黃由立

摘 要 本文介紹采用TMP411配合CPU處理器和外圍系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器芯片內(nèi)核溫度與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部溫度的測(cè)控，及過溫保護(hù)的研究和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了整套系統(tǒng)電路，通過專業(yè)接口將TMP411與CPU及CPLD接口連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控處理芯片內(nèi)核溫度和設(shè)備內(nèi)部溫度，并通過連接必要數(shù)據(jù)通信線路和控制線路控制外部系統(tǒng)形成設(shè)備散熱自動(dòng)調(diào)控及過溫自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了在不同使用環(huán)境下，設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控CPU處理器芯片內(nèi)部核心的結(jié)溫與設(shè)備內(nèi)部空氣溫度，一旦溫度高出就會(huì)自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)風(fēng)扇調(diào)速加強(qiáng)散熱，極端過溫環(huán)境下能自動(dòng)下電保護(hù)芯片及設(shè)備不受損壞的功能。

關(guān)鍵詞 TMP411 MIPS多核處理器 CPLD 溫度監(jiān)控 過溫保護(hù)

中圖分類號(hào)：TN919文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著技術(shù)發(fā)展，MIP多核處理器的芯片主頻和性能不斷提升，導(dǎo)致相應(yīng)的芯片功耗也越來越高。使用處理器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于多種不同的使用環(huán)境，容易出現(xiàn)在密閉機(jī)柜或散熱不良情況下，出現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部空氣過熱問題，導(dǎo)致CPU芯片內(nèi)部核心溫度升得過高，超過芯片結(jié)溫上限后會(huì)導(dǎo)致芯片燒毀。而CPU處理器損壞整套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就癱瘓無法工作，市面上已經(jīng)有多例的故障案例造成較高經(jīng)濟(jì)損失。此情況下部分設(shè)備設(shè)計(jì)選擇用簡(jiǎn)單的定速風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)，風(fēng)扇按照默認(rèn)全速運(yùn)行在常溫下有如下問題：風(fēng)扇噪聲很大，超出國(guó)標(biāo)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)而無法通過認(rèn)證、功耗較大消耗較多資源不夠綠色環(huán)保、在環(huán)境溫度升高變化后的彈性保護(hù)不足。因此急需設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)方案能實(shí)時(shí)監(jiān)控芯片內(nèi)核溫度與設(shè)備內(nèi)部溫度，基于溫度實(shí)現(xiàn)散熱系統(tǒng)既能滿足噪聲認(rèn)證要求也能自動(dòng)調(diào)整加強(qiáng)保護(hù)彈性，極端情況下還能自動(dòng)下電保護(hù)避免芯片及設(shè)備出現(xiàn)物理?yè)p傷，具有較高實(shí)際意義和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

溫度采集和自動(dòng)散熱調(diào)整及下電保護(hù)裝置是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。溫度采集模塊用于實(shí)時(shí)收集CPU處理器芯片內(nèi)核溫度和設(shè)備內(nèi)部環(huán)境溫度，配合外部控制電路實(shí)現(xiàn)基于溫度的自動(dòng)散熱能力調(diào)整及過溫自動(dòng)下電保護(hù)功能。此功能需要解決如下問題：一個(gè)是需要滿足噪聲認(rèn)證指標(biāo)下的可自動(dòng)調(diào)整的彈性散熱方案;另一個(gè)是極端環(huán)境CPU溫度過高的情況下避免CPU持續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致內(nèi)部晶體管過溫?fù)舸龎牡南码姳Ｗo(hù)措施。

對(duì)于噪聲認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)標(biāo)的噪聲測(cè)試要求在25度的常溫環(huán)境下不超過40dB，此時(shí)風(fēng)扇并不需要以最高的能力散熱，當(dāng)CPU或設(shè)備內(nèi)溫度升高到一定閾值的情況下，才開啟最高的散熱能力。因此設(shè)計(jì)風(fēng)扇有兩個(gè)級(jí)別的散熱能力：一種是低溫低速，滿足噪聲指標(biāo)并具有一定的散熱能力;一種是高溫高速，滿足最高的散熱指標(biāo)。

對(duì)于CPU燒壞問題，直接的原因是CPU的溫度過高，一般CPU給出的最高內(nèi)核結(jié)溫時(shí)105度，如果給予足夠的散熱能力CPU不至于燒毀，但是外部環(huán)境和散熱系統(tǒng)可能會(huì)變化，比如風(fēng)道被堵、風(fēng)扇損壞、散熱片未鎖緊、導(dǎo)熱硅脂老化失效等情況，不能只依靠被動(dòng)散熱，需要一套主動(dòng)的過溫保護(hù)方案，通過主動(dòng)獲取CPU DIE的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到一定閾值后對(duì)CPU進(jìn)行下電保護(hù)。

