一种基于GD32F107VC 的风扇控制板设计

仝林林

(山西银河电子设备厂，山西太原，030000)

1 概述

风扇作为最常见的散射器件，在大部分控制单元都随处可见，而当散热需求高，综合考虑产品尺寸，风扇大小，风量等因素时，有时会需要数量比较大风扇，此时，对控制芯片的硬件资源要求就会比较高[1]。GD32F107VC 是兆易创新的MCU 芯片，具有丰富的外设和多路定时器等硬件资源，包括串口、网口和IIC 等硬件接口，基本满足绝大部分的控制系统需求，而且该芯片具有高达5 个可以输出PWM 控制信号的定时器，而且其中的高级定时器可以输出8 路PWM 信号，通用定时器可以输出4 路PWM 信号，同时可以输出多达24 路的PWM 信号，满足大多数设计要求。

本系统的风扇调速板设计时，与主控单元的通信是基于其硬件IIC 接口实现的IPMB 总线管理，IPMB 总线应用于多主操作，IPMB 协议使用的物理层是IIC 总线。IPMB 使用“请求-应答”协议，请求消息和应答消息都是通过IIC 总线的主设备传输的，即一条请求消息是从一个作为IIC 主端的节点发出，被一个作为IIC 从节点的设备接收。请求消息和应答消息网络功能号不同，用于区分该消息是请求消息还是应答消息。在接收到控制指令后，利用其定时器1、定时器2、定时器3、定时器4 的PWM 输出和PWM 信号捕获功能实现了风扇的转速控制及转速检测功能。

GD32F107 系列芯片具有强大的定时器功能，其中包括通用定时器TIM2、TIM3、TIM4 和TIM5，高级定时器TIM1 和TIM8，以及基本定时器TIM6 和TIM7，但是TIM8 只在大容量产品中存在，在小容量芯片中，高级定时器只有TIM1[2][3]。除了具有基本的定时功能外，通用定时器和高级定时器还具有信号的频率测量，信号的PWM 测量、PWM 输出和三相6 步电机控制等功能。本文利用他的PWM 输出和信号频率检测功能，实现了风扇的转速控制及转速测量功能[4]。利用高级定时器1 输出PWM 信号时，还需要额外增加函数timer_primary_output_config(TIMER0,ENABLE)；而利用通用定时器时，则不需要该函数。

2 调速板硬件电路设计

该系统主要由GD32F107VC 作为主控芯片，在主控IIC信号与MCUIIC 信号之间采用隔离芯片，能够满足热拔插需求，保护后级芯片。BL1117 作为电源LDO 芯片，LM75A 作为温度传感器芯片搭配RS3232 进行调试组成。该系统需要实现通过IPMB 协议，实现对8 个风扇模块的风速控制和转速检测，所以需要用到16 路PWM，由于定时器2 和定时器5 共用GPIO 管脚，所以在硬件设计时，只能选用其一，本方案中选择TIM2、TIM3 进行PWM 信号输出，通过输出不同占空比的PWM信号，实现对风扇转速的控制；选用TIM1 和TIM4 进行风扇转速检测，其中为了避免管脚冲突，TIM1 需要配置成映射功能。

IPMB 协议采用GD32F107VC的硬件IIC 实现，温度传感器LM75A 采用GPIO 软件模拟IIC实现。IIC 协议在通信过程中，会首先由主机产生一个开始信号，此时，IIC 总线上的所有从设备都会收到主机发送的开始信号，开始信号产生后，总线上的所有设备等待匹配接下来主机发送的从机地址信号，当该地址信号与某从机设备地址相同时，该设备就会与主机进行通信，而其他设备则会忽略后边的数据，不对数据进行响应。在地址之后，是传输方向的选择。当传输方向为主写从时，在主机成功接收到应答信号后，主机将向从机开始发送数据，直到主机发送STOP信号后，通信结束。当传输方向为主读从时，在收到应答信号后，从机开始向主机返回数据，直到主机返回非应答信号NACK 后，从机自动停止数据发送。

本设计采用的风扇为4 线风扇，分别为红色、黑色、白色和蓝色，其中红色和黑色分别代表电源正线和电源负线，白色代表测速线，用于监测风扇的转速，作为反馈信号，防止风扇坏掉引起散热异常，蓝色代表PWM 信号线，用于调速，通过该表PWM 的占空比就可以实现对风扇转速的控制。

