本文介紹了如何使用DialogGreenPAK可配置混合信號(hào)IC構(gòu)建12VPC風(fēng)扇PWM控制器。該項(xiàng)目涉及旋轉(zhuǎn)編碼、PWM控制、PCB設(shè)計(jì)和C#應(yīng)用程序編程。

該設(shè)計(jì)最多可控制16個(gè)3針電腦風(fēng)扇，使用一對(duì)DialogGreenPAK可配置混合信號(hào)IC來(lái)控制每個(gè)風(fēng)扇的占空比，并包括兩種改變風(fēng)扇速度的方法：

帶有正交/旋轉(zhuǎn)編碼器和

使用Windows應(yīng)用程序—內(nèi)置于C#中，通過(guò)I2C與GreenPAK進(jìn)行通信。

系統(tǒng)框圖

圖1.系統(tǒng)框圖

SLG46108旋轉(zhuǎn)解碼器設(shè)計(jì)

為了手動(dòng)增加或減少風(fēng)扇的占空比，我們使用了旋轉(zhuǎn)編碼器。該設(shè)備在相隔90°的通道A和通道B輸出上輸出脈沖。有關(guān)旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)AN-1101：非時(shí)鐘正交解碼器。

圖2.旋轉(zhuǎn)編碼器框圖

然后，我們使用DialogGreenPAKSLG46108創(chuàng)建了一個(gè)時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)解碼器來(lái)處理通道A和通道B信號(hào)并將它們輸出為逆時(shí)針（CCW）和順時(shí)針（CW）脈沖。

當(dāng)通道A領(lǐng)先于通道B時(shí)，設(shè)計(jì)會(huì)在CW上輸出一個(gè)短脈沖。當(dāng)通道B超前通道A時(shí)，它在CCW上輸出一個(gè)短脈沖。

圖3.GreenPAKSLG46108旋轉(zhuǎn)解碼器設(shè)計(jì)

我們使用3個(gè)DFF將通道A輸入與時(shí)鐘同步。同樣，我們使用管道延遲，將OUT0設(shè)置為2個(gè)DFF，將OUT1設(shè)置為3個(gè)DFF，為通道B創(chuàng)建相同的功能。

然后，我們使用一些LUT來(lái)創(chuàng)建CW和CCW輸出。有關(guān)此標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)解碼器設(shè)計(jì)的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)此網(wǎng)站。

最后，GreenPAKRotaryDecoder將接收到下圖中的輸入脈沖A和B，并輸出如圖所示的CW和CCW脈沖。

圖4.旋轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)序圖

異或門(mén)之后的電路確保不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)CW脈沖和CCW脈沖，以防旋轉(zhuǎn)編碼器出現(xiàn)錯(cuò)誤。CW和CCW信號(hào)上的8ms下降沿延遲迫使它們?cè)?ms加1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)保持高電平，這對(duì)于下游SLG46826GreenPAK是必需的。

SLG46826風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)

圖5.GreenPAKSLG46826風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)

使用偏移計(jì)數(shù)器生成PWM

為了生成PWM信號(hào)，我們使用了一對(duì)具有相同周期的偏移計(jì)數(shù)器。第一個(gè)計(jì)數(shù)器設(shè)置DFF，第二個(gè)計(jì)數(shù)器將其重置，從而創(chuàng)建一致的占空比PWM信號(hào)，如下所示。

圖6.PWM生成時(shí)序圖

圖7.使用偏移計(jì)數(shù)器生成PWM

CNT6設(shè)置DFF10，CNT1的反相輸出復(fù)位DFF10。引腳18和19用于將PWM信號(hào)輸出到外部電路。

具有時(shí)鐘注入和時(shí)鐘跳躍的占空比控制

風(fēng)扇控制器接收來(lái)自旋轉(zhuǎn)解碼器的CW和CCW信號(hào)作為輸入，并使用它們來(lái)增加或減少控制風(fēng)扇速度的PWM信號(hào)。我們通過(guò)幾個(gè)數(shù)字邏輯組件實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

我們需要做的是使占空比在我們接收到CW脈沖時(shí)增加。我們可以通過(guò)向CNT6模塊注入一個(gè)額外的時(shí)鐘脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，使其比其他方式早一個(gè)時(shí)鐘周期輸出。您可以在下面的時(shí)序圖中看到此過(guò)程。

圖8.時(shí)鐘脈沖注入

CNT1仍以恒定速率獲得時(shí)鐘，但CNT6注入了幾個(gè)額外的時(shí)鐘。每當(dāng)計(jì)數(shù)器有一個(gè)額外的時(shí)鐘時(shí)，它就會(huì)將其輸出向左移動(dòng)一個(gè)時(shí)鐘周期。

