在當(dāng)今基于微處理器的系統(tǒng)中，電氣、機(jī)械和熱環(huán)境的管理變得越來越重要。本文將重點(diǎn)介紹精確的電壓和溫度監(jiān)控以及其他硬件監(jiān)控要求。我們將研究精確測(cè)量的技術(shù)，并為ADM9240芯片所體現(xiàn)的基于奔騰II的系統(tǒng)中的一系列硬件監(jiān)控任務(wù)提供解決方案。

隨著IC和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員尋求從設(shè)計(jì)中榨取每一點(diǎn)性能，硬件監(jiān)測(cè)和控制已成為電路板設(shè)計(jì)目標(biāo)不可或缺的一部分。例如，需要保持精確的電源電壓水平，并持續(xù)處理高性能芯片產(chǎn)生的熱量。控制回路的反饋部分通過硬件監(jiān)控完成 - 連續(xù)測(cè)量關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)，如電源電壓，內(nèi)部溫度，冷卻風(fēng)扇性能和其他環(huán)境因素。通過嚴(yán)格控制這些參數(shù)以保持在嚴(yán)格的限制范圍內(nèi)，可以最大限度地提高系統(tǒng)性能，從而保持電路的最佳工作條件并避免縮短組件壽命。

基于英特爾奔騰的最新一代產(chǎn)品清楚地表明了硬件監(jiān)視和控制的重要性。時(shí)鐘速率超過 450 MHz 的最新奔騰 II 微處理器需要復(fù)雜、高度穩(wěn)定的電源電壓 - 簡(jiǎn)單的 +5 或 +3.3V 電源已不再足夠。相反，奔騰內(nèi)核邏輯需要 1.3 至 3.5 V 的數(shù)字可調(diào)電壓和 50mV 分辨率。所需的實(shí)際電壓取決于許多因素。當(dāng)考慮到流過印刷電路板（PCB）走線電阻和電感的電流的動(dòng)態(tài)變化性質(zhì)時(shí)，將電壓控制到這種程度并不是一個(gè)微不足道的要求。除了處理器芯片的要求外，典型系統(tǒng)還需要至少4個(gè)其他穩(wěn)壓電源：+12V、-12V、+5V和+3.3V，用于其他功能，如磁盤驅(qū)動(dòng)器、視頻電路、PC卡等。為了保持長(zhǎng)期可靠性，必須精確監(jiān)測(cè)和控制所有這些電壓。簡(jiǎn)單的電壓比較器類型的電路可用于監(jiān)視固定電源;但是，監(jiān)控可變負(fù)載的高精度電源需要更復(fù)雜的解決方案，涉及電壓電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

除了嚴(yán)格控制的工作電壓外，當(dāng)今的許多系統(tǒng)還依賴于熱管理方法，例如主動(dòng)散熱、對(duì)流冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷提供的冷卻，以保持可靠的工作條件。隨著IC和系統(tǒng)變得越來越快、越來越復(fù)雜、越來越密集，消除多余的熱量并保持安全、可靠的工作溫度變得越來越重要。溫度檢測(cè)，通常與風(fēng)扇速度監(jiān)測(cè)和控制相結(jié)合，是當(dāng)今用于確保系統(tǒng)可靠性的幾種技術(shù)。通過控制風(fēng)扇速度，可以實(shí)現(xiàn)更高的效率、更低的功耗和更低的噪音水平。

受益于有效硬件監(jiān)控的另一個(gè)重要領(lǐng)域是總擁有成本 （TCO）。所有重要功能都受到持續(xù)監(jiān)控，并將結(jié)果傳達(dá)給系統(tǒng)管理軟件。在發(fā)生代價(jià)高昂的損壞之前，可以檢測(cè)到即將發(fā)生的故障，識(shí)別來源并采取糾正措施，甚至調(diào)用系統(tǒng)關(guān)閉。例如，可以通過監(jiān)控其速度來檢測(cè)堵塞的冷卻風(fēng)扇。當(dāng)速度從其標(biāo)稱速度降低 10% 到 15% 時(shí)，軟件可以注意到問題并在劣化造成額外損壞之前關(guān)閉系統(tǒng)。以 10 美元的價(jià)格更換風(fēng)扇比更換 1000 美元的 CPU 或更昂貴的系統(tǒng)主板更具吸引力。

