摘要：本控制仪以单片机80c196kc为核心，集无功补偿、电度量计量、电能质量监测及通信于一体，能实时显示电网的各项参数，通过键盘可人工设定系统运行的参数。单片机外围芯片PSD8XX及复杂可编程逻辑器件（CPLD）的使用不仅使系统的硬件电路简化，而且使系统的性能提高。本文将讨论用CPLD来实现控制仪的键盘系统，给出了硬件电路和软件设计方法。

　　关键词：无功补偿；键盘；复杂可编程逻辑器件

　　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：



　　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：

　　上图中Module1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。Module1把频率降至约1K，Module2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Module2的VHDL语句，具体如下：

　　LIBRARYieee；
　　USEieee.std_logic_1164.ALL；
　　USEieee.std_logic_unsigned.ALL；
　　ENTITYModule2IS
　　PORT――定义端口
　　（clk：INstd_logic；
　　q：OUTstd_logic_vector（3DOWNTO0）
　　）；
　　ENDModule2；
　　ARCHITECTUREModule2ofModule2IS
　　BEGIN
　　PROCESS（clk）
　　VARIBLEsum：integer：=0；――定义变量sum,初值为0
　　BEGIN
　　IF（clk’eventANDclk=’1’）THEN
　　sum：=sum+1；――clk为上升沿时，sum加1
　　IF（sum>=5）THEN
　　sum：=1；
　　ENDIF；
　　ENDIF；
　　CASEsumIS――根据sum输出相应的值
　　WHEN1=>q<=“1110”；
　　WHEN2=>q<=“1101”；
　　WHEN3=>q<=“1011”；
　　WHEN4=>q<=“0111”；
　　WHENOTHERS=>q<=“1111”；
　　ENDCASE；
　　ENDPROCESS；
　　ENDModule2；

　　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：

　　5　结束语

　　用复杂可编程逻辑器件（CPLD）扩展的键盘接口经过实用，效果较好，既提高了单片机的响应速度，又简化了硬件电路。此外，CPLD还可用于其它的接口设计，使其性能得到进一步体现。

　　参考文献：

　　【1】刘笃仁用ISP器件设计现代电路与系统西安电子科技大学出版社2002

　　【2】赵茂泰智能仪器原理及应用电子工业出版社1999