相反，如果我們想降低占空比，我們需要為CNT6跳過(guò)一個(gè)時(shí)鐘脈沖。您可以在下圖中看到該過(guò)程，其中CNT1仍然以恒定速率獲得時(shí)鐘，而CNT6有跳過(guò)的時(shí)鐘脈沖，其中計(jì)數(shù)器沒(méi)有按預(yù)期獲得時(shí)鐘。這樣我們就可以將CNT6的輸出一次向右推一個(gè)時(shí)鐘周期，從而縮短輸出PWM占空比。

圖9.時(shí)鐘脈沖跳躍

我們使用GreenPAK中的一些數(shù)字邏輯元件實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘注入和時(shí)鐘跳躍功能。我們使用一對(duì)多功能塊來(lái)創(chuàng)建一對(duì)鎖存器/邊緣檢測(cè)器組合。4位LUT0用于在通用時(shí)鐘信號(hào)（CLK/8）和時(shí)鐘注入或時(shí)鐘跳躍信號(hào)之間進(jìn)行復(fù)用。此功能將在第5.2.2節(jié)防止占空比翻轉(zhuǎn)中更詳細(xì)地描述。

按鈕輸入

BUTTON輸入去抖20ms，然后用于觸發(fā)一個(gè)鎖存器，該鎖存器將確定是否選擇了該特定芯片。如果選擇它，則4位LUT將傳遞時(shí)鐘跳躍或注入信號(hào)。如果未選擇芯片，則4位LUT將簡(jiǎn)單地傳遞CLK/8信號(hào)。

圖10.時(shí)鐘跳躍和時(shí)鐘注入

防止占空比翻轉(zhuǎn)

RS鎖存器3位LUT5和3位LUT3用于確保您不能注入或跳過(guò)太多時(shí)鐘，以免偏移計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)。我們不想讓系統(tǒng)達(dá)到100%的占空比，然后如果它接收到另一個(gè)注入的時(shí)鐘，則翻轉(zhuǎn)到1%的占空比。

RS鎖存器通過(guò)在系統(tǒng)距離翻轉(zhuǎn)1個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)鎖存多功能模塊的輸入來(lái)防止這種情況發(fā)生。我們使用一對(duì)DFF將PWM_SET和PWM_nRST信號(hào)延遲一個(gè)時(shí)鐘周期，如下圖所示。

圖11.BLOCK_CW和BLOCK_CCW

然后，我們使用一對(duì)LUT來(lái)創(chuàng)建必要的邏輯。如果我們的占空比太低以至于延遲的PWM_SET信號(hào)與PWM_nRST信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)，我們不想進(jìn)一步降低占空比，否則我們將翻轉(zhuǎn)。

圖12.最小占空比翻轉(zhuǎn)情況

同樣，如果我們正在接近最大占空比，從而延遲的PWM_nRST信號(hào)與PWM_SET信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)，我們不想進(jìn)一步增加占空比。在這種情況下，我們需要將nRST信號(hào)延遲2個(gè)時(shí)鐘周期，以確保系統(tǒng)不會(huì)從99%翻轉(zhuǎn)到1%。

圖13.最大占空比翻轉(zhuǎn)情況

具有I2C的占空比控制

該設(shè)計(jì)采用了另一種控制占空比的方法，而不是時(shí)鐘跳躍/時(shí)鐘注入。我們可以使用外部微控制器向GreenPAK寫(xiě)入I2C命令，以編程方式設(shè)置占空比。

圖14.I2C占空比控制

如上圖中的紅色標(biāo)簽所示，控制I2C上的占空比需要控制器執(zhí)行特定的命令序列。這些命令在下表中按順序顯示。“x”表示用戶不應(yīng)更改的位，“［”表示START位，“］”表示STOP位。

表1.I2C命令

PDLY模塊在CLK/8信號(hào)的下降沿產(chǎn)生一個(gè)短的高電平有效脈沖，我們稱(chēng)之為！CLK/8。該信號(hào)用于以穩(wěn)定頻率為DFF14提供時(shí)鐘。當(dāng)I2C_SET異步變高時(shí)，！CLK/8的下一個(gè)上升沿將導(dǎo)致DFF14輸出HIGH，這將觸發(fā)CNT5OneShot。OneShot將運(yùn)行上表中“寫(xiě)入CNT5”I2C命令中指定的用戶寫(xiě)入的時(shí)鐘周期數(shù)。在這種情況下，它是10個(gè)時(shí)鐘周期。OneShot允許25MHz振蕩器準(zhǔn)確運(yùn)行其持續(xù)時(shí)間，并且不再讓3位LUT0接收用戶寫(xiě)入CNT5的時(shí)鐘周期數(shù)。