多通道電壓、溫度和風(fēng)扇速度監(jiān)控，以及每個(gè)參數(shù)的可編程限值設(shè)置，對(duì)于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制目標(biāo)大有幫助。我們將在下面討論一些在基于奔騰的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)此目的的特定技術(shù)。該演示將采用ADI公司的新型監(jiān)控IC ADM9240，以展示優(yōu)化監(jiān)控策略的方法。

電壓監(jiān)控

在一個(gè)典型的系統(tǒng)中，需要監(jiān)控多達(dá)六個(gè)電壓通道。典型系統(tǒng)電源包括以下部分或全部電源的組合：+12、-12、+5、+3.3、+2.7和+2.5 V。

由于需要跟蹤如此多（和不同）的電源，具有數(shù)字讀數(shù)的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了最大的靈活性。基于 A/D 轉(zhuǎn)換器的解決方案有助于軟件控制和限值設(shè)置。一旦轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，數(shù)據(jù)就很容易作、處理和存儲(chǔ)，以供歷史參考。

以下是必須解決的一些注意事項(xiàng)，以便將信號(hào)從模擬精確轉(zhuǎn)換為數(shù)字： 由于被測(cè)電源通常使用開關(guān)模式技術(shù)產(chǎn)生，因此開關(guān)引入的噪聲會(huì)使其電壓難以準(zhǔn)確監(jiān)控。開關(guān)毛刺和負(fù)載相關(guān)電壓偏移可能是雜散報(bào)警的來源。因此，監(jiān)控電路必須抑制電源毛刺和偏移，但仍要足夠快，以檢測(cè)電源何時(shí)真正超出容差。當(dāng)電源確實(shí)超出公差時(shí)，重要的是報(bào)告它，以便盡快處理情況，以避免系統(tǒng)性能錯(cuò)誤甚至損壞。

ADM9240的輸入電路（圖1）具有雙重作用：

一個(gè)。過濾輸入信號(hào)
b.衰減輸入電平，使其調(diào)整為板載ADC的
基準(zhǔn)電壓。

在片上集成衰減網(wǎng)絡(luò)具有重要優(yōu)勢(shì)。由于電阻不準(zhǔn)確或不匹配而導(dǎo)致的任何誤差都已包含在通道規(guī)格中，因此用戶無需進(jìn)一步增加系統(tǒng)誤差預(yù)算。

圖1.輸入通道濾波和衰減

ADM9240 的輸入范圍也有偏置，因此標(biāo)稱輸入電壓電平對(duì)應(yīng)于 ADC 上的 2/25 滿量程（圖 <>）。這種縮放提供從+<>%過壓到總故障的范圍。將大部分動(dòng)態(tài)范圍置于低端可以考慮大多數(shù)誤差情況，并且還具有更大的靈活性，因?yàn)榭梢员O(jiān)視較低電壓的電源（指定低于列出的標(biāo)準(zhǔn)電平），但精度會(huì)有所降低。

圖2.輸入傳遞函數(shù)

監(jiān)測(cè)核心電壓

除了監(jiān)視固定電源外，基于奔騰 II 的系統(tǒng)還需要精確監(jiān)視處理器內(nèi)核電壓 VCCP。今天的奔騰 II（P2）使用 5 位 VID（電壓識(shí)別）代碼（高于上一代產(chǎn)品的 4 位）根據(jù) P2 提供的 VID 代碼，內(nèi)核電壓可以設(shè)置在 1.3 V 和 3.5 V 之間。

VID 代碼表

前面討論的電壓監(jiān)控要求也適用于VCCP電源，但容差要嚴(yán)格得多。用于監(jiān)控此情況的A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍設(shè)置為0 V至3.6 V，2/7滿量程設(shè)置為2.<> V。這提供了足夠的動(dòng)態(tài)范圍和精度，以適應(yīng)其他處理器內(nèi)核電壓，甚至超出P<>要求。

