一種基于GD32F107VC 的風扇控制板設計

仝林林

(山西銀河電子設備廠，山西太原，030000)

1 概述

風扇作為最常見的散射器件，在大部分控制單元都隨處可見，而當散熱需求高，綜合考慮產品尺寸，風扇大小，風量等因素時，有時會需要數量比較大風扇，此時，對控制芯片的硬件資源要求就會比較高[1]。GD32F107VC 是兆易創新的MCU 芯片，具有豐富的外設和多路定時器等硬件資源，包括串口、網口和IIC 等硬件接口，基本滿足絕大部分的控制系統需求，而且該芯片具有高達5 個可以輸出PWM 控制信號的定時器，而且其中的高級定時器可以輸出8 路PWM 信號，通用定時器可以輸出4 路PWM 信號，同時可以輸出多達24 路的PWM 信號，滿足大多數設計要求。

本系統的風扇調速板設計時，與主控單元的通信是基于其硬件IIC 接口實現的IPMB 總線管理，IPMB 總線應用于多主操作，IPMB 協議使用的物理層是IIC 總線。IPMB 使用“請求-應答”協議，請求消息和應答消息都是通過IIC 總線的主設備傳輸的，即一條請求消息是從一個作為IIC 主端的節點發出，被一個作為IIC 從節點的設備接收。請求消息和應答消息網絡功能號不同，用于區分該消息是請求消息還是應答消息。在接收到控制指令后，利用其定時器1、定時器2、定時器3、定時器4 的PWM 輸出和PWM 信號捕獲功能實現了風扇的轉速控制及轉速檢測功能。

GD32F107 系列芯片具有強大的定時器功能，其中包括通用定時器TIM2、TIM3、TIM4 和TIM5，高級定時器TIM1 和TIM8，以及基本定時器TIM6 和TIM7，但是TIM8 只在大容量產品中存在，在小容量芯片中，高級定時器只有TIM1[2][3]。除了具有基本的定時功能外，通用定時器和高級定時器還具有信號的頻率測量，信號的PWM 測量、PWM 輸出和三相6 步電機控制等功能。本文利用他的PWM 輸出和信號頻率檢測功能，實現了風扇的轉速控制及轉速測量功能[4]。利用高級定時器1 輸出PWM 信號時，還需要額外增加函數timer_primary_output_config(TIMER0,ENABLE)；而利用通用定時器時，則不需要該函數。

2 調速板硬件電路設計

該系統主要由GD32F107VC 作為主控芯片，在主控IIC信號與MCUIIC 信號之間采用隔離芯片，能夠滿足熱拔插需求，保護后級芯片。BL1117 作為電源LDO 芯片，LM75A 作為溫度傳感器芯片搭配RS3232 進行調試組成。該系統需要實現通過IPMB 協議，實現對8 個風扇模塊的風速控制和轉速檢測，所以需要用到16 路PWM，由于定時器2 和定時器5 共用GPIO 管腳，所以在硬件設計時，只能選用其一，本方案中選擇TIM2、TIM3 進行PWM 信號輸出，通過輸出不同占空比的PWM信號，實現對風扇轉速的控制；選用TIM1 和TIM4 進行風扇轉速檢測，其中為了避免管腳沖突，TIM1 需要配置成映射功能。

IPMB 協議采用GD32F107VC的硬件IIC 實現，溫度傳感器LM75A 采用GPIO 軟件模擬IIC實現。IIC 協議在通信過程中，會首先由主機產生一個開始信號，此時，IIC 總線上的所有從設備都會收到主機發送的開始信號，開始信號產生后，總線上的所有設備等待匹配接下來主機發送的從機地址信號，當該地址信號與某從機設備地址相同時，該設備就會與主機進行通信，而其他設備則會忽略后邊的數據，不對數據進行響應。在地址之后，是傳輸方向的選擇。當傳輸方向為主寫從時，在主機成功接收到應答信號后，主機將向從機開始發送數據，直到主機發送STOP信號后，通信結束。當傳輸方向為主讀從時，在收到應答信號后，從機開始向主機返回數據，直到主機返回非應答信號NACK 后，從機自動停止數據發送。

本設計采用的風扇為4 線風扇，分別為紅色、黑色、白色和藍色，其中紅色和黑色分別代表電源正線和電源負線，白色代表測速線，用于監測風扇的轉速，作為反饋信號，防止風扇壞掉引起散熱異常，藍色代表PWM 信號線，用于調速，通過該表PWM 的占空比就可以實現對風扇轉速的控制。

