在當今基于微處理器的系統中，電氣、機械和熱環境的管理變得越來越重要。本文將重點介紹精確的電壓和溫度監控以及其他硬件監控要求。我們將研究精確測量的技術，并為ADM9240芯片所體現的基于奔騰II的系統中的一系列硬件監控任務提供解決方案。

隨著IC和系統設計人員尋求從設計中榨取每一點性能，硬件監測和控制已成為電路板設計目標不可或缺的一部分。例如，需要保持精確的電源電壓水平，并持續處理高性能芯片產生的熱量。控制回路的反饋部分通過硬件監控完成 - 連續測量關鍵系統參數，如電源電壓，內部溫度，冷卻風扇性能和其他環境因素。通過嚴格控制這些參數以保持在嚴格的限制范圍內，可以最大限度地提高系統性能，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品清楚地表明了硬件監視和控制的重要性。時鐘速率超過 450 MHz 的最新奔騰 II 微處理器需要復雜、高度穩定的電源電壓 - 簡單的 +5 或 +3.3V 電源已不再足夠。相反，奔騰內核邏輯需要 1.3 至 3.5 V 的數字可調電壓和 50mV 分辨率。所需的實際電壓取決于許多因素。當考慮到流過印刷電路板（PCB）走線電阻和電感的電流的動態變化性質時，將電壓控制到這種程度并不是一個微不足道的要求。除了處理器芯片的要求外，典型系統還需要至少4個其他穩壓電源：+12V、-12V、+5V和+3.3V，用于其他功能，如磁盤驅動器、視頻電路、PC卡等。為了保持長期可靠性，必須精確監測和控制所有這些電壓。簡單的電壓比較器類型的電路可用于監視固定電源;但是，監控可變負載的高精度電源需要更復雜的解決方案，涉及電壓電平的模數轉換。

除了嚴格控制的工作電壓外，當今的許多系統還依賴于熱管理方法，例如主動散熱、對流冷卻和強制風冷提供的冷卻，以保持可靠的工作條件。隨著IC和系統變得越來越快、越來越復雜、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，通常與風扇速度監測和控制相結合，是當今用于確保系統可靠性的幾種技術。通過控制風扇速度，可以實現更高的效率、更低的功耗和更低的噪音水平。

受益于有效硬件監控的另一個重要領域是總擁有成本 （TCO）。所有重要功能都受到持續監控，并將結果傳達給系統管理軟件。在發生代價高昂的損壞之前，可以檢測到即將發生的故障，識別來源并采取糾正措施，甚至調用系統關閉。例如，可以通過監控其速度來檢測堵塞的冷卻風扇。當速度從其標稱速度降低 10% 到 15% 時，軟件可以注意到問題并在劣化造成額外損壞之前關閉系統。以 10 美元的價格更換風扇比更換 1000 美元的 CPU 或更昂貴的系統主板更具吸引力。

多通道電壓、溫度和風扇速度監控，以及每個參數的可編程限值設置，對于實現監測和控制目標大有幫助。我們將在下面討論一些在基于奔騰的系統中實現此目的的特定技術。該演示將采用ADI公司的新型監控IC ADM9240，以展示優化監控策略的方法。

電壓監控

在一個典型的系統中，需要監控多達六個電壓通道。典型系統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，具有數字讀數的多路復用數據采集系統提供了最大的靈活性?；?A/D 轉換器的解決方案有助于軟件控制和限值設置。一旦轉換為數字域，數據就很容易作、處理和存儲，以供歷史參考。

以下是必須解決的一些注意事項，以便將信號從模擬精確轉換為數字： 由于被測電源通常使用開關模式技術產生，因此開關引入的噪聲會使其電壓難以準確監控。開關毛刺和負載相關電壓偏移可能是雜散報警的來源。因此，監控電路必須抑制電源毛刺和偏移，但仍要足夠快，以檢測電源何時真正超出容差。當電源確實超出公差時，重要的是報告它，以便盡快處理情況，以避免系統性能錯誤甚至損壞。

ADM9240的輸入電路（圖1）具有雙重作用：

一個。過濾輸入信號
b.衰減輸入電平，使其調整為板載ADC的
基準電壓。

在片上集成衰減網絡具有重要優勢。由于電阻不準確或不匹配而導致的任何誤差都已包含在通道規格中，因此用戶無需進一步增加系統誤差預算。

圖1.輸入通道濾波和衰減

ADM9240 的輸入范圍也有偏置，因此標稱輸入電壓電平對應于 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。將大部分動態范圍置于低端可以考慮大多數誤差情況，并且還具有更大的靈活性，因為可以監視較低電壓的電源（指定低于列出的標準電平），但精度會有所降低。

