一种基于电脑硬件监控电路的控制系统 概述 本文涉及电脑中的控制系统，尤其基于主板上具有硬件监控电路的电脑。电脑技术的发展日新月异，其中中央处理器CPU和集成电路的主频和集成度在不断提高，因此会产生大量的热量，使器件和电脑机箱内部温度上升，通常使用风扇来通风散热，多数电脑的主板上都带有硬件监控电路，实时监测和控制电脑的运行状况，例如监控CPU风扇、CPU温度、机箱风扇、机箱温度。在这些监控电路中广泛应用了脉冲宽度调制（PWM）和自动控制技术，电脑运行过程中硬件监控电路会根据被测元件的温度或风扇转速信号自动调节风扇转速，电脑采用灵巧风扇（Smart fan）技术，电脑硬件监控电路会根据设定温度或设定转速控制风扇转动，给电脑器件散热，温度下降或转速偏高时，风扇转速自动降低，温度上升或转速偏低时，风速转速自动上升，目的是降低风扇噪声，节约电量使用，延长风扇寿命，保证系统有效工作。 通常,电脑硬件监控电路的IC芯片提供2-8个风扇转速计数（fan speed count）输入口和2-4个风扇转速控制（fan speed control）输出口，这些风扇I/O端口及其监控电路的用途专一，只用于电脑主板连接直流风扇。 在现有的电脑中，尽管厂商和CPU主频不同，电脑冷却风扇外型和转速不一，但电脑主板上的风扇接口的电气参数却为众厂商共同遵守，一般采用3脚风扇，插头2是电源正极，为直流风扇提供+12VMAX工作电源，控制风扇转速时此端可以通过调节PWM占空比改变电压；插头3是公共地（G）；插头1是检测风扇转速快慢的反馈信号输入端，对于具有测速功能的风扇，风扇每旋转一周释放两个脉冲信号(下面均以此为分析依据)，电脑硬件监控电路就会据此计算出风扇的旋转速度。电脑和风扇厂商提供的资料及实际测量均表明，风扇转速信号的脉冲波形是矩形波，矩形波的信号频率f与转速N成线性关系，风扇转速脉冲与周期T相关, 测量单位时间内出现的脉冲个数，即可得出转速值的大小: 周期 T=tl+t2 转速 N=60÷（2×T） （转／分钟） 又频率f与周期的关系是:f=1/T，f的单位是赫兹(Hz)，T的单位是秒(S)， 得： N=30×f (转/分钟) 式 1 一般情况，风扇旋转一周产生的脉冲数为n时，则转速N=60÷n×f , n=l、2、3、4等。输出信号的高电平VOh，即电压幅值由主板电路决定，输出信号的低电平VOL由风扇内置测速信号电路决定，风扇内置测速信号电路输出采用集电极开路型式，外接上拉负载电阻， Q导通时I=lO mAmax输出电压VOl=0.4伏 (典型值) Q断开时I≈ O mAmin输出电压VOh=Ec (主板监控电路工作电压) 因为输出Vo是取自主板监控电路电源，所以电扇测速信号发生电路自动适应主板芯片的工作电压，风扇转速在电脑的基本输入输出系统(BIOS)中可见，使用应用软件(程序)在操作系统下也可监测风扇转速，BIOS和应用程序可以根据风扇转速输入的不同数值作显示和控制。 在电脑应用系统的输入通道中，传感器输出的模拟电压(电流)，须经A/D转换器转换后再送入电脑处理。A/D转换的方法之一是电压/频率（V/F）转换法，V/F转换是将模拟信号转换成频率信号再送入电脑，尽管频率测量的响应速度较慢，但V/F转换的特点是有良好的精度与线性，价格低，频率测量本身使一个计数过程，V/F转换过程是对输入信号不断积分，因而抗干扰能力强，多用于一些非快速过程参量的测量，在满足电平要求时可直接输入到接口电路的I/O口，或定时/计数器端口。 电脑风扇转速信号的计数、风扇转速控制和运算由硬件监控电路完成，硬件监控电路以接口集成电路为核心组成。硬件监控电路多采用高度集成的集成电路如W83782D、W83637HF、ADM1031等，这些芯片的共有基本特性是1.均为可编程器件，2.均用PWM调节占空比控制风扇转速，3.均提供风扇转速计数和温度测量通道，本文论述和例均以W83637HF来说明，该系列产品在市场上有较广的应用，具有典型性和代表性，其它芯片工作原理类似。硬件监控电路系统中的功能主要完成温度和转速的设定、调节区间的设定、温度和转速的检测，以及温度和转速偏差的形成和控制运算。W83637HF是一种通用接口电路，提供输入输出设备连接，具有驱动器接口、串行接口、并行接口、键盘和鼠标接口、红外口、智能卡接口、系统电源管理等等。与本文相关的主要功能有W83637HF提供的电脑硬件状态监视，，如工作电压、风扇转速、CPU温度。W83637HF支持灵巧风扇（Smart fan）控制系统，包括温度巡环（Thermal Cruise）和转速巡环（Speed Cruise）这两种自动方式。 