為了隔離風扇信號對MCU 信號的影響，在風扇信號與MCU 信號之間設計了光耦進行隔離，達到了兩種電平信號之間的互相獨立。

圖1 MCU 原理圖

圖2 風扇接口原理圖

圖3 風扇調速板硬件設計頂層

圖4 風扇調速板硬件設計底層

3 軟件設計流程

GD32F107VC 最高可以工作在108MHz，在本系統中，設計其系統時鐘為108MHz.軟件設計流程主要為系統時鐘配置，硬件IIC 初始化，串口初始化和定時器初始化。

GD32F107VC 具有兩路硬件IIC 資源。本設計中進行了冗余設計，利用IIC 中斷進行主控單元控制指令的接收，當收到主控的START 信號后，進入接收中斷，并判斷主控發送的地址是否與風扇轉速控制板地址匹配，若匹配，則進行指令接收，若不匹配，則退出中斷。由于硬件IIC 工作在多主模式下時，有時會出現總線忙導致程序卡死狀態，所以本設計進行了超時設計，即當檢測到總線忙超過指定時長時，對總線進行拉低操作，從而達到釋放總線的目的。

軟件流程主要包括系統時鐘初始化，外設初始化，中斷配置（包括定時器中斷，IIC 中斷，其中IIC 中斷的優先級高于定時器中斷），等待接收指令，PWN 輸出，轉速信號檢測，信息上報等功能。具體流程圖見圖5 所示。

圖5 軟件流程圖

對硬件IIC 的初始化流程包括：

（1）開啟IIC 時鐘；

（2）配置IO口，配置為GPIO_Mode_AF_OD模式（開漏輸出）；

（3）選擇IIC 模式；

（4）設置設備地址模式，7bit 或者10bit；

2005年匯改前，我國基本上處于固定匯率狀態，因此匯率政策波動對宏觀經濟幾乎沒有影響。2005年匯改時，人民幣正處于升值周期，匯改當日人民幣匯率一次升值2%，對進出口貿易先有正向拉動后有負向沖擊，對物價和國內商品需求也有類似影響趨勢；但由于人民幣匯率的升值，以美元計價的外匯儲備短期內受到縮水影響，進而影響國內貨幣供給量；但從整體影響來看，2005年匯改并沒有帶來經濟增長的大幅波動。

（5）設置IIC 總線的傳輸速率為400KHz；

（6）配置中斷函數，等待開始信號。

對定時器的初始化流程包括：

（1）開啟定時器時鐘；

（2）配置IO 口，輸出PWM 信號的管腳配置為GPIO_MODE_AF_PP 模式（推挽輸出），輸入信號檢測管腳配置為GPIO_MODE_IN_FLOATING 模式（浮空輸入）；

（3）設置寄存器參數，包括自動重裝載寄存器和預分頻寄存器；

（4）設置定時器為PWM 模式，使能對應通道輸出功能或輸入捕獲功能。

（5）在定時器初始化時，PWM 輸出信號的頻率主要有兩個參數決定，分別為裝載數ARR 和分頻系數PRESCALER。PWM的頻率為:定時器時鐘/(ARR+1)/(PRESCALER),在本系統中，定時器時鐘為108MHz，ARR 為39，分頻系數為107，所以PWM 的輸出頻率為25KHz。此外，通過改變分頻系數的值分別為4，9,14,19,24，29,34，39，實現占空比,12.5%，25%，37.5%，50%，62.5%，75%，87.5%，100%8 種不同占空比的PWM 輸出，從而實現風扇的8 檔風速控制。

（6）而對輸入信號檢測定時器的配置，配置自動重裝載值為65536，分頻系數為107。

（7）利用PWM 的輸入模式，可以采集輸入信號的頻率，其中輸入捕獲模式，是上升沿觸發，記錄一個時間t1，下一次上升沿時記錄第二個時間t2，兩個時間之差就是標準時鐘周期內檢測到的輸入信號脈沖的個數，用標準時鐘頻率除以個數，即為檢測信號的頻率，根據風扇的技術說明書可知，該頻率乘以30，即為風扇此刻的轉速。

當程序收到主控的設置風扇指令時，程序首先會讀取當前的環境溫度，若溫度值低于預設值，則不對設置指令進行響應，防止低溫環境下，風扇工作時造成風扇損壞。當溫度值滿足條件時，進行相應占空比的PWM 信號輸出，并反饋給主控程序是否設置成功。

4 結束語

本文設計以GD32F107VC 為控制芯片，利用其定時器功能進行PWM 信號輸出和轉速信號捕獲，利用其硬件IIC 實現與主控模塊的IPMB 協議通信，本設計對研究GD32F107VC 的定時器研究和硬件IIC 研究具有一定的指導意義，為后續類似的風扇控制系統設計提供了一種解決方案，具有一定的現實意義。