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1、2011 年 第 20 卷 第 9 期 http:/www.c-s- 计 算 机 系 统 应 用 Application Case 实用案例 165刀片服务器风扇控制及系统实现 李聪聪，唐 求，滕召胜，王 永 (湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 410082) 摘 要：针对刀片服务器散热系统的高稳定性、高可靠性需求，设计了一种基于 MPC8245+FPGA 结构的风扇控制系统，采用了一种基于阈值的风扇调速控制策略，只有当温度的变化达到了预设的阈值之后风扇的转速才会在温度上升曲线及温度下降曲线之间转换，从而大大减少了温度波动导致风扇频繁调速而产生的非稳态噪声。通过设计改进的复位电路，利用单稳态
2、触发器和 PWM 结合控制，实现了对风扇转速的可靠控制，保证了系统的散热。各种环境试验表明，本文设计的刀片服务器风扇控制系统能稳定的对风扇转速进行控制。 关键词：刀片服务器；阈值；调速策略；温度波动；PWM 控制 Blade Server Fan Control and its Implementation LI Cong-Cong, TANG Qiu, TENG Zhao-Sheng, WANG Yong (College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)
3、Abstract: A highly stable and reliable blade server cooling system based on MPC8245 + FPGA fan controlled system is introduced, and threshold-based fan speed control strategy is used. In the proposed control strategy only when the temperature reaches a preset threshold would the fan speed convert be
4、tween temperature rise curve and the temperature drop curve, non-stationary noises caused by the frequently fan speed modification to which the temperature fluctuation led, have been greatly reduced. The reliable, precise fan speed control method is implanted using improved reset circuit and PWM con
5、trol circuit. The result of various tests and trials show that the blade server fan control system can control the fan speed precisely. Key words: blade server; threshold; speed control strategy; temperature fluctuation; PWM control 刀片服务器是一种高可用、高密度的低成本服务器平台，是专门为特殊应用行业和高密度计算机环境设计。这种高性能、高集成的服务器设计必然引发服
6、务器工作时的巨大热量排放问题。因此，在刀片服务器内部采用若干风扇强制冷却，是目前常采用的散热方式之一1-3。 风扇控制系统对整个刀片服务器的散热进行控制， 因此它一旦出现故障将导致整框下电的严重后果，从而给客户带来巨大损失。另一方面由于服务器采用的风扇数量较多、功率大，如果风扇在小范围频繁改变转速将产生大量的非稳态噪声，而非稳态噪声要比风扇恒定转速所产生的稳态噪声对人体产生更大的伤害4。因此设计一种可靠、稳定并且能够降低非稳态 收稿时间:2011-01-04;收到修改稿时间:2011-02-26 噪声的产生的风扇控制系统对于刀片服务器的应用意义重大5。 本文在风扇调速中通过合理预设阈值，在保证
7、散热的前提下避免了温度波动而导致风扇频繁调速产生非稳态噪声，并将单稳态触发器和 PWM 结合起来对风扇进行控制，提高系统的可靠性。 1 风扇控制系统构成与调速策略 1.1 风扇控制系统构成 本文设计的风扇控制系统采用 FREESCALE 公司推出的中低档主处理器 MPC8245， 并通过 FPGA 来对9 个风扇组进行监控，系统结构框图如图 1 所示。其中，风扇组处于刀片服务器的后部，9 个风扇组成 3 计 算 机 系 统 应 用 http:/www.c-s- 2011 年 第 20 卷 第 9 期 166 实用案例 Application Case 3 矩阵式排列，每个风扇组包括两个风扇。
8、MPC8245 内部集成了主频为 266300MHz 的PowerPC 603eTM 处理器核和 PCI 桥逻辑，可以对外提供 Memory 总线、ROM/FLASH/PorTX 总线以及标准PCI总线。 MPC8245内部频率有266MHz和300MHz两种。外部 memory 总线频率最大支持 133Mhz，PCI总线最大支持 66MHz6。 图 1 系统总体框图 FPGA 采用 ALTERA 公司的 EP2C8F256C8。 系统上电之后 MPC8245 将存放在 FLASH 中的 FPGA 的代码加载到 FPGA 上。 同时 MCP8245 通过温度传感模块获得各个刀片 CPU 及每个
