CPLD在無功補償控制儀鍵盤設計中的應用

摘 要：本控制儀以單片機80c196kc為核心，集無功補償、電度量計量、電能質量監測及通信于一體，能實時顯示電網的各項參數，通過鍵盤可人工設定系統運行的參數。單片機外圍芯片PSD8XX及復雜可編程邏輯器件（CPLD）的使用不僅使系統的硬件電路簡化，而且使系統的性能提高。本文將討論用CPLD來實現控制儀的鍵盤系統，給出了硬件電路和軟件設計方法。

關鍵詞：無功補償; 鍵盤; 復雜可編程邏輯器件

1 引言

　　無功補償裝置是用于補償電網無功功率的不足，提高功率因數，保證供電系統安全運行和節約電能的設備，其核心是控制儀。本控制儀集無功補償、電度量計量、電能質量監測及通信于一體，對電網參數進行實時采樣與計算并把各項參數顯示在LCD上，還可通過鍵盤進行系統參數設置，用于改變控制儀的運行模式等。

　　控制儀的最小系統由單片機80c196kc和可編程單片機外圍接口芯片PSD834F2組成，這樣既省去了地址鎖存器和譯碼器等一些小規模芯片，使硬件電路得到了簡化，又提高了系統的可靠性。系統運行所需要的程序、數據和參數均放在PSD834F2中。用復雜可編程邏輯器件（CPLD）取代一些數字器件擴展系統的外圍電路，進一步提高了系統的性能，還便于調試和維護。本文以下將具體介紹如何用CPLD來擴展鍵盤和顯示電路。

2 鍵盤輸入模塊的硬件設計

　　鍵盤輸入主要用于現場電流變比，電容器組數，單組電容器容量，電壓上、下限，諧波上限，控制儀地址編號等系統參數設置。而且與顯示模塊配合用于查看各相電壓、電流，無功功率，有功功率，功率因數等的情況。

　　設計鍵盤時，如果采用軟件掃描的方式，雖然硬件電路簡單，但掃描會耗去CPU不少時間，降低系統的整體性能;如果采用接口芯片8279來管理鍵盤，雖可代替CPU完成對鍵盤的控制，減輕CPU的負擔，但8279體積大且功能單一。所以，本系統采用復雜可編程邏輯器件（CPLD）來設計鍵盤的接口電路，完成對鍵盤的掃描工作，當有鍵按下時，則產生中斷信號供CPU讀取掃描碼。除此之外，CPLD還可實現其它模塊的接口電路以及完成地址譯碼等功能。

　　本系統采用4X4鍵盤，其硬件電路如圖1：

　　CPLD采用Lattice公司的ispLSI1016E-100L器件，該器件包括32個I/O引腳，4個專用引腳，集成密度為2000個PLD等效門，引腳至引腳的延遲為7.5ns，工作頻率為100MHz。該器件由集總布線區（GRP）和萬能邏輯塊（GLB）構成，GLB通過GRP連接起來。

　　對復雜可編程邏輯器件（CPLD）內部邏輯功能的描述方式有多種，本系統采用了原理圖輸入與VHDL語言描述相結合的方式，這樣可以發揮兩者的優勢，加快開發進程。設計時采用層次化設計，描述系統總體功能的最上層使用原理圖輸入，而原理圖中的某些功能模塊采用VHDL編寫。實際原理圖如圖2：

　　上圖中Module 1模塊實現分頻功能，CLK來自單片機80C196KC的CLKOUT腳，其周期為3個時鐘振蕩周期，占空比為33%。若單片機用16M晶振，其頻率約為：16M/3=5.33M。Module 1 把頻率降至約1K，Module 2模塊以一秒的間隔使O3～O0依次循環輸出低電平進行鍵盤掃描 。當有鍵按下時，I3～I0中有一個為低電平，異或門輸出1個高電平脈沖，鎖存鍵盤狀態并向單片機申請中斷。系統為鍵盤分配的地址空間為0xf100～0xf1ff，在此范圍內可讀取鍵盤的掃描碼。

　　由于篇幅有限，以下只給出Module 2的VHDL語句，具體如下：

　　LIBRARY ieee;

　　USE ieee.std_logic_1164.ALL;

　　USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;

　　ENTITY Module2 IS

　　PORT ――定義端口

　　（ clk ：IN std_logic;

　　q ：OUT std_logic_vector（3 DOWNTO 0）

　　）;

　　END Module2;

　　ARCHITECTURE Module2 of Module2 IS

　　BEGIN

　　PROCESS（clk）

　　VARIBLE sum：integer：=0; ――定義變量sum,初值為0

　　BEGIN

　　IF（clk’event AND clk=’1’）THEN

　　sum：=sum+1; ――clk為上升沿時，sum加1

　　IF（sum>=5）THEN

　　sum：=1;

　　END IF;

　　END IF;

　　CASE sum IS ――根據sum輸出相應的值

　　WHEN 1 => q<=“1110”;

　　WHEN 2 => q<=“1101”;

　　WHEN 3 => q<=“1011”;

　　WHEN 4 => q<=“0111”;

　　WHEN OTHERS => q<=“1111”;

　　END CASE;

　　END PROCESS;

　　END Module2;

3 鍵盤掃描碼與相應鍵的對應關系

　　中斷服務程序讀取寄存器FD18中的掃描碼，經過判斷就可知道按下的是哪一個鍵，然后轉入相應的程序進行處理。鍵號和掃描碼的具體對應關系如表1：

　　表1 鍵號和掃描碼對應表

4 鍵盤輸入模塊的軟件設計

　　系統的一些基本參數可以通過鍵盤來設置或改變，每按下一鍵，CPLD掃描到鍵值后向CPU申請中斷。CPU進入鍵盤管理中斷程序后，讀取、存儲鍵值并置接收到鍵值標志。主程序識別到標志，對接收到的鍵值進行處理。

　　參數設置格式是：A＊＊B＊＊…＊B。也就是說，按‘A’鍵進入設置狀態，‘＊＊’的組合表示設置項目，‘B’確認設置項目，‘＊＊…＊’所設置項目的數值，最后的‘B’是結束符，表示此次設置結束。設置步驟的軟件處理流程如圖3：

5 結束語

　　用復雜可編程邏輯器件（CPLD）擴展的鍵盤接口經過實用，效果較好，既提高了單片機的響應速度，又簡化了硬件電路。此外，CPLD還可用于其它的接口設計，使其性能得到進一步體現。

參考文獻：

　　【1】劉篤仁 用ISP器件設計現代電路與系統 西安電子科技大學出版社 2002

　　【2】趙茂泰 智能儀器原理及應用 電子工業出版社 1999