基于嵌入式处理器的VLSI芯片的温度自动控制摘要

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1、基于嵌入式处理器的VLSI芯片的温度自动控制摘要本文介绍了基于嵌入式处理器的VLSI芯片的温度自动控制，同吋利用温度 传感器LM35和ARM处理器LPC2378来完成设计。由于VLSI芯片密度非常高，同 时芯片在工作时很快得到加热，如果不能研制出能是它快速冷却的方法，芯片的 性能将会受到很大影响。在H前的工作小，将传感器放置在非常接近接近到10 集成电路的位置來采集芯片的温度，通过由ARM处理器产生的PWM信号來控制集 成电路旁风扇的转速。在硬件电路中也提供了一个蜂鸣器，在无法控制风扇或者 IC集成电路的过热的情况下都会发出警报。整个过程的实现需要制定一个合适 的嵌入式C程序。关键词：温度传感

2、器，ARM处理器，超大规模集成电路芯片，无刷直流电动机1 介绍随着VLSI超大规模集成电路技术的惊人发展，雄心勃勃的IC设计师正试图 将更多的晶体管用更小的体积实现更多的功能。因此，该集成电路运行速度更快, 产生更多的热量而造成的新的问题。举例來说，现在世界上的的CPU芯片变得 越来越小，几乎没有空间散热。若消耗100 W的功率的话，峰值功率密度为 400-500 W/Cm2,并可能持续上升。随着芯片温度的升高会影响性能的参数变化, 从而减少芯片的工作频率和影响吋序的规范。因此，在允许的条件范围内，为了 让高速芯片能得到最好的工作效率和最长的运行时间，必须要让芯片在短时间内 冷却下來。高速芯片

3、所能允许的最高温度，取决于程序的参数规格，以及芯片的 设计。在各种不同的冷却技术中，人们通常使用散热片，热管，风扇以及吋钟节流。 在这些技术中，风扇可以快速高效的降低高速芯片的温度，但它们也产生大量的 噪音。这种噪声可以通过不同的方法来降低，根据风扇转速是由温度来控制，当 温度低吋，风扇的转速降低；随着温度的提高，风扇的速度会随着提升。另一个 有效地的方法是吋钟节流，即减少了时钟速度，降低功耗。但它也降低了系统性 能和系统运行速度。本工作的H标是，设计一个硬件系统能控制直流无刷电机风 扇的转速，芯片的温度则由传感器LM35进行采集。LM35系列是精密的集成电路温度传感器，其输出电压与采集到的摄

4、氏的温 度成线性比。因此，LM35系列比一般的传感器拥有优势，因为我们可以直接通 过电压值来确定摄氏温度值。LM35不需要校准或微调，便可以提供提供在室温 0. 25 C精度和55 C +15OC温度范围。由于LM35系列不需要校准，所以该 传感器比较经济，低成本。LM35的低输出阻抗，线性输出和精确的校准的特点 使固有接口的读数和控制电路特别容易。它同吋可用于单电源输出和多电源输 出。由于它只需要60微安的电流供应，所以它口身产生的热量较低，在真空中 约升温0.1 C。LM35在55 C+150C温度范围内可以正常的工作,而LM35C 可工作的温度范围为40 C +110Co LM35系列可

5、封装在密封的T0 - 46晶体管 内，而LM35C, LM35CA和LM35D也可用塑胶T0-92晶体管封装 LM35D也可以用 8引脚小型封装和燃料的T0 - 220封装。由ARM7TDMI处理器所产生的PWM信号 来控制直流风扇电动机两端的电压。卩WM信号的变化与LM35温度传感器的电压 输出同步。因此，这整个项H的重要组成部分是温度传感器。2描述在ARM处理器为慕础的温度自动控制系统，温度传感器输出是由芯ADC來控 制。而ADC的输出是与IC相连，IC L293D的驱动信号直接送到直流风扇电机中， 系统框图如图1所示。LCD图形液晶显示器（128x64像素）的接口与ARM LPC 237

6、8 处理器相连，来显示该集成电路的温度和风扇转速。蜂鸣器同样是连接ARM处理 器，在无法控制风扇和芯片过热的情况下会发出警报，整个电路图如图2所示。图1系统框图+12V +5V1 fLM35 +5VSensor 3GNDJLCDOoLCDloLCD2oLCD3OLCD4OLCD5oLCD60LCD7OPO24(P11)P3 0(P137)P3 1 (P140)P3 2(P144)P3 3(P2)P3 4 (P9)P3 5(P P3 6(P16)P3 7(P19)LPC2378ARMProcessorP4.0 (P52)P4.1 (P55)P4.2 (P58)P4.8 (P88)P0 12 (P

7、29)Pl 28 (P63)P3 23(P45)P3.25 (P39)P4 29 (Pl 18)P4 28(P122)128X64PixelsGraphicLCD23456 789012oGNDoVCC9101114151636L293 DCMotor Dnver451213GND-10VGND3456 7 8 9 011 11 1* 11 1A 11 11RSDIOWoLCD_ENLCDOLCD1LCD2LCD3LCD4o LCD5o LCD6LCD7CS1CS2LCD_RSTO-10VoVCCoGNDGND图2电路图3软件介绍H前的工作是使用ARM IAR工作台IDE,嵌入式C程序和使用F