圖2.輸入傳遞函數

監測核心電壓

除了監視固定電源外，基于奔騰 II 的系統還需要精確監視處理器內核電壓 VCCP。今天的奔騰 II（P2）使用 5 位 VID（電壓識別）代碼（高于上一代產品的 4 位）根據 P2 提供的 VID 代碼，內核電壓可以設置在 1.3 V 和 3.5 V 之間。

VID 代碼表

前面討論的電壓監控要求也適用于VCCP電源，但容差要嚴格得多。用于監控此情況的A/D轉換器輸入范圍設置為0 V至3.6 V，2/7滿量程設置為2.<> V。這提供了足夠的動態范圍和精度，以適應其他處理器內核電壓，甚至超出P<>要求。

在可能采用不同處理器內核電壓的雙處理器系統中，ADM9240提供第二個多路復用輸入通道（VCCP2）。

監測負電壓

通過反轉信號的極性，可以監視正輸入通道上的負電壓。但這可能不具有成本效益——它需要一個反相運算放大器，并且浪費了芯片“空間”。也可以使用使用正偏置和范圍的反轉解釋的低成本方案。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）將被轉置。由于失調電壓取決于+5 V基準電平，因此應使用精確的+5 V基準電壓源，或者（如果使用5 V電源本身）應首先測量該輸入，并相應地設置-12 V電源的限值。

圖3.使用正輸入通道 （VCCP） 監控 -12V 電源

溫度監測

溫度監控提高了可靠性，并允許接近接近實現最大性能的效率。如果冷卻系統完全失效或惡化到不足的程度，它還可用于保護系統免受過熱。

硅傳感器作為電子系統中的溫度傳感器變得越來越重要，因為它們是線性的、準確的、廉價的、可靠的;并且可以與其他模擬或數字功能集成在同一 IC 上。它們利用基極-發射極電壓（在是）和硅雙極結型晶體管中的電流密度（電流/發射極面積），以產生與絕對溫度（PTAT）成比例的電壓。如果電流以固定比率r流過兩個相同的晶體管（或者如果相等的電流流過一個晶體管和一組r相同的并聯晶體管），則差分在是是PTAT。圖4是說明原理的電路。一個1和一個2是發射極區域，我S是反向飽和電流，k/q 是玻爾茲曼常數與電子電荷的比值，約為 86 μV/K。

圖4.硅溫度傳感器的工作原理

在ADM9240上，片內溫度檢測使用額外的多路復用器通道（圖5）。循環時，模擬輸入和溫度通道分別由多路復用器依次選擇，并由ADC轉換為數字量。

圖5.電壓和溫度監控

偏移、縮放和數據操作提供二進制補碼輸出。雖然理論溫度范圍為零下128oC至+127oC，但實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于精確的溫度測量很重要。理想情況下，它應該與被測量物體保持密切的身體接觸。這并不總是可行的，特別是當單個傳感器只是多功能IC上的一個功能時，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量點之間的差異。通過這種方式，可以使用已知的偏移來補償溫差。

風扇速度測量

風扇速度感應為潛在問題提供了寶貴的預警信號。風扇是高度可靠的電子系統中的弱機械部件。雖然現代無刷風扇比早期的刷子類型更可靠，但它們仍然容易出現機械磨損。軸承磨損和摩擦增加會減慢風扇的轉速，導致空氣減少。如果持續監控速度，則可以在冷卻不足導致嚴重問題之前發現預測故障的跡象。

現代風扇提供轉速計輸出（通常每轉兩個脈沖），以方便速度監控。轉速是通過簡單地計算固定時間段內的脈沖數來確定的。

雖然這是最簡單的速度監控方案，但它很慢。例如，當風扇以低于 1000 RPM 的速度運行時，需要幾秒鐘才能累積出相當大且準確的計數。

ADM9240采用的技術不直接計算風扇轉速輸出脈沖。相反，它使用轉速輸出作為高頻內部時鐘的門控信號。通過計算門控脈沖的數量，可以確定風扇的周期。累積計數與風扇的轉速周期成正比，與速度成反比。

具體而言，片內 22.5kHz 振蕩器被選通到 8 位計數器的輸入中，用于風扇轉速輸出的兩個周期，對應于風扇一圈的時間（圖 6）。

圖6.轉速計輸出和速度確定

為了適應不同速度的風扇，可以在計數器之前添加預分頻器（除數）?？紤]以下使用ADM9240的示例。

除數為 2 時，風扇每轉有兩個輸出脈沖，轉速為 4000 rpm，計數為 168。也就是說，在 4000 rpm 時，每分鐘有 8000 個脈沖，每秒 133.3 個脈沖;因此，脈沖對之間的間隔為 15 毫秒，計數為 0.015（22，500/2） = 168+。