9、单板风口温度， 并根据温度对 FPGA 发送控制命令对风扇组进行调速。而 FPGA可将风扇的转速信号上报 MPC8245 进行管理监测。 1.2 基于预设阈值的调速策略 1.2.1 调速曲线 风扇控制系统采用基于阈值控制的风扇调速策略。随着温度的变化改变 PWM 的占空比，控制风扇转速改变，从而达到散热需求。 调速策略中设置了两条曲线，分别为温度上升曲线和温度下降曲线。当温度需要在两个曲线之间转换时需要满足设置的阈值，以此减少所产生的非稳态噪声。 根据服务器及 CPU 对温度的要求选取 5265为线性调速范围，其中 5262为温度下降时的线性调速区间，5565为温度上升时的线性调速区间。风扇线
10、性调速曲线如图 2 所示 当温度一直处于上升状态时满足： 555565 165aTykTbT TT，则根据式（1）计算出 T0对应的PWM 占空比数值 y0。若 y0y，说明当前温度所需要的 PWM 占空比大于当前实际的 PWM 的占空比，此时温度处于持续上升过程，需对占空比进行增大；由式（1）可知将当前的 PWM 占空比数值 y 增大 6%即可完成一次调速。若 y0y，表明当前温度所需要的PWM 占空比小于等于当前实际的 PWM 占空比， 此时温度在阈值范围内变化，不需对占空比进行修改。 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 6
11、5 66 67 683440465258647076828894100CPU温度（）PWM数值（%）温度上升曲线 温度下降曲线2011 年 第 20 卷 第 9 期 http:/www.c-s- 计 算 机 系 统 应 用 Application Case 实用案例 167同理如果T0T则在PWM波形正常时单稳态触发器一直处于触发状态， 即Q一直为低电平。当系统故障而导致PWM为全高或者全低时Q输出为高。 本设计中取R19=10k，C10=1F，则Tw=7ms，以保证Q能够稳定的保持低电平。 当MM_PWM正常时PWM_OK为低，此时MM_PWM为3.3V的电平信号， 而三极管的用的是5V电源
12、，因为电平不匹配有以下两种情况。 当MM_PWM处于高电平时为使Q2导通则需要满足 _4339MMPWMbbVCCVVV RR=(4) ebbVVCCV(5) 当MM_PWM处于低电平时为使Q2截至则需要满足 3943RV RVVCCbb=(6) ebbVVCCV (7) 式中，VCC为三极管Q2的集电极电压5V； VMM_ PWM为MM_PWM信号的电平，高时为3.3V；Vb为三 极管Q2的基极电压；Veb为三极管Q2导通时的发射结电压0.7V。 由式（4） 、 （5） 、 （6） 、 （7）可得 1617167 . 016. 0RRR (8) 本设计中取R16=1k，R17=470。 据以
13、上分析可得当MM_PWM为低时， 三极管Q2、Q3导通，此时Q3的C极为高电平，可使Q5导通，PWM0、PWM1为低。同理当MM_PWM为高时可得PWM0、PWM1为高。 即当MM_PWM正常时PWM0、PWM1与MM_PWM即跟随关系，保证了对风扇的正常调速控制。 当MM_PWM异常时，即MM_PWM为一直为高或者为低时。 此时PWM的周期T已经远远大于了Tw，使得单稳芯片一直没有被触发。此时的Q则一直保持高电平。由图5可知因为PWM_OK为高电平，则Q3一直处于截止状态，因此Q5的B极为低电平而使Q5也处于截止状态。因此PWM0、PWM1保持为高，风扇全速运行避免了因散热而导致整个系统的瘫
14、痪，提高了系统的稳定性。 3 实验结果分析 大量的实验与测试表明，基于本文研究方法设计的刀片服务器风扇控制系统能够对风扇转速进行精确控制，并稳定运行。 表1 有无阈值时PWM占空比及风扇转速的情况 测试结果如表1所示。表1给出了设置阈值和不设置阈值时随着温度变化PWM占空比和风扇转速变化的情况。 由表1可知当温度处于阈值范围内波动时，控制系统并不对风扇转速进行调解，而不设置阈值的调速策略每当温度变化1就对风扇进行调速。 根据表1可得有无阈值时风扇转速调节对比曲线U274LV123ADR1A11B21CLR31Q42Q52CEXT62R/C7GND8VCC161R/C151CEXT141Q132
15、Q122CLR112B102A9R4Q5Q25V0R5R6R7 R8R9Q35V0C11C12C105V0R16R17R13R14R15R16R17R185V0PWM_OK12V0PWM1PWM0R19MM_PWM2011 年 第 20 卷 第 9 期 http:/www.c-s- 计 算 机 系 统 应 用 Application Case 实用案例 169如图6所示， 图中ab段曲线为温度在阈值范围内波动时风扇转速的变化情况。由图6可知，采用无阈值的调速策略时，温度波动时控制系统频繁对风扇进行调速，而采用阈值调速的则并不对风扇进行调速。从而避免了非稳态噪声的产生及不必要的电机磨损并提高了系统的稳定性。 图6 有无阈值时风扇转速调节对比曲线 此外，对风扇系统进行了模拟故障试验。将MM_PWM强制全部为高或者低模拟故障情况，实验结果表明在故障情况下，风扇能全速运行从而保证刀片服务器的正常散热。 4 结论 本文设计的调速策略通过合理设置阈值范围，解决了温度小范围波动而导致风扇被反复调速的问题，从而避免了风扇被小范围反复调速而产生非稳态噪声及电机加速磨损等问题；结合PWM控制电路设计解决了当PWM输出出现故障而导致