在可能采用不同處理器內(nèi)核電壓的雙處理器系統(tǒng)中，ADM9240提供第二個(gè)多路復(fù)用輸入通道（VCCP2）。

監(jiān)測(cè)負(fù)電壓

通過反轉(zhuǎn)信號(hào)的極性，可以監(jiān)視正輸入通道上的負(fù)電壓。但這可能不具有成本效益——它需要一個(gè)反相運(yùn)算放大器，并且浪費(fèi)了芯片“空間”。也可以使用使用正偏置和范圍的反轉(zhuǎn)解釋的低成本方案。如圖3所示：電阻R2偏置至+5 V;上限和下限（以及過壓（75%）和欠壓（25%）范圍）將被轉(zhuǎn)置。由于失調(diào)電壓取決于+5 V基準(zhǔn)電平，因此應(yīng)使用精確的+5 V基準(zhǔn)電壓源，或者（如果使用5 V電源本身）應(yīng)首先測(cè)量該輸入，并相應(yīng)地設(shè)置-12 V電源的限值。

圖3.使用正輸入通道 （VCCP） 監(jiān)控 -12V 電源

溫度監(jiān)測(cè)

溫度監(jiān)控提高了可靠性，并允許接近接近實(shí)現(xiàn)最大性能的效率。如果冷卻系統(tǒng)完全失效或惡化到不足的程度，它還可用于保護(hù)系統(tǒng)免受過熱。

硅傳感器作為電子系統(tǒng)中的溫度傳感器變得越來越重要，因?yàn)樗鼈兪蔷€性的、準(zhǔn)確的、廉價(jià)的、可靠的;并且可以與其他模擬或數(shù)字功能集成在同一 IC 上。它們利用基極-發(fā)射極電壓（在是）和硅雙極結(jié)型晶體管中的電流密度（電流/發(fā)射極面積），以產(chǎn)生與絕對(duì)溫度（PTAT）成比例的電壓。如果電流以固定比率r流過兩個(gè)相同的晶體管（或者如果相等的電流流過一個(gè)晶體管和一組r相同的并聯(lián)晶體管），則差分在是是PTAT。圖4是說明原理的電路。一個(gè)1和一個(gè)2是發(fā)射極區(qū)域，我S是反向飽和電流，k/q 是玻爾茲曼常數(shù)與電子電荷的比值，約為 86 μV/K。

圖4.硅溫度傳感器的工作原理

在ADM9240上，片內(nèi)溫度檢測(cè)使用額外的多路復(fù)用器通道（圖5）。循環(huán)時(shí)，模擬輸入和溫度通道分別由多路復(fù)用器依次選擇，并由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

圖5.電壓和溫度監(jiān)控

偏移、縮放和數(shù)據(jù)操作提供二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出。雖然理論溫度范圍為零下128oC至+127oC，但實(shí)際器件和封裝限制將其限制在-40oC至+125oC左右。

溫度傳感器的位置對(duì)于精確的溫度測(cè)量很重要。理想情況下，它應(yīng)該與被測(cè)量物體保持密切的身體接觸。這并不總是可行的，特別是當(dāng)單個(gè)傳感器只是多功能IC上的一個(gè)功能時(shí)，必須考慮其他因素。如果無法直接熱接觸，則必須表征傳感器的溫度與所需測(cè)量點(diǎn)之間的差異。通過這種方式，可以使用已知的偏移來補(bǔ)償溫差。

風(fēng)扇速度測(cè)量

風(fēng)扇速度感應(yīng)為潛在問題提供了寶貴的預(yù)警信號(hào)。風(fēng)扇是高度可靠的電子系統(tǒng)中的弱機(jī)械部件。雖然現(xiàn)代無刷風(fēng)扇比早期的刷子類型更可靠，但它們?nèi)匀蝗菀壮霈F(xiàn)機(jī)械磨損。軸承磨損和摩擦增加會(huì)減慢風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致空氣減少。如果持續(xù)監(jiān)控速度，則可以在冷卻不足導(dǎo)致嚴(yán)重問題之前發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)故障的跡象。

現(xiàn)代風(fēng)扇提供轉(zhuǎn)速計(jì)輸出（通常每轉(zhuǎn)兩個(gè)脈沖），以方便速度監(jiān)控。轉(zhuǎn)速是通過簡(jiǎn)單地計(jì)算固定時(shí)間段內(nèi)的脈沖數(shù)來確定的。

雖然這是最簡(jiǎn)單的速度監(jiān)控方案，但它很慢。例如，當(dāng)風(fēng)扇以低于 1000 RPM 的速度運(yùn)行時(shí)，需要幾秒鐘才能累積出相當(dāng)大且準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)。

