復(fù)雜可編程邏輯器CPLD在發(fā)射機中的應(yīng)用

馬 杰 閆 偉

1.2.內(nèi)蒙古自治區(qū)廣播電視傳輸發(fā)射中心839臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

引言

CPLD 控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對50kW 發(fā)射機的開關(guān)機操作、輸入信號的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、設(shè)備故障的指示和報警、輸出繼電器的控制以及與PLC 和上位機的通信與數(shù)據(jù)傳輸。本控制系統(tǒng)的主控制器采用的是一種整合性較高的可編程邏輯元件CPLD，其集成度高、低功耗、可靠度好、性價比高，可使硬件電路變得非常簡單，憑借其極高的性能，可以完成較復(fù)雜的邏輯功能及各種算法和組合邏輯。

1 CPLD的類型和用途

1.1 CPLD 的類型

CPLD 按照其實現(xiàn)功能的復(fù)雜性和邏輯容量的大小，分為以下4 類：

普通CPLD；擴展CPLD；超擴展CPLD；超級擴展CPLD。

不同類型的CPLD 在功能和性能方面都有所不同，因此在選擇時需要根據(jù)具體應(yīng)用需求進行考慮。

1.2 CPLD 的用途

由于CPLD 具有大量的門和靈活的邏輯規(guī)定，CPLD 通常具有幾十個至幾百個門電路，并且可以使用VHDL 或Verilog 語言編程，是一種非易失性配置存儲器。因此，CPLD 是可編程邏輯器件市場的領(lǐng)導(dǎo)者，用途十分廣泛。具體如下：

（1）邏輯門級設(shè)計：用于實現(xiàn)邏輯門級的功能，如計數(shù)器、寄存器、狀態(tài)機等。

（2）接口控制：用于連接和管理不同的系統(tǒng)接口，如I2C，SPI 等。

（3）時鐘管理：用于生成和分配多個時鐘信號，以滿足系統(tǒng)的時鐘要求。

（4）電源管理：用于管理電源信號，如電源軟啟動，電源軟關(guān)斷等。

總的來說，CPLD 在很多電子系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用，因為它比較靈活，可以快速實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。圖1 為一種CPLD 實物圖。

圖1 CPLD-ATF1508AS

2 CPLD 在廣播發(fā)射機中的具體應(yīng)用

2.1 CPLD 核心控制單元及其原理

CPLD 核心單元是控制系統(tǒng)的中心。采用的是一種整合性較高的可編程邏輯元件CPLD。它由可編程邏輯單元（PLU）組成，并配備一些輸入/輸出（I/O）管腳。CPLD 的控制系統(tǒng)核心是其內(nèi)部的配置存儲器和時鐘網(wǎng)絡(luò)。當CPLD 上電時，配置存儲器會從外部存儲器中讀取配置信息，并將其加載到可編程邏輯單元中完成對輸入信號的邏輯處理，并輸出控制信號給各個控制輸出板，通過控制輸出板與發(fā)射機接口連接，具體如圖2 所示。

圖2 CPLD 原理圖

時鐘網(wǎng)絡(luò)是CPLD 內(nèi)部的時鐘分配網(wǎng)絡(luò)，用于提供時序邏輯電路中的時鐘信號。時鐘信號可以控制電路中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)特定的邏輯功能。時鐘網(wǎng)絡(luò)還可以控制CPLD的工作頻率和時序特性，以確保電路的可靠性和穩(wěn)定性。當外界輸入一個命令時，時鐘系統(tǒng)按照預(yù)置程序直接導(dǎo)通邏輯執(zhí)行單元，輸出信號給各個控制板?？傊?，CPLD 的核心控制單元包括配置存儲器和時鐘網(wǎng)絡(luò)，其原理是將邏輯功能的實現(xiàn)從硬件電路中抽象出來，并使用可編程邏輯單元和配置存儲器來實現(xiàn)。編程語言可根據(jù)時控需求輸入程序，方便使用。

例如，如果想要閉合開關(guān)后輸出信號板上對應(yīng)的信號燈變?yōu)榧t色，只需要使用Verilog語言在CPLD 中編入程序?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)的控制：

在此代碼中，每當信號上升沿時，狀態(tài)寄存器將被更新為當前的開關(guān)狀態(tài)。最后，通過語句將LED 的輸出狀態(tài)綁定到狀態(tài)寄存器。另外，還可以根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境和需要對代碼進行修改。

2.2 CPLD 對廣播發(fā)射機各功能模塊的控制

控制接口單元把CPLD 核心板的輸出控制信號輸出到開關(guān)推動裝置板的繼電器上，完成對設(shè)備各單元的主接觸器的各種操作?？刂菩盘栞斎雴卧瓿蓪Πl(fā)射機各狀態(tài)開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集，把采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過母板傳給CPLD 核心單元，具體如圖3 所示。

圖3 CPLD 發(fā)射機控制系統(tǒng)功能圖

如圖3 所示，在值機人員按下主控開關(guān)后，CPLD 會按照預(yù)定程序?qū)Ω邏和〝噙M行通斷。當發(fā)射機需要升降功率、允許調(diào)諧時，它的執(zhí)行單元會對9 單元進行控制。如果出現(xiàn)反射功率過大、駐波比保護、高末級簾柵極過流、調(diào)制器過流等故障，程序會自動進行高壓切斷，保護發(fā)射機不會出現(xiàn)過流打火現(xiàn)象。其中簾柵極設(shè)置電壓為900V，柵壓為-450V，如果超過設(shè)定值，信號采樣單元會把過載信息輸入到CPLD 時鐘單元，同時故障燈亮起，切斷發(fā)射機一二檔。此時值機人員通過自臺監(jiān)控系統(tǒng)收到發(fā)射機停機警報，可按照相對應(yīng)的故障燈對發(fā)射機高周部分進行檢查修復(fù)。

結(jié)語

最新的廣播發(fā)射機等通訊設(shè)備所采用的可編程邏輯元件CPLD，其集成度高、低功耗、可靠度好、性價比高，可使硬件電路變得非常簡單，系統(tǒng)的可擴展性能極強。CPLD 的執(zhí)行速度極快，這樣提高了系統(tǒng)對設(shè)備的控制性能，可以更好地保證設(shè)備安全運行，它具有編程靈活、集成度高、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計。因此，幾乎所有應(yīng)用中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用CPLD 器件，它已成為電子產(chǎn)品不可缺少的組成部分，掌握它的原理和應(yīng)用應(yīng)成為電子工程師必備的一種技能。