綜合以上功能，設(shè)計(jì)三個(gè)溫度點(diǎn)，THERM_A，THERM_B和THERM_C，設(shè)置THERM_A

THERM_A：表示CPU溫度稍高，需要提升風(fēng)扇散熱能力。

THERM_B：表示CPU溫度過高，需要高溫報(bào)警，提示用戶。

THERM_C：表示CPU溫度極高，超過CPU工作溫度，需要下電保護(hù)。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下：

（1）當(dāng)CPU溫度未達(dá)到THERM_A溫度點(diǎn)，風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn)，無任何提示，系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（2）當(dāng)CPU溫度超過THERM_A的時(shí)候，風(fēng)扇自動(dòng)切換高速運(yùn)行，直到CPU溫度降低到THERM_A度之后風(fēng)扇才變?yōu)榈退佟?/p>

（3）當(dāng)CPU溫度達(dá)到THERM_B及以上的時(shí)候，設(shè)備發(fā)出一次高溫警告，記錄信息并提示客戶，系統(tǒng)紅燈告警。直到溫度低于THERM_B溫度的時(shí)候，才系統(tǒng)燈恢復(fù)綠色。

（4）當(dāng)溫度達(dá)到THERM_C的時(shí)候，過溫保護(hù)，系統(tǒng)燈顯示紅色，切斷CPU的電源，直到CPU溫度降低到THERM_C-10度后才恢復(fù)上電，復(fù)位重啟。

2系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

2.1溫度檢測(cè)器件選型

根據(jù)溫度檢測(cè)需求選擇TMP411作為溫度檢測(cè)芯片。TMP411是德州儀器TI推出一款準(zhǔn)確度在？℃范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程結(jié)溫傳感器與本地溫度傳感器集成一體的器件，可用于同時(shí)監(jiān)控CPU、微處理器中的熱敏二極管數(shù)據(jù)及自身本地溫度傳感器數(shù)據(jù)。

TMP411使用二極管測(cè)溫功能，測(cè)溫原理是基于二極管對(duì)溫度十分敏感的特性，溫度的變化將改變二極管壓降：溫度上升時(shí)管壓降減小;溫度下降時(shí)管壓降增加，同時(shí)二極管的溫度和壓降的線性度相當(dāng)好，所以被用來進(jìn)行測(cè)試要求精密的測(cè)溫。其能在-40℃～+125℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，可測(cè)量溫度范圍則可高達(dá) 150℃，標(biāo)稱溫度精度是+-1度。該器件不僅具備可編程串聯(lián)電阻抵消與二極管非理想性校正功能，而且支持標(biāo)準(zhǔn) I2C/SM BUS 兼容的雙線接口上操作設(shè)置可編程過溫與欠溫閾值，以及對(duì)外設(shè)計(jì)有可對(duì)設(shè)置的閾值超標(biāo)報(bào)警引腳，可對(duì)潛在危險(xiǎn)散熱環(huán)境做出即時(shí)響應(yīng)，靈活方便的實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控和過溫保護(hù)控制功能。

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由CPU處理器，TPM411模塊，CPLD模塊，以及外圍配合的風(fēng)扇二級(jí)調(diào)速模塊，DC-DC電源模塊，復(fù)位模塊，點(diǎn)燈控制模塊組成，系統(tǒng)連接如圖1所示。

CPU處理器模塊的內(nèi)置熱敏二極管的管腳THERMAL_D+和THERMAL_D-連接TMP411的對(duì)應(yīng)D+和D-管腳，利用二極管測(cè)溫原理實(shí)現(xiàn)CPU處理器內(nèi)核的溫度檢測(cè)。CPU模塊通過I2C總線連接TMP411的SCL/SDA管腳作管理通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)TMP411的初始化和設(shè)置，并可操作讀取溫度。I2C總線是OD門，需要1k到10k電阻上拉到3.3V，根據(jù)負(fù)載大小和信號(hào)實(shí)測(cè)調(diào)整確定。

TMP411模塊的THERM_2#和THERM#為溫度觸發(fā)信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)設(shè)定溫度THERM_A和THERM_C，THERM_A#表示超過設(shè)定的THERM_A溫度點(diǎn)，用于控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制。THERM_C#表示超過設(shè)定的THERM_C溫度點(diǎn)，用于CPU高溫下電保護(hù)。這兩個(gè)管腳為OD門需通過4.7K～10K電阻上拉到3.3V連接到CPLD模塊。

