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 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。［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 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;［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流程如图 3：

图 3 系统参数设置处理流程图

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。