8、lash ISP工 具处理器进行嵌入式开发。ARM IAR的工作台IDE是一个菲常强大的集成开发环 境（IDE）,允许开发和管理完整的嵌入式应用项在系统编程这一环境下我们 可以采用引导加载器软件和使用一个出行端口进行编程或重新编程闪存记忆体 中的程序o LPC2387单片机是基于16/32位的ARM7TDMT-S CPU的实时仿真,它 同吋结合了 512 kB嵌入式闪存单片机的特点。128位宽度的存储器接口和独特 的加速结构使32位代码执行在最大吋钟频率下运行。在Thumb模式下，中断服 务程序和DSP算法的关键性能能提高30%以上。对于重要代码应用，其他16位 代码在Thumb模式性能损失可

9、减少超过30%oLPC2387是多用途审行通信应用的 理想选择。它由一 10/100以太网媒体访问控制器（MAC）, 4个端点的USB全速 设备内存，4个UART,两个CAN通道，一个SPI接口，两个同步串行端口（SSP） 的，3个I2C接口，和一个I2S接口组成。这种融合了串行通信接口与频率为4 MHz内部振荡器,64 KB的SRAM记忆体,16个以太网，16 KB的USB ,连同2 KB 的电池供电SRAM的功能非常适合于协议转换器的转换。32位定时器，10位DAC, 一个PWM单元,一个CAN控制装置,以及多达70个的GPI0线路和12个外部中 断引脚使这个单片机特别适合应用在工业控制和

10、医疗系统等。LPC2378单片机提 供芯片的引导加载器软件，允许在串行通道的内部快闪记忆体内编程。飞利浦 提供了一个在系统实用程序即所谓闪光魔术软件编程。4结果与结论基于嵌入式ARM处理器的温度控制系统的设计和实施已经完成了。为了验证 设计的有效性，温度传感器被放在一个比室内温度高的烤箱内。这吋风扇在全速 运行并发现温度重返正常温度。我们重复的用各种不同的超大规模集成电路来做 这个实验，像奔腾处理器芯片，FPGA芯片等。我们将温度传感器放在接近奔腾 处理器的计算机的位置，慢慢的我们观察到风扇的速度自动增加，芯片的温度被 控制。这些结果在LCD液晶显示面板上可以看见。虽然冃前的系统在特定环境下

11、是行之有效的，但以下结论仍然是值得强调。一般情况下，使用控制风扇速度或时钟节流的方式来控制温度的条件是必须 及吋的检测出n标芯片的温度o这个实验中通过放置-个温度传感器在n标芯片 旁边，在某些情况下，也可以放在被测物体下方或者是散热器下。以这种方式检 测高速芯片的温度与实际温度较为接近，但也有可能测量温度比管芯温度上升吋 温度要低。因此，电路板或散热片温度和高速芯片管芯的温度必须和关。半然如 果有很多高速芯片是更好的选择。许多CPU, FPGA和其他高速集成电路包含-个 热二极管，其实是一个连接双极晶体管的二极管。使用远程二极管温度传感器连 接到这个热二极管，得出的结果可以与直接测量VLSI芯

12、片-样精确。这不仅消 除了 H标IC的封装与室外温度有较大的温差所产生的误差，它也消除了芯片从 儿秒钟到儿分钟内由于温度变化作出反应的延误。还有一个缺点，有关风扇转速控制。一般情况下，风扇转速通过调整风扇的 屯源屯压來控制。这是通过调整一个低频约50 Hz的PWM信号的占空比变化来 调整风扇的速度。这种方法价格低廉，也很有效率。但是，这种方法的缺点是由 于脉冲电压的性质，它使风扇的噪音有点大。PWM波形的快速触发沿导致风扇机 械结构产生移动，这是产生噪音的一个原因。在一些系统中，限制风扇的速度变化率也是重要的。如果该系统与用户接近 的话这一点是很关键的。在某些环境中，只需切换风扇的开关或改变速

13、度可以让 温度变化。但是，肖用户在系统附近吋，在风扇的速度的突然变化会产生非常恼 人的噪音。因此，为了避免这些影响，风扇的驱动器信号必须限制在一个可接受 范围内O5.未来的工作前景在H前的工作温度是由温度传感器LM35来采集，电机的转速是通过改变控 制的处理器产生的PWM脉宽來控制。但LM35温度传感器并不能做到非常精确地 采集温度，即使我们让LM35温度传感器非常接近集成电路处理器或VLSI芯片。 因此，我们可以使用一个远程二极管温度传感器连接到热二极管，这种措施的直 接测出高速集成电路的温度，检测出的结果非常精确。另一个重要方而是各种传感器的远程温度高达五个传感渠道，可以将检测到 的高速芯片的温度数据传送到微控制器。风扇转速的监测与多渠道风扇转速调节 器可以有效的控制温度。外部微控制器的命令可提供可靠的控制电源电压来监测 风扇转速与调节多渠道风扇转速。对于这个简单的由MAXIM MAX6660和MAX6653组成的集成电路。第一个IC 可以检测到远程温度然后通过温度來控制风扇风速。它由内部晶体管产生一个直 流电源电压给风扇供电。第二个IC也执行类似的功能，但驱动器由外部晶体管 产生PWM波形。两个集成电路都包含完整的热故障监测系统，如果高速芯片太热, 系统会自动关闭。因此，H前的工作可以使用上述技术进一步提高。