)是由 CPU 和風(fēng)扇協(xié)作完成的。 CPU 提供溫度功耗等信息給風(fēng)扇，通過風(fēng)扇內(nèi)部集成的芯片及 PWM 調(diào)節(jié)電路進(jìn)行調(diào)速。依據(jù) Intel 標(biāo)準(zhǔn)主板芯片組并不參加調(diào)速過程， BIOS 中的選項(xiàng)只是控制是否打開調(diào)速功能并設(shè)定 CPU 溫度上限。這樣看來，不論是 86 87 91 92 945 和 955 芯片組還是 NVIDIA 的 nForce4 SLi Intel Edition 芯片組，只要是搭配 LGA 775 P4 CPU 的平臺(tái)都可以享受到這項(xiàng)新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的采用即能在能最大化控制噪音的情況下確保 CPU 安全穩(wěn)定。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 6 CPU溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)芯片介紹 在本設(shè)計(jì)中會(huì)應(yīng)用到很多芯片，比較基本的是主板上很重要的 BIOS 芯片 和 SUPER I/O 芯片，還有 4pin 風(fēng)扇中的驅(qū)動(dòng)芯片 LB11961 芯片。下面介紹一下這些芯片的簡(jiǎn)單功能及應(yīng)用。 BIOS 芯片 BIOS 是英文 “ Basic Input Output System” 的縮寫，中文含義是基本輸入輸出系統(tǒng)。其實(shí)，它是一組固化到計(jì)算機(jī)內(nèi)主板上一個(gè) ROM 芯片上的程序，它保存著計(jì)算機(jī)最重要的基本輸入輸出的程序、系統(tǒng)設(shè)置信息、開機(jī)后自檢程序和系統(tǒng)自啟動(dòng)程序。其主要功能是為計(jì)算機(jī)提供最底層的、最直接的硬件設(shè)置和控制，它是連接軟件程序和硬件設(shè)備之間的樞紐，通俗的說， BIOS 是硬件與軟件之間的一個(gè) “ 轉(zhuǎn)換器 ” 或者說是接口，負(fù)責(zé)解決硬件的即時(shí)要求，并按軟件對(duì)硬件的操作要求具體執(zhí)行。其實(shí) 確切的說是CMOS 芯片 ， CMOS 指芯片的類型，而 BIOS 是裝在芯片里的程序， 但 習(xí)慣叫 BIOS芯片。 圖 BIOS 芯片 目前市面上較為流行的 BIOS 芯片主要有 Award BIOS、 AMI BIOS 和 Phoenix BIOS這三種類型。三種 BIOS 芯片的界面各不相同，但 大體相似，在此就不贅敘了。 Award BIOS 是由 Award Software 公司開發(fā)的產(chǎn)品，在目前的主板市場(chǎng)上最受歡迎。Award BIOS 功能相對(duì)較為齊全，支持 的新硬件、 應(yīng)用也最為廣泛。 AMI BIOS 是 AMI公司推出的 BIOS 系統(tǒng)軟件，開發(fā)與上個(gè)世紀(jì) 80 年代中期。早期的 28 386 大多采用AMI BIOS，它能夠適應(yīng)各種軟件和硬件，并且可以保證系統(tǒng)性能的穩(wěn)定。 Phoenix BIOS是由 Phoenix 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。 Phoenix BIOS 多用于高檔的 586 原裝品牌機(jī)或者筆記本電腦上，其界面簡(jiǎn)潔、清晰，便于操作。 BIOS 的封裝形式有兩種，分別是 DIP 封裝形式和 PLCC 封裝形式。 BIOS 的功能主武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 要包括自檢及初始化、程序服務(wù)和設(shè)定中斷。 1） 自檢及初始化 開機(jī)后， BIOS 首先被啟動(dòng)。啟動(dòng)后的 BIOS 將對(duì)電 腦的硬件設(shè)備進(jìn)行完全徹底的檢驗(yàn)和測(cè)試。如果 BIOS 在自檢時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，一般分為兩種情況進(jìn)行處理。第一種情況是，遇到嚴(yán)重故障立即停機(jī)，不給出任何提示或信號(hào)；第二種情況是，遇到非嚴(yán)重故障，就給出屏幕提示或者聲音報(bào)警信號(hào)，等待機(jī)主處理。 2） 程序服務(wù) BIOS 可以直接與電腦中的 I/O 芯片打交道，即 BIOS 可以通過特定的數(shù)據(jù)端口發(fā)出命令，傳送或接收各種外部設(shè)備的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)軟件程序?qū)τ布闹苯硬僮鳌? 3） 設(shè)定中斷 開機(jī)時(shí)， BIOS 會(huì)發(fā)出給 CPU 各硬件設(shè)備一個(gè)中斷號(hào)，所以當(dāng)用戶發(fā)出使用某個(gè)設(shè)備的指令后， CPU 就根據(jù)用戶發(fā)出的 中斷號(hào)使用相應(yīng)的硬件完成使命，而后又根據(jù)中斷號(hào)跳回原來的工作。 本設(shè)計(jì)中應(yīng)用 BIOS 芯片就是在程序中對(duì) CPU 溫度的控制進(jìn)行必要的設(shè)置。設(shè)置順序如下：開機(jī)后，按住 “ Del” 鍵就可以進(jìn)入 BIOS 設(shè)置中，可以找到 PC HEALTH STATUS，有幾個(gè)設(shè)置，有 CPU Warning Temperature 設(shè)置，一般有 3 4 50、5 60、 6 70（ 176。C ）幾個(gè)選項(xiàng)，例如我們選擇 60，則當(dāng) CPU 超過此溫度時(shí)，主板會(huì)發(fā)出警告信號(hào)，并調(diào)用 idle 指令減少 CPU 的負(fù)擔(dān)，降低芯片熱量。