ADM9240采用的技術(shù)不直接計(jì)算風(fēng)扇轉(zhuǎn)速輸出脈沖。相反，它使用轉(zhuǎn)速輸出作為高頻內(nèi)部時(shí)鐘的門控信號(hào)。通過計(jì)算門控脈沖的數(shù)量，可以確定風(fēng)扇的周期。累積計(jì)數(shù)與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速周期成正比，與速度成反比。

具體而言，片內(nèi) 22.5kHz 振蕩器被選通到 8 位計(jì)數(shù)器的輸入中，用于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速輸出的兩個(gè)周期，對(duì)應(yīng)于風(fēng)扇一圈的時(shí)間（圖 6）。

圖6.轉(zhuǎn)速計(jì)輸出和速度確定

為了適應(yīng)不同速度的風(fēng)扇，可以在計(jì)數(shù)器之前添加預(yù)分頻器（除數(shù)）。考慮以下使用ADM9240的示例。

除數(shù)為 2 時(shí)，風(fēng)扇每轉(zhuǎn)有兩個(gè)輸出脈沖，轉(zhuǎn)速為 4000 rpm，計(jì)數(shù)為 168。也就是說，在 4000 rpm 時(shí)，每分鐘有 8000 個(gè)脈沖，每秒 133.3 個(gè)脈沖;因此，脈沖對(duì)之間的間隔為 15 毫秒，計(jì)數(shù)為 0.015（22，500/2） = 168+。

當(dāng)風(fēng)扇減速時(shí)，計(jì)數(shù)增加到計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù) 255，這發(fā)生在 4000 （168.75/255） = 2647 rpm 時(shí)。

將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)輸出連接至5V/3V邏輯

由于風(fēng)扇通常由高于邏輯/監(jiān)控電路的電壓供電，因此有必要提供一個(gè)不會(huì)對(duì)邏輯施加過大壓力或正向偏置某些內(nèi)部結(jié)的接口。使用電阻/齊納二極管網(wǎng)絡(luò)的電壓箝位提供了一個(gè)很好的解決方案（圖 7）。應(yīng)選擇齊納擊穿電壓，使其低于邏輯電源電壓。采用 5V 邏輯時(shí)，適合使用 4.0V 齊納二極管。

圖7.轉(zhuǎn)速計(jì)輸出接口

控制風(fēng)扇速度

如果風(fēng)扇在額定電壓和環(huán)境溫度下移動(dòng)的空氣多于充分冷卻所需的空氣，則可以控制其速度以減少風(fēng)扇噪音和功耗，同時(shí)將溫度保持在安全水平。

最簡(jiǎn)單的控制形式是線性調(diào)整風(fēng)扇的電源電壓。例如，通過將電源調(diào)整到低于 12 V 的電壓，可以限制 12V 風(fēng)扇的速度。

但是，必須考慮到，如果電源電壓固定在低值，風(fēng)扇可能無法可靠地啟動(dòng)。使用D/A轉(zhuǎn)換器來改變速度（圖8），風(fēng)扇可以以更高的速度啟動(dòng)，然后減速到正確的值。對(duì)于 12V 風(fēng)扇，最小可靠工作電壓可能高達(dá) 6 或 7 V，允許相當(dāng)大的調(diào)整范圍。

ADM9240的8位DAC可用于風(fēng)扇速度控制。DAC的1.25 V輸出需要一個(gè)外部放大/電流提升級(jí)來驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。

圖8.風(fēng)扇速度控制

通過 LAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和監(jiān)控

硬件監(jiān)視和控制可以進(jìn)一步擴(kuò)展為在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，以便可以連續(xù)監(jiān)視整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況。英特爾的 LAN 桌面客戶端管理器 （LDCM） 是網(wǎng)絡(luò)管理軟件的一個(gè)示例，它可以監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)工作站并對(duì)其進(jìn)行故障排除，并向系統(tǒng)管理員提供未來潛在問題的早期警告。

許多網(wǎng)絡(luò)問題都是由于沒有經(jīng)驗(yàn)的用戶安裝不兼容的軟件或硬件而發(fā)生的。兩者都可以通過局域網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。機(jī)箱入侵傳感器可用于檢測(cè)未經(jīng)授權(quán)的系統(tǒng)篡改。典型的傳感器包括簡(jiǎn)單的微動(dòng)開關(guān)、干簧開關(guān)、霍爾效應(yīng)開關(guān)甚至光學(xué)傳感器。打開外殼時(shí)，開關(guān)被切換或光束斷開。