为了隔离风扇信号对MCU 信号的影响，在风扇信号与MCU 信号之间设计了光耦进行隔离，达到了两种电平信号之间的互相独立。

图1 MCU 原理图

图2 风扇接口原理图

图3 风扇调速板硬件设计顶层

图4 风扇调速板硬件设计底层

3 软件设计流程

GD32F107VC 最高可以工作在108MHz，在本系统中，设计其系统时钟为108MHz.软件设计流程主要为系统时钟配置，硬件IIC 初始化，串口初始化和定时器初始化。

GD32F107VC 具有两路硬件IIC 资源。本设计中进行了冗余设计，利用IIC 中断进行主控单元控制指令的接收，当收到主控的START 信号后，进入接收中断，并判断主控发送的地址是否与风扇转速控制板地址匹配，若匹配，则进行指令接收，若不匹配，则退出中断。由于硬件IIC 工作在多主模式下时，有时会出现总线忙导致程序卡死状态，所以本设计进行了超时设计，即当检测到总线忙超过指定时长时，对总线进行拉低操作，从而达到释放总线的目的。

软件流程主要包括系统时钟初始化，外设初始化，中断配置（包括定时器中断，IIC 中断，其中IIC 中断的优先级高于定时器中断），等待接收指令，PWN 输出，转速信号检测，信息上报等功能。具体流程图见图5 所示。

图5 软件流程图

对硬件IIC 的初始化流程包括：

（1）开启IIC 时钟；

（2）配置IO口，配置为GPIO_Mode_AF_OD模式（开漏输出）；

（3）选择IIC 模式；

（4）设置设备地址模式，7bit 或者10bit；

2005年汇改前，我国基本上处于固定汇率状态，因此汇率政策波动对宏观经济几乎没有影响。2005年汇改时，人民币正处于升值周期，汇改当日人民币汇率一次升值2%，对进出口贸易先有正向拉动后有负向冲击，对物价和国内商品需求也有类似影响趋势；但由于人民币汇率的升值，以美元计价的外汇储备短期内受到缩水影响，进而影响国内货币供给量；但从整体影响来看，2005年汇改并没有带来经济增长的大幅波动。

（5）设置IIC 总线的传输速率为400KHz；

（6）配置中断函数，等待开始信号。

对定时器的初始化流程包括：

（1）开启定时器时钟；

（2）配置IO 口，输出PWM 信号的管脚配置为GPIO_MODE_AF_PP 模式（推挽输出），输入信号检测管脚配置为GPIO_MODE_IN_FLOATING 模式（浮空输入）；

（3）设置寄存器参数，包括自动重装载寄存器和预分频寄存器；

（4）设置定时器为PWM 模式，使能对应通道输出功能或输入捕获功能。

（5）在定时器初始化时，PWM 输出信号的频率主要有两个参数决定，分别为装载数ARR 和分频系数PRESCALER。PWM的频率为:定时器时钟/(ARR+1)/(PRESCALER),在本系统中，定时器时钟为108MHz，ARR 为39，分频系数为107，所以PWM 的输出频率为25KHz。此外，通过改变分频系数的值分别为4，9,14,19,24，29,34，39，实现占空比,12.5%，25%，37.5%，50%，62.5%，75%，87.5%，100%8 种不同占空比的PWM 输出，从而实现风扇的8 档风速控制。

（6）而对输入信号检测定时器的配置，配置自动重装载值为65536，分频系数为107。

（7）利用PWM 的输入模式，可以采集输入信号的频率，其中输入捕获模式，是上升沿触发，记录一个时间t1，下一次上升沿时记录第二个时间t2，两个时间之差就是标准时钟周期内检测到的输入信号脉冲的个数，用标准时钟频率除以个数，即为检测信号的频率，根据风扇的技术说明书可知，该频率乘以30，即为风扇此刻的转速。

当程序收到主控的设置风扇指令时，程序首先会读取当前的环境温度，若温度值低于预设值，则不对设置指令进行响应，防止低温环境下，风扇工作时造成风扇损坏。当温度值满足条件时，进行相应占空比的PWM 信号输出，并反馈给主控程序是否设置成功。

4 结束语

本文设计以GD32F107VC 为控制芯片，利用其定时器功能进行PWM 信号输出和转速信号捕获，利用其硬件IIC 实现与主控模块的IPMB 协议通信，本设计对研究GD32F107VC 的定时器研究和硬件IIC 研究具有一定的指导意义，为后续类似的风扇控制系统设计提供了一种解决方案，具有一定的现实意义。