當風扇減速時，計數增加到計數器的最大計數 255，這發生在 4000 （168.75/255） = 2647 rpm 時。

將風扇轉速計輸出連接至5V/3V邏輯

由于風扇通常由高于邏輯/監控電路的電壓供電，因此有必要提供一個不會對邏輯施加過大壓力或正向偏置某些內部結的接口。使用電阻/齊納二極管網絡的電壓箝位提供了一個很好的解決方案（圖 7）。應選擇齊納擊穿電壓，使其低于邏輯電源電壓。采用 5V 邏輯時，適合使用 4.0V 齊納二極管。

圖7.轉速計輸出接口

控制風扇速度

如果風扇在額定電壓和環境溫度下移動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扇噪音和功耗，同時將溫度保持在安全水平。

最簡單的控制形式是線性調整風扇的電源電壓。例如，通過將電源調整到低于 12 V 的電壓，可以限制 12V 風扇的速度。

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

ADM9240的8位DAC可用于風扇速度控制。DAC的1.25 V輸出需要一個外部放大/電流提升級來驅動風扇。

圖8.風扇速度控制

通過 LAN 網絡進行控制和監控

硬件監視和控制可以進一步擴展為在網絡上運行，以便可以連續監視整個計算機網絡的運行狀況。英特爾的 LAN 桌面客戶端管理器 （LDCM） 是網絡管理軟件的一個示例，它可以監控網絡上的各個工作站并對其進行故障排除，并向系統管理員提供未來潛在問題的早期警告。

許多網絡問題都是由于沒有經驗的用戶安裝不兼容的軟件或硬件而發生的。兩者都可以通過局域網遠程監控。機箱入侵傳感器可用于檢測未經授權的系統篡改。典型的傳感器包括簡單的微動開關、干簧開關、霍爾效應開關甚至光學傳感器。打開外殼時，開關被切換或光束斷開。

ADM9240包括一條輸入線，可連接到機箱防盜開關，向監控系統發出警報。通常，開關使用觸發器或晶閘管連接到閉鎖電路。因此，機箱防盜閂鎖必須可由系統管理員重置。在ADM9240上，機箱防盜線也可以臨時配置為輸出線，以便發送清除脈沖以清除鎖存器。

圖9顯示了完整ADM9240的框圖。通過結合電壓、溫度、風扇和機箱入侵監控，為電子設備提供了更好控制的操作環境。對用戶的好處是提高了穩定性、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的完整監控解決方案。此電路適用于奔騰 II 型主板。同時監控所有六個電源是否存在過壓或欠壓情況，這些情況會對電子設備構成威脅。上限和下限通過2線系統管理總線（SMBus）進行編程。主控制器通常是PIIX4南橋芯片，但也可以是專用微控制器。除了電壓監控外，該電路還通過J2和J3監控一對冷卻風扇的速度。其中一個風扇（J3）使用ADM9240上的DAC進行速度控制以限制噪聲，而第二個風扇則以全速連續運行。線性速度控制為保持低聲發射提供了可靠、低噪聲的解決方案。通過連接到J1的光學、機械或磁性開關（適當定位以避免篡改）檢測并鎖定未經授權的系統篡改。請注意，檢測和閉鎖電路由備用電池供電，因此即使拔下系統插頭，監控也會繼續。置位時，系統管理員可以使用對ADM9240的特殊命令清除鎖存邏輯。

圖 10.采用ADM9240的完整監控解決方案。

下一代

在撰寫本文時，下一代硬件監控解決方案正在開發中;它剛剛變得可用。ADM1024體現了上述所有原理。此外，它還包括熱二極管監控（TDM）技術。這種革命性的技術允許通過奔騰 II 上的二極管連接晶體管持續監控奔騰芯片本身的溫度。通過切換通過片內二極管的兩種不同電流并測量二極管正向電壓的微小變化，可以通過原理類似于圖4所示的多路復用帶隙測量來準確確定管芯溫度。

該方案的主要優點是可以獲得準確的溫度測量值，而無需定位外部傳感器進行親密接觸。由于傳感器現在正好在測量點，因此可以非常精確，并且完全消除了熱滯后。ADM1024內置開關電流源以及濾波和放大輸入級。與ADM9240一樣，板載ADC將溫度測量值轉換為數字讀數。

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?？梢愿鶕枰渲幂斎胪ǖ溃詼y量風扇速度或電壓或熱輸入。其他通道可以配置為監視電壓識別位（VID），或者實際上可以用作中斷監視輸入。

電壓、散熱、風扇速度、機箱、VID監控與額外的靈活性相結合，使ADM1024適用于各種下一代主板設計，無論是臺式機、服務器還是工作站。

審核編輯：郭婷