CPLD模塊與CPU之間用數(shù)據(jù)總線交互，用于傳遞各模塊狀態(tài)信息，可訪問溫度相關(guān)的寄存器，數(shù)據(jù)線位寬設(shè)計(jì)為4bit連接。為控制風(fēng)扇噪聲問題，CPLD通過風(fēng)扇控制信號(hào)管腳連接風(fēng)扇二級(jí)調(diào)速模塊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇高速和低速調(diào)整切換，溫度正常時(shí)風(fēng)扇處于低速狀態(tài)滿足綠色環(huán)保噪聲要求，溫度超標(biāo)再高速運(yùn)行保證足夠散熱。CPLD的電源控制管腳連接到電源模塊，用于實(shí)現(xiàn)CPU過溫時(shí)必要的下電保護(hù)控制以及溫度降低恢復(fù)后的重新上電操作。為了保護(hù)芯片不受異常下電動(dòng)作的損壞，通過CPLD連接控制復(fù)位信號(hào)到復(fù)位模塊，對(duì)整機(jī)復(fù)位電路進(jìn)行控制，保護(hù)設(shè)備CPU及其他主要芯片。為了更加直觀展示過溫狀態(tài)并提醒用戶，因此連接CPLD與點(diǎn)燈模塊，在警告期間和過溫保護(hù)期間讓系統(tǒng)指示燈顯示紅色，正常狀態(tài)下顯示綠燈。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件操作流程

見圖2。

系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：

（1）設(shè)備上電啟動(dòng)并進(jìn)入初始化，此時(shí)CPLD默認(rèn)設(shè)置風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）軟件開始對(duì)TMP411溫度寄存器進(jìn)行預(yù)設(shè)及必要的初始化。

（3）設(shè)置過溫溫度閾值，開啟過溫保護(hù)功能，之后就進(jìn)入硬件執(zhí)行流程：當(dāng)溫度正常，保持正常工作。當(dāng)CPU溫度極高，進(jìn)入過溫保護(hù)狀態(tài)，CPU的core電源關(guān)閉，復(fù)位信號(hào)被拉低，系統(tǒng)燈變成紅色。直到溫度低于THERM_C-10度的時(shí)候還原，CPU電源上電，芯片進(jìn)入復(fù)位重啟流程。

（4）設(shè)置風(fēng)扇控制溫度，設(shè)置后風(fēng)扇控制由TMP411的硬件信號(hào)THERM_A#電平?jīng)Q定。THERM_A#=1，則風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn);THERM_A#=0，表示超過THERM_A設(shè)定溫度，則風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

（5）主程序下開啟定時(shí)器中斷，通過定時(shí)軟件輪詢TMP411的寄存器：定時(shí)讀取CPU溫度，如果CPU溫度高則串口打印高溫報(bào)警，軟件控制系統(tǒng)狀態(tài)燈變成紅色，低于則退出中斷。

3.2實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)置therm_A=60℃，therm_B=80℃，therm_C=100℃，實(shí)際對(duì)處理器進(jìn)行加熱模擬環(huán)境變化，驗(yàn)證風(fēng)扇調(diào)速和保護(hù)結(jié)果：

（1）設(shè)備啟動(dòng)3～5s時(shí)間內(nèi)風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，然后低速運(yùn)轉(zhuǎn)

（2）設(shè)備運(yùn)行過程中處理器結(jié)溫溫度<60℃，風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn)

（3）當(dāng)60℃<處理器結(jié)溫溫度<80℃，風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)

（4）當(dāng)80℃<處理器結(jié)溫溫度<100℃，風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備告警，系統(tǒng)燈亮紅色

（5）當(dāng)100℃<處理器結(jié)溫溫度，風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)閉處理電源，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，處理溫度降低后重新進(jìn)入步驟1）重新啟動(dòng)。

實(shí)際驗(yàn)證確認(rèn)該系統(tǒng)具備自動(dòng)風(fēng)扇調(diào)速，能良好保護(hù)處理器不被過溫?fù)舸?/p>

4結(jié)論

處理器芯片主頻和功耗不斷提升，但芯片主要材質(zhì)還是硅，無法承受高溫。但是應(yīng)用處理器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備卻需要適應(yīng)高溫的使用環(huán)境，同時(shí)還需要符合國(guó)標(biāo)的相關(guān)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。本文通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)電路配合軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于處理器結(jié)溫的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自動(dòng)散熱調(diào)整和過溫保護(hù)的功能。經(jīng)驗(yàn)證結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用本系統(tǒng)能完全符合國(guó)標(biāo)認(rèn)證噪聲標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)具備良好的散熱彈性調(diào)節(jié)，在極端情況能及時(shí)下電保護(hù)設(shè)備，滿足設(shè)計(jì)要求，可以在許多場(chǎng)合進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

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