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(zhì)量監(jiān)測及通信于一體，能實時顯示電網(wǎng)的各項參數(shù)，通過鍵盤可人工設(shè)定系統(tǒng)運行的參數(shù)。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(tǒng)的硬件電路簡化，而且使系統(tǒng)的性能提高。本文將討論用CPLD來實現(xiàn)控制儀的鍵盤系統(tǒng)，給出了硬件電路和軟件設(shè)計方法。

1 引言

無功補償裝置是用于補償電網(wǎng)無功功率的不足，提高功率因數(shù)，保證供電系統(tǒng)安全運行和節(jié)約電能的設(shè)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(zhì)量監(jiān)測及通信于一體，對電網(wǎng)參數(shù)進行實時采樣與計算并把各項參數(shù)顯示在LCD上，還可通過鍵盤進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，用于改變控制儀的運行模式等。

控制儀的最小系統(tǒng)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(guī)模芯片，使硬件電路得到了簡化，又提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)運行所需要的程序、數(shù)據(jù)和參數(shù)均放在PSD834F2中。用復雜可編程邏輯器件（CPLD）取代一些數(shù)字器件擴展系統(tǒng)的外圍電路，進一步提高了系統(tǒng)的性能，還便于調(diào)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(shè)計

鍵盤輸入主要用于現(xiàn)場電流變比，電容器組數(shù)，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(tǒng)參數(shù)設(shè)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(shù)等的情況。

設(shè)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(tǒng)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(tǒng)采用復雜可編程邏輯器件（CPLD）來設(shè)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(chǎn)生中斷信號供CPU讀取掃描碼。除此之外，CPLD還可實現(xiàn)其它模塊的接口電路以及完成地址譯碼等功能。

本系統(tǒng)采用4X4鍵盤，其硬件電路如圖1：

圖1 4X4 鍵盤框圖

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(qū)（GRP）和萬能邏輯塊（GLB）構(gòu)成，GLB通過GRP連接起來。

對復雜可編程邏輯器件（CPLD）內(nèi)部邏輯功能的描述方式有多種，本系統(tǒng)采用了原理圖輸入與VHDL語言描述相結(jié)合的方式，這樣可以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，加快開發(fā)進程。設(shè)計時采用層次化設(shè)計，描述系統(tǒng)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：

圖2 鍵盤邏輯實際原理圖

上圖中Module 1模塊實現(xiàn)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(huán)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(tài)并向單片機申請中斷。系統(tǒng)為鍵盤分配的地址空間為0xf100～0xf1ff，在此范圍內(nèi)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(jù)sum輸出相應的值

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 鍵盤掃描碼與相應鍵的對應關(guān)系

中斷服務程序讀取寄存器FD18中的掃描碼，經(jīng)過判斷就可知道按下的是哪一個鍵，然后轉(zhuǎn)入相應的程序進行處理。鍵號和掃描碼的具體對應關(guān)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(shè)計

系統(tǒng)的一些基本參數(shù)可以通過鍵盤來設(shè)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(shù)設(shè)置格式是：A＊＊B＊＊…＊B。也就是說，按‘A’鍵進入設(shè)置狀態(tài)，‘＊＊’的組合表示設(shè)置項目，‘B’確認設(shè)置項目，‘＊＊…＊’所設(shè)置項目的數(shù)值，最后的‘B’是結(jié)束符，表示此次設(shè)置結(jié)束。設(shè)置步驟的軟件處理流程如圖3：

圖3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置處理流程圖

5 結(jié)束語

用復雜可編程邏輯器件（CPLD）擴展的鍵盤接口經(jīng)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(shè)計，使其性能得到進一步體現(xiàn)。