基于复杂可编程逻辑器件实现键盘接口电路的设计

基于复杂可编程逻辑器件实现键盘接口电路的设计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14X4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。［page］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;ENTITYModule2ISPORT――定义端口（clk：INstd_logic;q：OUTstd_logic_vector（3DOWNTO0））;ENDModule2;ARCHITECTUREModule2ofModule2ISBEGINPROCESS（clk）VARIBLEsum：integer：=0;――定义变量sum，初值为0BEGINIF（clk’eventANDclk=’1’）THENsum：=sum+1;――clk为上升沿时，sum加1IF（sum》=5）THENsum：=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”;WHENTHERS=》q《=“1111”;ENDCASE;ENDPROCESS;ENDModule2;［page］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