ADM9240包括一條輸入線，可連接到機(jī)箱防盜開關(guān)，向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。通常，開關(guān)使用觸發(fā)器或晶閘管連接到閉鎖電路。因此，機(jī)箱防盜閂鎖必須可由系統(tǒng)管理員重置。在ADM9240上，機(jī)箱防盜線也可以臨時(shí)配置為輸出線，以便發(fā)送清除脈沖以清除鎖存器。

圖9顯示了完整ADM9240的框圖。通過結(jié)合電壓、溫度、風(fēng)扇和機(jī)箱入侵監(jiān)控，為電子設(shè)備提供了更好控制的操作環(huán)境。對(duì)用戶的好處是提高了穩(wěn)定性、可靠性和降低擁有成本。

圖9.ADM9240原理框圖

圖10顯示了使用ADM9240的完整監(jiān)控解決方案。此電路適用于奔騰 II 型主板。同時(shí)監(jiān)控所有六個(gè)電源是否存在過壓或欠壓情況，這些情況會(huì)對(duì)電子設(shè)備構(gòu)成威脅。上限和下限通過2線系統(tǒng)管理總線（SMBus）進(jìn)行編程。主控制器通常是PIIX4南橋芯片，但也可以是專用微控制器。除了電壓監(jiān)控外，該電路還通過J2和J3監(jiān)控一對(duì)冷卻風(fēng)扇的速度。其中一個(gè)風(fēng)扇（J3）使用ADM9240上的DAC進(jìn)行速度控制以限制噪聲，而第二個(gè)風(fēng)扇則以全速連續(xù)運(yùn)行。線性速度控制為保持低聲發(fā)射提供了可靠、低噪聲的解決方案。通過連接到J1的光學(xué)、機(jī)械或磁性開關(guān)（適當(dāng)定位以避免篡改）檢測(cè)并鎖定未經(jīng)授權(quán)的系統(tǒng)篡改。請(qǐng)注意，檢測(cè)和閉鎖電路由備用電池供電，因此即使拔下系統(tǒng)插頭，監(jiān)控也會(huì)繼續(xù)。置位時(shí)，系統(tǒng)管理員可以使用對(duì)ADM9240的特殊命令清除鎖存邏輯。

圖 10.采用ADM9240的完整監(jiān)控解決方案。

下一代

在撰寫本文時(shí)，下一代硬件監(jiān)控解決方案正在開發(fā)中;它剛剛變得可用。ADM1024體現(xiàn)了上述所有原理。此外，它還包括熱二極管監(jiān)控（TDM）技術(shù)。這種革命性的技術(shù)允許通過奔騰 II 上的二極管連接晶體管持續(xù)監(jiān)控奔騰芯片本身的溫度。通過切換通過片內(nèi)二極管的兩種不同電流并測(cè)量二極管正向電壓的微小變化，可以通過原理類似于圖4所示的多路復(fù)用帶隙測(cè)量來準(zhǔn)確確定管芯溫度。

該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是可以獲得準(zhǔn)確的溫度測(cè)量值，而無需定位外部傳感器進(jìn)行親密接觸。由于傳感器現(xiàn)在正好在測(cè)量點(diǎn)，因此可以非常精確，并且完全消除了熱滯后。ADM1024內(nèi)置開關(guān)電流源以及濾波和放大輸入級(jí)。與ADM9240一樣，板載ADC將溫度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù)。

除了這些TDM通道外，ADM1024還包含額外的配置寄存器，以提供更大的靈活性。可以根據(jù)需要配置輸入通道，以測(cè)量風(fēng)扇速度或電壓或熱輸入。其他通道可以配置為監(jiān)視電壓識(shí)別位（VID），或者實(shí)際上可以用作中斷監(jiān)視輸入。

電壓、散熱、風(fēng)扇速度、機(jī)箱、VID監(jiān)控與額外的靈活性相結(jié)合，使ADM1024適用于各種下一代主板設(shè)計(jì)，無論是臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器還是工作站。

審核編輯：郭婷