硬件监控电路具有风扇转速控制功能，控制风扇转速使用调节风扇工作电压的方法，调节风扇工作电压是通过调节PWM占空比（Duty cycle）实现，电路输出电压与PWM占空比成线性关系，因此输出电压： Vo=Vcc×PWM Duty cycle 式5 PWM输出经平滑滤波后变为模拟电压，调节PWM占空比使输出电压的摆幅（调节范围）是0-12伏（对12V直流电源），其实质是一个数/模转换器。 在不同电脑和电子设备中的电路中也有直流+5V、+24V、+48V等电压等级，同样适用上述分析结果。 电脑硬件监控电路具有灵巧风扇自动控制系统，灵巧风扇自动控制系统根据系统组成方式和返回信号是温度或是转速之分有2种，一种是温度巡环（Thermal Cruise）自动控制系统，另一种是转速巡环（Speed Cruise）自动控制系统。在温度巡环方式下，有3路温度/PWM电压控制：系统温度/PWM1电压控制、CPU温度/ PWM2电压控制、机箱温度/ PWM3电压控制，PWM电压控制通过风扇转速控制端输出。由集成电路W83637HF提供的灵巧风扇自动控制系统，能够根据设定的温度自动控风扇转速，保持温度在设定的温度范围内。通过BIOS设定温度和温度允许区间（例如55±3度），运行中只要温度在设定区间内，风扇处于停止状态，一旦温度超出设定温度的上限值（58度），风扇将开起以设定的转速运转，然后硬件监控电路根据温度的改变自动控制PWM占空比改变风扇电压，调节风扇转速，讨论下面3种情况： （1）如果温度仍然超出上限设定T（例如：58度），PWM占空比将会缓慢增加，如果风扇已经是最高转速运行（占空比最大），而温度仍超出设定上限（例如58度），系统将产生一警告信息，以保护电脑系统。 （2）如果温度在设定上限之下（例如58度），但在设定下限之上（例如52度），风扇转速将保持在当前转速不变，只要温度在设定的区间内（52—58度）都如此。 （3）如果温度在设定下限（例如52度），PWM占空比将会缓慢减少，直至转速为零，只要温度在52度以下，风扇就不运转。 在风扇转速巡环方式下，系统提供了3路转速/PWM电压控制：风扇转速1/PWM1电压控制、风扇转速2/ PWM2电压控制、风扇转速3/PWM3电压控制，风扇转速通过风扇转速计数端输入。由W83637HF根据设置的预定转速（常用转速因子Count表示，以方便分析，Count与转速的关系见式6）控制风扇的转速，使风扇转速在一定区间内运行。通过BIOS设定需要的风扇转速因子Count（设定转速），例如设定Count为160±10，只要风扇的转速在设定范围内，输出PWM占空比将保持不变，风扇工作电压则不变；如果当前风扇转速因子高于设定的上限，例如160+10，则PWM占空比将增加，输出电压增加以保持转速因子小于设定上限，另一种情况，如果当前风扇转速常数低于设定的下限160-10，则PWM占空比将减小，输出电压减小以保持转速因子在设定下限之上。 在温度巡环和转速巡环系统中，都要接受硬件监控电路W87637HF的指令，因此硬件监控电路W87637HF是实际上的控制器，是控制系统的核心。 在电脑的温度巡环方式运行时，反馈环节是用A/D代替了T/F：这时使用半导体温度传感器，传感器输出到电脑监控电路的是模拟信号，经监控电路内A/D转换器变成数字信号。硬件监控电路W83637HF起着控制器的作用，把温度传感器送来的测量信号与设定温度进行比较，得到偏差信号，并按照预先设计好的控制算法进行运算之后，通过调节PWM占空比调节输出电压信号，风扇起着执行器的作用，被调对象即电脑部件，在这种运行方式下，电脑部件温度的高低决定风扇转速的大小，这是一个闭环自动控制系统。 发明内容 本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于电脑硬件监控电路的监测和控制系统的组成方法(和装置)，它可更大限度地利用电脑的资源，能够监测和控制更广泛对象（如电脑内部和外部外的器件、设备）。 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是： 本发明由电脑、执行器、被控对象、传感器组成闭环自动控制系统，它利用电脑主板上的硬件监控电路作为控制器；用硬件监控电路上已集成的PWM风扇转速控制输出和放大电路，完成输出通道的数/模（D/A）转换，用于驱动执行器；用硬件监控电路上已集成的风扇转速计数输入端作检测信号输入端，用参数/频率转换器将传感器输出的被控对象参数转换成频率信号，完成输入通道的模/数（A/D）转换；被控对象是电脑内部器件或外部设备。通过电脑的基本输入输出系统（BIOS）设置被调参数（定值和允许区间）。 这样做的有益效果是：将专一转速信号测量通道变化成为多用途信号测量通道；将专一