采用混合信號(hào)FPGA實(shí)現(xiàn)智能化熱管理(07-100)

　　從方程 (1) 中解出將要送到ADC的轉(zhuǎn)換電壓，即如下的方程 (2)；進(jìn)而得到混合信號(hào)FPGA所測(cè)量出的電壓值。

　　DV = T * n * k * ln(IH / IL) / q (2)

　　DV = 298 * 1 * (1.38x10-23 J/K) * ln(10) / (1.602x10-19C)

　　DV = 298 * 0.00019835 = 59 mV

　　在室溫下，電壓值相對(duì)較小?；旌闲盘?hào)FPGA中的溫度監(jiān)視電路內(nèi)置一個(gè)12.5倍放大器，可將預(yù)測(cè)信號(hào)放大，從而使溫度信號(hào)的測(cè)量更精確。因此，考慮到電壓信號(hào)到達(dá)ADC前會(huì)被放大，需要對(duì)方程 (2)進(jìn)行修改，即：

　　DV = (T * n * k * ln(IH / IL) / q ) *12.5

　　DV = ( 298 * 0.00019835) * 12.5 = 738 mV

　　噪聲濾除

　　通常，溫度測(cè)量值都難免包含討厭的噪聲。為去除噪聲，通常的做法是將多次測(cè)量值平均，并采用這個(gè)平均后的結(jié)果。好在溫度是個(gè)變化相對(duì)慢的參數(shù)，因此測(cè)量多次 (常?？蛇_(dá)1,000次) 也不必?fù)?dān)心實(shí)際信號(hào)變化。通過過濾系統(tǒng)級(jí)噪聲，混合信號(hào)FPGA能輕松地對(duì)這些測(cè)量值取平均。所使用的軟件工具一般也提供方便的圖形用戶接口 (GUI)，用戶可用它來設(shè)置平均或過濾因數(shù)。

　　在確定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行

　　既然可以測(cè)量出系統(tǒng)內(nèi)某一位置的溫度，那么設(shè)計(jì)人員該如何使用這個(gè)信息呢？

　　大多數(shù)系統(tǒng)都應(yīng)在某些溫度范圍內(nèi)工作。因此，只有知道系統(tǒng)的這些工作溫度范圍，才能讓系統(tǒng)作出相應(yīng)的響應(yīng)?；旌闲盘?hào)FPGA能輕松監(jiān)視平均溫度，并將其與用戶定義的溫度閾值比較，從而設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。而且，由于這種FPGA是可編程邏輯器件，因此可設(shè)置不同的閾值。

　　為說明這一點(diǎn)，我們舉個(gè)例子。假設(shè)用戶為一塊電信用的線路卡定義了三種工作溫度范圍：正常、偏熱、過熱。讀取的溫度將作為反饋信號(hào)去控制系統(tǒng)所需要的冷卻量。

　　當(dāng)平均溫度處于“正常”范圍，無需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改變；這時(shí)系統(tǒng)工作在理想的條件下，并設(shè)置“正常”標(biāo)志。然而，某些內(nèi)部或外部因素可能對(duì)系統(tǒng)造成影響，致使工作溫度從“正常”范圍移進(jìn)“偏熱”范圍，此時(shí)，“正常”標(biāo)志將被清除，并設(shè)置“偏熱”標(biāo)志。雖然這個(gè)范圍按定義還是有效工作的溫度范圍，但系統(tǒng)正在接近有可能造成系統(tǒng)損壞的溫度。而且，如果此時(shí)冷卻系統(tǒng)過載或不正常，溫度將繼續(xù)升高，最后導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的線路卡損壞。智能熱管理系統(tǒng)就是用于防止這類事情發(fā)生。

　　系統(tǒng)現(xiàn)在開始采取修正措施。線路卡通知系統(tǒng)主控 (即混合信號(hào)FPGA)，告之系統(tǒng)溫度已升高。系統(tǒng)主控隨即提高冷卻系統(tǒng)的輸出，以抑制溫度的攀升；即冷卻系統(tǒng)應(yīng)提高輸出，使系統(tǒng)返回到“正常”溫度范圍，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。此外，擔(dān)任主控的混合信號(hào)FPGA還可將該熱事件及其發(fā)生的時(shí)間記錄到嵌入式的閃存中，供維護(hù)人員事后取用。

　　當(dāng)平均溫度從“偏熱”變成“過熱”，混合信號(hào)FPGA會(huì)采取更嚴(yán)重的措施，因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)已處于極端的危險(xiǎn)狀態(tài)。于是線路卡開始關(guān)閉程序，以防止損壞。線路卡此時(shí)可向主控發(fā)送信號(hào)，告訴主控已關(guān)閉程序。線路卡發(fā)生過熱的情況以及發(fā)生時(shí)間將保存到嵌入式閃存中，供事后調(diào)試和故障分析使用。而且，混合信號(hào)FPGA會(huì)關(guān)斷線路卡的電源，防止損壞。

　　結(jié)語

　　隨著尺寸越來越小、處理速度越來越快的器件大量用于各種應(yīng)用系統(tǒng)，熱管理在當(dāng)今許多設(shè)計(jì)中正在成為日益越重要的方面。采用混合信號(hào)FPGA，只需外接一些采用二極管接法的晶體管，就可測(cè)量一個(gè)系統(tǒng)板卡上許多位置的溫度?；旌闲盘?hào)FPGA還能夠過濾噪聲信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量。由于采用了可編程邏輯器件，因此可以建立非常靈活的熱窗口 (即不同的溫度范圍)，并給每種窗口定義其獨(dú)有的系統(tǒng)響應(yīng)方式，包括對(duì)熱事件進(jìn)行簡(jiǎn)單的時(shí)間標(biāo)記，以及關(guān)閉系統(tǒng)，以避免造成永久性熱損壞?；旌闲盘?hào)FPGA可以簡(jiǎn)單、低價(jià)的方式，將熱管理功能集成在全面的系統(tǒng)管理解決方案中。