還有 CPU Shutdown Temperature 設(shè)置多少溫度時(shí) ， CPU 自動(dòng)關(guān)機(jī)，有 50、 5 5 60、 6 6 70 選項(xiàng)，如果我們選擇 70，則 CPU 溫度超過這個(gè)溫度時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)關(guān)機(jī)，保護(hù)系統(tǒng)不被燒壞。同時(shí)也可以在 BIOS 中查看系統(tǒng)的溫度，進(jìn)入 BIOS 后通過上下左右鍵可以看到類似下圖的系統(tǒng)各部位的溫度及風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。 圖 計(jì)算機(jī)上的 BIOS 界面 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 SUPER I/O 芯片 SUPER I/O，也叫 I/O 芯片。在這顆芯片當(dāng)中，整合著大部分傳統(tǒng) IO 的 IC 功能，包含軟驅(qū) /串口 /并口 /電源管理 /系統(tǒng)偵測(cè) /紅外 /鍵 盤、 鼠 標(biāo) 等等。在 486 以上檔次的主板上都有 I/O 控制電路。 SUPER I/O 有著轉(zhuǎn)換和管理功能，這是由于南橋和串行、并行接口、軟盤驅(qū)動(dòng)器及鍵盤鼠標(biāo)等大量低速設(shè)備之間必定存在資源的不匹配，而需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換和管理。除外，通常在硬件監(jiān)控芯片中會(huì)整合超級(jí) I/O 功能，可用于監(jiān)控受監(jiān)控對(duì)象的電壓、溫度、轉(zhuǎn)速等。 圖 SUPER I/O 芯片 目前，在兩大平臺(tái)電腦中，分別對(duì)應(yīng)著兩種主流的 I/O 芯片。其中 IT8771E 一般用于 AMD 平臺(tái)，而 W83627DHGA 用于 INTEL 平臺(tái)。兩者主要差別： 第一， IT8771E 工作電壓為＋ 5V， W83627DHGA 的工作電壓為＋ 。 第二， IT8771E 有 GPIO1～ 6 共 6 類 GPIO 口 48 個(gè) GP pin， W83627DHGA 只有GPIO2~5 共 5 類 GPIO 口 40 個(gè) GP pin。 下面，以 IT8771E 為例子介紹下 I/O 芯片。 其 功能圖 、 管腳功能 圖 分別如圖 和圖 所示 ： 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 圖 IT8771E 功能框圖 圖 IT8771E 的管腳定義 圖 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 根據(jù)計(jì)算機(jī)的用戶需求，其對(duì)輸入輸出功能的要求是不一樣的。有的用戶要求比較多，需要用到 128pin 的 SUPER I/O， 但本設(shè)計(jì)中用的是 64pin 的芯片。它的管腳很多，下面只列出 本設(shè)計(jì)中需要用的管腳及其作用 。如 表 所示 ： 表 IT8771E 中與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相關(guān)的管腳 管腳 符號(hào) 類型 電源 作用 3 FAN_TAC1 DI AVCC3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)的輸入端 0~5V 4 FAN_CTL1 DOD8 AVCC3 輸出 PWM 風(fēng)扇控制信號(hào) 5 FAN_TAC2 DI AVCC3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)的輸入端 0~5V 6 FAN_CTL2 DOD8 AVCC3 輸出 PWM 風(fēng)扇控制信號(hào) 12 3VSB PWR — 的 Standby 電源 13 VCORE AO — 的內(nèi)部電源（需連接外部電容） 25 GNDD GND — 數(shù)字地接口 30 VBAT PWR — 3V 的電池輸入 44 GNDA GND — 模擬地接口 45 TMPIN AI AVCC3 連接熱傳感器 46 TMPIN AI AVCC3 連接熱傳感器 47 VREF AO — 為外部溫度傳感器提供 53 AVCC3 PWR — 的模擬電源 從圖 中可以看出 SUPER I/O 的功能是多種多樣 的。 它是計(jì)算機(jī)與用戶交換信息的核心。 如果沒有它，計(jì)算機(jī)是無法運(yùn)行的。 IT8771E 采用 LPC(Low Pin Count)接口，它在硬件監(jiān)測(cè)（ Hardware Monitor）中的功能較以前的版本有所改進(jìn)。加入了一個(gè) 8 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 2 個(gè)熱敏電阻輸入信號(hào)端，和 8 個(gè)監(jiān)測(cè)電壓輸入端（包括 3VSB、 AVCC內(nèi)部 VBAT 測(cè)量）等。在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制功能方面， 它支持風(fēng)扇的開關(guān)模式并提供控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的 PWM 波，支持 2 個(gè)可 編程的 PWM 輸出，提供 2 個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速反饋輸入并提供風(fēng)扇轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制 [13]。 Environmen