专利名称：虚拟风扇电路的制作方法
技术领域：
本实用新型属个人电脑(PC)接口应用技术领域。
背景技术：
在广泛使用的台式个人电脑(INTEL等公司产品)中，通常在其电脑主板上集成了多种接口设备，供用户联接外部设备，无论CPU的主频是700MHz还是2.8GHz电脑主板集成有键盘接口、鼠标器接口、串并行接口等，但无开关量输入接口和模拟量输入接口，在工作和应用中，开关量是一种大量存在和使用的变量，例如继电器的吸合与释放，温度开关的通与断等，即从一种状态转换到另一种状态。而连续变化的电压和电流等则是模拟量，应用中常使用扩展板卡让个人电脑接收开关量和模拟量，如果有简便办法让个人电脑接收开关量和模拟量，利用个人电脑已有的硬件和二次开发的应用软件对其加以处理，可以有多种用途。
发明内容本实用新型的目的是要扩展个人电脑的应用范围，方便接入开关量、模拟量和频率信号，提供一种与台式个人电脑相匹配的接口电路—虚拟风扇电路。虚拟风扇(英文称VIRTUALFAN)电路根据电路是否工作或工作区间的改变定义两种状态，由开关转换控制，实现开关量的输入，适合变化较慢的开关量。开关量的名称和性质根据用户要求在应用软件中定义；根据虚拟风扇电路工作频率的高低的连续变化，对应物理参数的改变，可实现模拟量的输入，模拟量的名称和性质根据用户要求在应用软件中设置。虚拟风扇电路无通风冷却作用。本实用新型的具体方案是用电子元器件组成虚拟风扇电路，该电路由振荡、整形、输入限幅和输出等部分组成，该电路产生的信号在波形、频率、占空比和信号幅值几方面与个人电脑的实际风扇工作时产生的测速信号相似和兼容，在该电路的输出端采用集电极开路的形式，该电路输出的高电平由主板电路决定，输出的低电平由电路输出部分决定，虚拟风扇电路使用个人电脑主板测速风扇三脚端子作接口。为扩展开关量应用，本实用新型中设有控制端，可以控制该电路是否工作，即虚拟风扇电路是否有信号输出至电脑主板，可由开关控制，开关类型不限。为扩展模拟量应用，本实用新型中设有调节端，当该电路参数R或C改变时，可以改变振荡频率，输出至电脑主板的频率随之改变，调节端可设置在电脑外部。为直接接受频率信号输入，本实用新型中设有频率接收端子，可以接受外部数字传感器和变送器的频率输入信号，再输入到电脑进行处理。尽管个人电脑的品牌和厂商不同，但自Pentium II后电脑主板上的风扇插座即是众厂商遵守的事实标准。
表(1)对PC而言，风扇是一种I/O设备，具有I/O设备的特性和功能，如数据缓冲、设备选择、信号转换等功能，功能由PC监控集成电路完成。风扇插座的定义和形状见表(1)和图(3)。个人电脑主板上通常提供2～5个风扇插座，除了使用CPU风扇外，常有1～4个闲置的风扇插座，表(1)中插座的2是电源正极，为风扇提供+12V直流电源，用脉宽调制(PWM)输出控制风扇转速时此端电压可以调节(也可设为定值)；插座的3是公共地；插座的1是一个反映风扇转速快慢的频率信号。对于具有测速信号的风扇，风扇每旋转一周释放两个脉冲(2对极电机时)，见图(2)，产生一测速信号，电脑系统监控芯片就会据此计算出旋转速度，风扇厂商提供的资料和本人的实际测量表明，转速信号的脉冲波形是矩形，反馈信号的频率与转速成线性关系转速N＝60/2×TT＝t1+t2 T脉冲周期(秒) 又频率f＝1/T(赫)所以转速N＝30f(转/分钟) (1)上式对使用广泛的2对极电脑风扇成立，是电脑风扇转速的计算式。一般情况，在电脑风扇电机的极对数为p时(p＝1、2、3、4等)，转速与信号频率的关系为N＝60/p×f。
转速信号的高电平VOH，即电压幅值由外部电路电脑主板电路决定，输出的低电平VOL由风扇电路决定，见图(4)，风扇信号电路输出采用集电极开路接法，外接上拉负载电阻。
Q导通时，I＝10mAmax，输出电压VOL＝1.0VmaxQ断开时，I≈0mA，输出电压VOH＝Ec(监控芯片工作电压)因为VOH是取自主板工作电源，所以电扇电路自动适应主板芯片(如WINBOND公司W83627HF)电压，通常芯片工作电压是5V(也有其它电压等级)。风扇转速可以在电脑的基本输入输出系统软件(BIOS)中看见，使用应用软件(程序)在操作系统下如WINDOWS下也可监测系统转速的状态，应用程序可以根据电扇转速的不同数值作处理、变换和显示，这是软件开发的范围。
本实用新型接入个人台式电脑的风扇接口后，可扩大电脑的应用范围，方便接入各种开关量、模拟量，以及各种频率信号输入信号，可广泛用于各个行业。
图(1)是本实用新型的电路图；图(2)是风扇转速信号波形图；图(3)是风扇插座外型图；图(4)是风扇、主板连接原理图；具体实施方式
