CPLD在无功补偿控制仪键盘中的设计应用

1 引言

无功补偿装置是用于补偿电网无功功率的不足，提高功率因数，保证供电系统安全运行和节约电能的设备，其核心是控制仪。本控制仪集无功补偿、电度量计量、电能质量监测及通信于一体，对电网参数进行实时采样与计算并把各项参数显示在LCD上，还可通过键盘进行系统参数设置，用于改变控制仪的运行模式等。

控制仪的最小系统由单片机80C196KC和可编程单片机外围接口芯片PSD834F2组成，这样既省去了地址锁存器和译码器等一些小规模芯片，使硬件电路得到了简化，又提高了系统的可靠性。系统运行所需要的程序、数据和参数均放在PSD834F2中。用复杂可编程逻辑器件（CPLD）取代一些数字器件扩展系统的外围电路，进一步提高了系统的性能，还便于调试和维护。本文以下将具体介绍如何用CPLD来扩展键盘和显示电路。

2 键盘输入模块的硬件设计

键盘输入主要用于现场电流变比，电容器组数，单组电容器容量，电压上、下限，谐波上限，控制仪地址编号等系统参数设置。而且与显示模块配合用于查看各相电压、电流，无功功率，有功功率，功率因数等的情况。
设计键盘时，如果采用软件扫描的方式，虽然硬件电路简单，但扫描会耗去CPU不少时间，降低系统的整体性能;如果采用接口芯片8279来管理键盘，虽可代替CPU完成对键盘的控制，减轻CPU的负担，但8279体积大且功能单一。所以，本系统采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）来设计键盘的接口电路，完成对键盘的扫描工作，当有键按下时，则产生中断信号供CPU读取扫描码。除此之外，CPLD还可实现其它模块的接口电路以及完成地址译码等功能。

本系统采用4X4键盘，其硬件电路如图1：

图1 4X4 键盘框图

CPLD采用Lattice公司的ispLSI1016E-100L器件，该器件包括32个I/O引脚，4个专用引脚，集成密度为2000个PLD等效门，引脚至引脚的延迟为7.5ns，工作频率为100MHz。该器件由集总布线区（GRP）和万能逻辑块（GLB）构成，GLB通过GRP连接起来。

对复杂可编程逻辑器件（CPLD）内部逻辑功能的描述方式有多种，本系统采用了原理图输入与VHDL语言描述相结合的方式，这样可以发挥两者的优势，加快开发进程。设计时采用层次化设计，描述系统总体功能的最上层使用原理图输入，而原理图中的某些功能模块采用VHDL编写。实际原理图如图2：

图2 键盘逻辑实际原理图

上图中Module 1模块实现分频功能，CLK来自单片机80C196KC的CLKOUT脚，其周期为3个时钟振荡周期，占空比为33%。若单片机用16M晶振，其频率约为：16M/3=5.33M。Module 1 把频率降至约1K，Module 2模块以一秒的间隔使O3～O0依次循环输出低电平进行键盘扫描 。当有键按下时，I3～I0中有一个为低电平，异或门输出1个高电平脉冲，锁存键盘状态并向单片机申请中断。系统为键盘分配的地址空间为0xf100～0xf1ff，在此范围内可读取键盘的扫描码。

由于篇幅有限，以下只给出Module 2的VHDL语句，具体如下：
LIBRARY ieee;
USE ieee.STd_logic_1164.ALL;
USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;
ENTITY Module2 IS
PORT ――定义端口
（ 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; ――定义变量sum,初值为0
BEGIN
IF（clk’event AND clk=’1’）THEN
sum：=sum+1; ――clk为上升沿时，sum加1
IF（sum>=5）THEN
sum：=1;
END IF;
END IF;
CASE sum IS ――根据sum输出相应的值
WHEN 1 => q=“1110”;
WHEN 2 => q=“1101”;
WHEN 3 => q=“1011”;
WHEN 4 => q=“0111”;
WHEN THERS => q=“1111”;
END CASE;
END PROCESS;
END Module2;

3 键盘扫描码与相应键的对应关系

中断服务程序读取寄存器FD18中的扫描码，经过判断就可知道按下的是哪一个键，然后转入相应的程序进行处理。键号和扫描码的具体对应关系如表1：

表1 键号和扫描码对应表

4 键盘输入模块的软件设计

系统的一些基本参数可以通过键盘来设置或改变，每按下一键，CPLD扫描到键值后向CPU申请中断。CPU进入键盘管理中断程序后，读取、存储键值并置接收到键值标志。主程序识别到标志，对接收到的键值进行处理。

参数设置格式是：A＊＊B＊＊…＊B。也就是说，按‘A’键进入设置状态，‘＊＊’的组合表示设置项目，‘B’确认设置项目，‘＊＊…＊’所设置项目的数值，最后的‘B’是结束符，表示此次设置结束。设置步骤的软件处理流程如图3：

图3 系统参数设置处理流程图