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DSP小型直流风扇自动化测试系统解析
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2017-10-29
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随着IT产业的迅速发展，用在电子产品上的带PWM控制的小型直流散热风扇（以下简称风扇）的需求量越来越大。这一类直流风扇在出厂前需进行性能测试，也就是对风扇所用的微型直流电机的电流和转速进行测试。具体的方式是给风扇提供多种占空比的PWM控制信号，在不同的占空比下分别测试风扇的电流和转速。传统的测试方法需采用多台通用仪器：用信号发生器提供风扇所需的PWM信号，通过电阻采样风扇的电流，并送电压表头显示，使用光电感应的方法测转速，通过示波器观察波形。采用传统方法，就必须在生产线上设置多个测试工位，每个测试工位只能测量一种占空比下PWM信号控制的风扇电流和转速。因此，每个测试工位都要配备测试员和整套的测试仪器，使得成本很高。更重要的问题是测试效率低，这是因为要完成一个风扇的测试必须经过多个工位，每个工位测试时都要插拔风扇的接线，导致测试效率很低。传统的测试方法已成为直流风扇制造环节的瓶颈，生产企业越来越迫切地需要一种专用的自动化测试系统来提高测试效率。针对这种状况，研制了一种基于TI公司的DSP控制器TMS320F2812A的新型直流风扇自动测试系统。该系统给风扇提供各种占空比的PWM控制信号，通过DSP自带的A/D通道采样风扇的电流信号和OP（Output Pulse）信号，计算出风扇的电流和转速，送到液晶屏上显示，同时还通过CAN总线送到上位机保存和分析。此系统可同时测试四个风扇，在一个工位上一次接线就能完成所有占空比下的电流和转速的测试，实现了直流风扇的一站式测试，大大提高了测试效率。
1 TMS320F2812A简介
TMS320F2812A（以下简称F2812A）是TI公司的TMS320C2000系列DSP控制器中最新也是性能最好的一种。其性能为：32bit处理器精度，最高主频150MHz，128K×16bit FLASH，18K×16bit SRAM，高达56个通用I/O引脚。F2812A有两个事件管理器模块，片上资源非常丰富，不需扩展很多外设。F2812A带有16路12位的高速A/D转换器，输入模拟电压范围是0～3V，最高采样率为12.5MSPS，自动排序器可以提供高达16路的通道自动切换，也可以分成两个独立的8通道自动切换。F2812最多可提供16路PWM波形输出，支持SCI、SPI、MCBSP、eCAN 等多种通信方式［1］。
2 系统硬件组成
该测试系统的硬件结构框图如图1所示，可以同时测试四个风扇。硬件部分主要包括：风扇的电流和输出脉冲（OP）的信号采集和信号调理电路、PWM输出电路、启动上电电路、CAN通信和键盘显示接口等部分。当F2812控制器接收到启动信号时，通过通用I/O（GPIO）口给风扇加电，同时通过F2812片内的PWM模块输出占空比可调的矩形波信号控制风扇的转速。风扇的电流信号和OP信号经过信号调理电路进入到F2812的片内A/D转换器，转换成数字信号供DSP处理。DSP计算出来的电流和转速值显示在液晶显示器上，同时通过CAN总线传送到上位机进行保存和分析。键盘的作用是输入测试参数，包括PWM信号的占空比、转速和电流的上下限参数等。
图1 测试系统硬件结构框图
2.1 风扇电流和OP信号的采集调理电路
F2812A带有16路12位的高速A/D转换器，输入模拟电压范围为0～3V，最高采样率为12.5MSPS。本系统所检测的风扇的电流会因型号不同而差别很大，小到几十毫安，大到二、三安培。如采用常用的串精密电阻采样的方法，当被测电流较大时，电阻的压降对电路的带负载能力会产生较大的影响;当被测电流很小时，电阻上产生的压降又太小，会直接影响测量的精度，所以这种采用串电阻直接测量的方法很难满足直流风扇测试的要求。
在本系统中，采用了美国MAXIM公司的双向精密电流传感放大器MAX471。MAX471内置35mΩ的精密传感电阻，可测量的电流范围是±3A，其响应时间、速度和漂移等指标均很理想，可以适应3A以内的各种规格直流风扇的电流测量。MAX471的原理框图［2］如图2所示。电流信号通过RS+和RS-输入到MAX471的采样电阻RSENSE上，MAX471通过一个2kΩ的输出电阻将电流转换成0～3V的电压信号，直接送到DSP的A/D转换器中。