根据上述方案分析和电路的“黑箱原则”只要有一个能产生相同电参数的装置就可替代电脑风扇，而不影响电脑的运行。图(1)是一种虚拟风扇电路图，此电路能产生与风扇转动时相同的矩形波，有相同的输出方式-这可保证输出相同的电压幅值和主板安全，而转速变化用频率信号仿真，其值根据需要可大可小。电路使用时基集成电路NE556，它内含2个相同的555时基电路。以一个555时基和R1、R2、C1、D1、D2组成(占空比为50％)多谐振荡器，其振荡频率如下式f＝1.44/(C1(R1+R2)) (2)带入数值f＝1.44/(0.22×10-6×(10+10)×103)＝327Hz结合(1)式，此时N＝30f＝30×327＝9810转/分 (3)用第二个555时基组成施密特触发器，接收从振荡器3脚输出的信号，进行波形整形，滤除杂波，使矩形波更规范，再输出给晶体管T，晶体管T的接法为集电极开路型，负载电阻和电源由外部(主板电路)提供，这样既保证了主板电路的安全，又实现了两部分的电压匹配。电路的工作电源用7805电压调整器降至+5V使用，C2、C3、C4是退耦和滤波电容，R4是耦合元件。电路的一个要点在第一个555上，矩形波发生器的4脚是555时基电路的强制复位端(RESET)，当4脚是高电位时，555振荡工作，(K此时断开)，当4脚是低电位(＜1.0伏)或接地时(此时K合上)，555停止振荡，输出晶体管的状态就不会发生改变，频率信号为零，转速信号也为零。本电路中K是常开型，这样在电脑的BIOS设置中可以看到转速，方便检查电路的工作情况，在应用程序中也有转速数据。从电路的开关K引两根导线，通过电脑扩展挡板联接到电脑外，接到外部开关K上即可，开关K可以是继电器触点、行程开关触头等无源干接点。如需常闭型中间加继电器反相即可。这样，虚拟风扇电路工作与否转换为一个开关的通或断，内部电路的工作与用户没有关系，用户只须在外部连上线路，使用应用程序对转速与开关的对应关系进行定义就可工作。电路设计有频率信号输入连接端子，当输入信号Fi进入后经限幅电路和切换开关S(此时S动接点置于下部)，最后由晶体管T输出至主板电路。此信号的幅值要求VMAX≤7伏，频率范围0-3333Hz(对应BIOS中的5位转速显示)。需要注意的是目前连接风扇转速信号的监控集成电路(例如winbond公司的w83627HF)计数器为8位，故分辨率为8位。
同理，如果使用winbond公司的W83L215R等集成电路芯片，具有风扇测速反馈功能，电路也适用于笔记本电脑和其它电子仪器。
虚拟风扇电路的制作还考虑了抗干扰和负载问题，因为原来风扇电动机启停时，有反电动势，会产生较大干扰；本电路无电感性元件，故无冲击电势。风扇运行时电流在100mA-500mA之间；本电路工作电流在8～20mA之间，消耗功率甚微，不会影响主板电源稳定，因此虚拟风扇电路比风扇更适应电脑主板，在实际使用中应注意厂商说明书BIOS中有关风扇设置部分，因为有个别电脑不是每个三脚插头都有测速反馈功能。对于脉宽调制(PWM)风扇输出插座，只要第2脚输出电压稳定且大于5V也能作此电路的工作电源使用。由于时基电路555使用的灵活性和方便性，将此电路变型，使R1或R2或C1元件为变量参数，带入式(2)，有N＝30f＝43.2/(C1(R1+R2))。就可组成多种实用装置。例如，使用阻值随光线强度而改变的光敏电阻代替R1或R2可用作光线强度/频率转换器，然后输入到电脑就可实现模拟量的输入。
电路特点作为一个接口电路，其有着与扩展槽(PCI、ISA等)和标准接口(串口和并口等)连接设备显而易见的区别1)无须驱动程序，真正既插既用；2)不另占系统资源，如中断号(IRQ)等；3)不会与其它硬件有冲突，兼容性好。
虚拟风扇电路的几种变形1)在有较强外部干扰的情况时，虚拟风扇电路的输出电路可加光电隔离输出；2)在不使用外部频率输入Fi的情况下，可不用图(4)中T、R4、D3、D4和S，直接从IC1的13脚输出信号；3)由于时基电路IC1(NE556)的工作电源范围为5-18V，故在工作电源稳定时IC2(7805)和C4为可选器件，4)如果欲增加电脑测速风扇的数既而扩展开关量输入通道数，可采用SMBus(I2C)接口集成电路加以扩展，如采用MAXIM6651集成电路芯片。
权利要求1.虚拟风扇电路是一种电子电路，该电路用二极管、时基集成电路、电阻和电容、控制开关组成可调控多谐振荡器，其后连接施密特整形电路与信号切换开关一输入端，信号切换开关另一输入端接受外部频率信号，电路经晶体管输出，其特征是电路的输出信号、工作电源和公共地三线使用风扇插头连接电脑主板测速风扇插座。
2.根据权利要求1所述的虚拟电路，其特征是可调控振荡器采用开关控制电路是否输出频率信号。
3.根据权利要求1所述的虚拟电路，其特征是可调控振荡器采用电阻或电容调节振荡频率。
4.根据权利要求1所述的虚拟电路，其特征是外部频率信号经限幅后至电路的输出晶体管。
专利摘要本实用新型虚拟风扇电路，属电脑接口技术领域。使用一种较为简洁的方法在个人电脑上输入模拟量、开关量和频率信号；电路用二极管、时基集成电路、对应模拟量信号的电阻和电容、对应开关量信号的控制开关组成可调控多谐振荡器，其后接施密特整形电路与信号切换开关一端，信号切换开关另一端可直接接受外部频率信号，电路经晶体管输出。电路的输出信号、工作电源和公共地三线使用风扇插头连接电脑主板测速风扇插座。电路通用性强、无须驱动程序、即插即用，在个人电脑领域中有广泛用途。
文档编号G06F3/00GK2615736SQ02284319
公开日2004年5月12日 申请日期2002年11月22日 优先权日2002年11月22日
发明者李 诚 申请人:李 诚