下圖顯示了這些信號(hào)，其中紅色時(shí)鐘是發(fā)送到3位LUT0的信號(hào)，LUT0將它們傳遞到CNT6（PWM_SET計(jì)數(shù)器），從而為占空比生成創(chuàng)建偏移量。

圖15.使用I2C加載占空比（頻率不按比例）

轉(zhuǎn)速表讀數(shù)

如果需要，用戶可以讀取I2C上的轉(zhuǎn)速計(jì)值，通過(guò)讀取CNT2值來(lái)跟蹤風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。CNT2將在每次ACMP0H出現(xiàn)上升沿時(shí)遞增，并且可以通過(guò)I2C命令異步復(fù)位。（請(qǐng)注意，這是一個(gè)可選功能，ACMP0H的閾值需要根據(jù)正在使用的特定風(fēng)扇的規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。）

圖16.轉(zhuǎn)速計(jì)部分

表2.I2C命令

外部電路設(shè)計(jì)

圖17.風(fēng)扇控制器框圖

外部電路相當(dāng)簡(jiǎn)單。有一個(gè)按鈕連接到GreenPAK的Pin6以切換是否選擇此特定設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，以及連接到Pin12和Pin13的LED以指示何時(shí)選擇設(shè)備。

由于風(fēng)扇的電壓為12伏，因此我們需要一對(duì)FET來(lái)控制其開(kāi)關(guān)。GreenPAK的Pin18和Pin19驅(qū)動(dòng)一個(gè)nFET。當(dāng)nFET開(kāi)啟時(shí)，它將pFET的柵極拉低，將風(fēng)扇連接到+12V。當(dāng)nFET關(guān)閉時(shí)，PFET的柵極被1k電阻上拉，從而斷開(kāi)風(fēng)扇從+12v。

PCD設(shè)計(jì)

我們將幾塊PCB放在一起來(lái)對(duì)我們的設(shè)計(jì)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。左側(cè)的PCB是“風(fēng)扇控制器”，其中包含旋轉(zhuǎn)編碼器、12v插孔、SLG46108GreenPAK和FT232HUSB到I2C分線板的連接器。右側(cè)的兩個(gè)PCB是“風(fēng)扇板”，其中包含SLG46826GreenPAK、按鈕、開(kāi)關(guān)、LED和風(fēng)扇接頭。

圖18.PCB和連接器

每個(gè)風(fēng)扇板的左側(cè)都有一個(gè)帶罩的公頭，右側(cè)有一個(gè)母頭，因此它們可以菊花鏈?zhǔn)竭B接在一起。每個(gè)風(fēng)扇板都可以填充資源以獨(dú)立控制2個(gè)風(fēng)扇。

C#應(yīng)用程序

我們編寫(xiě)了一個(gè)C#應(yīng)用程序來(lái)通過(guò)FT232HUSB-I2C橋接我們的風(fēng)扇板。此應(yīng)用程序可用于通過(guò)應(yīng)用程序生成的I2C命令調(diào)整每個(gè)風(fēng)扇的頻率。

圖19.C#應(yīng)用程序GUI

應(yīng)用程序?qū)⒚棵雽?duì)所有16個(gè)I2C地址執(zhí)行一次ping操作，并使用存在的從地址填充GUI。在這種情況下，我們將風(fēng)扇1（從地址0001）和風(fēng)扇3（從地址0011）連接到電路板。用戶可以通過(guò)移動(dòng)滑塊或在滑塊下方的文本框中輸入0-256的值來(lái)單獨(dú)調(diào)整每個(gè)風(fēng)扇的占空比。

項(xiàng)目結(jié)論

在本文中，我們使用一些DialogGreenPAK可配置混合信號(hào)IC創(chuàng)建了一個(gè)功能齊全的12vPC風(fēng)扇PWM控制器。通過(guò)我們的設(shè)計(jì)，我們能夠使用旋轉(zhuǎn)編碼器或C#應(yīng)用程序獨(dú)立控制多達(dá)16個(gè)風(fēng)扇（因?yàn)橛?6個(gè)可能的I2C從地址）。我們演示了如何使用一對(duì)偏移計(jì)數(shù)器生成PWM信號(hào)，以及如何在不翻轉(zhuǎn)的情況下增加和減少該信號(hào)的占空比。