隨著IT產業(yè)的迅速發(fā)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(fā)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(huán)節(jié)的瓶頸,生產企業(yè)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(guī)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(qū)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(fā)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(fā)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(fā)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(zhí)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)環(huán)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(yōu)勢。