OP信号是从风扇直接输出的一串方波信号，其频率和风扇的转速成正比，用于检测风扇的转速。OP信号是电压信号，经电阻分压转换到0～3V内，然后经过一个电压跟随器传送到DSP的A/D输入端。
图2 MAX471的原理框图
随着IT产业的迅速发展，用在电子产品上的带PWM控制的小型直流散热风扇（以下简称风扇）的需求量越来越大。这一类直流风扇在出厂前需进行性能测试，也就是对风扇所用的微型直流电机的电流和转速进行测试。具体的方式是给风扇提供多种占空比的PWM控制信号，在不同的占空比下分别测试风扇的电流和转速。传统的测试方法需采用多台通用仪器：用信号发生器提供风扇所需的PWM信号，通过电阻采样风扇的电流，并送电压表头显示，使用光电感应的方法测转速，通过示波器观察波形。采用传统方法，就必须在生产线上设置多个测试工位，每个测试工位只能测量一种占空比下PWM信号控制的风扇电流和转速。因此，每个测试工位都要配备测试员和整套的测试仪器，使得成本很高。更重要的问题是测试效率低，这是因为要完成一个风扇的测试必须经过多个工位，每个工位测试时都要插拔风扇的接线，导致测试效率很低。传统的测试方法已成为直流风扇制造环节的瓶颈，生产企业越来越迫切地需要一种专用的自动化测试系统来提高测试效率。针对这种状况，研制了一种基于TI公司的DSP控制器TMS320F2812A的新型直流风扇自动测试系统。该系统给风扇提供各种占空比的PWM控制信号，通过DSP自带的A/D通道采样风扇的电流信号和OP（Output Pulse）信号，计算出风扇的电流和转速，送到液晶屏上显示，同时还通过CAN总线送到上位机保存和分析。此系统可同时测试四个风扇，在一个工位上一次接线就能完成所有占空比下的电流和转速的测试，实现了直流风扇的一站式测试，大大提高了测试效率。
1 TMS320F2812A简介
TMS320F2812A（以下简称F2812A）是TI公司的TMS320C2000系列DSP控制器中最新也是性能最好的一种。其性能为：32bit处理器精度，最高主频150MHz，128K×16bit FLASH，18K×16bit SRAM，高达56个通用I/O引脚。F2812A有两个事件管理器模块，片上资源非常丰富，不需扩展很多外设。F2812A带有16路12位的高速A/D转换器，输入模拟电压范围是0～3V，最高采样率为12.5MSPS，自动排序器可以提供高达16路的通道自动切换，也可以分成两个独立的8通道自动切换。F2812最多可提供16路PWM波形输出，支持SCI、SPI、MCBSP、eCAN 等多种通信方式［1］。
2 系统硬件组成
该测试系统的硬件结构框图如图1所示，可以同时测试四个风扇。硬件部分主要包括：风扇的电流和输出脉冲（OP）的信号采集和信号调理电路、PWM输出电路、启动上电电路、CAN通信和键盘显示接口等部分。当F2812控制器接收到启动信号时，通过通用I/O（GPIO）口给风扇加电，同时通过F2812片内的PWM模块输出占空比可调的矩形波信号控制风扇的转速。风扇的电流信号和OP信号经过信号调理电路进入到F2812的片内A/D转换器，转换成数字信号供DSP处理。DSP计算出来的电流和转速值显示在液晶显示器上，同时通过CAN总线传送到上位机进行保存和分析。键盘的作用是输入测试参数，包括PWM信号的占空比、转速和电流的上下限参数等。
图1 测试系统硬件结构框图
2.1 风扇电流和OP信号的采集调理电路
F2812A带有16路12位的高速A/D转换器，输入模拟电压范围为0～3V，最高采样率为12.5MSPS。本系统所检测的风扇的电流会因型号不同而差别很大，小到几十毫安，大到二、三安培。如采用常用的串精密电阻采样的方法，当被测电流较大时，电阻的压降对电路的带负载能力会产生较大的影响;当被测电流很小时，电阻上产生的压降又太小，会直接影响测量的精度，所以这种采用串电阻直接测量的方法很难满足直流风扇测试的要求。
在本系统中，采用了美国MAXIM公司的双向精密电流传感放大器MAX471。MAX471内置35mΩ的精密传感电阻，可测量的电流范围是±3A，其响应时间、速度和漂移等指标均很理想，可以适应3A以内的各种规格直流风扇的电流测量。MAX471的原理框图［2］如图2所示。电流信号通过RS+和RS-输入到MAX471的采样电阻RSENSE上，MAX471通过一个2kΩ的输出电阻将电流转换成0～3V的电压信号，直接送到DSP的A/D转换器中。
OP信号是从风扇直接输出的一串方波信号，其频率和风扇的转速成正比，用于检测风扇的转速。OP信号是电压信号，经电阻分压转换到0～3V内，然后经过一个电压跟随器传送到DSP的A/D输入端。
图2 MAX471的原理框图
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