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(tái) 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

引言

CPLD 控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)50kW 發(fā)射機(jī)的開(kāi)關(guān)機(jī)操作、輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、設(shè)備故障的指示和報(bào)警、輸出繼電器的控制以及與PLC 和上位機(jī)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?xún)r(jià)比高，可使硬件電路變得非常簡(jiǎn)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(lèi)型和用途

1.1 CPLD 的類(lèi)型

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

普通CPLD；擴(kuò)展CPLD；超擴(kuò)展CPLD；超級(jí)擴(kuò)展CPLD。

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

1.2 CPLD 的用途

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

（1）邏輯門(mén)級(jí)設(shè)計(jì)：用于實(shí)現(xiàn)邏輯門(mén)級(jí)的功能，如計(jì)數(shù)器、寄存器、狀態(tài)機(jī)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(shí)鐘管理：用于生成和分配多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的時(shí)鐘要求。

（4）電源管理：用于管理電源信號(hào)，如電源軟啟動(dòng)，電源軟關(guān)斷等。

總的來(lái)說(shuō)，CPLD 在很多電子系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗容^靈活，可以快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。圖1 為一種CPLD 實(shí)物圖。

圖1 CPLD-ATF1508AS

2 CPLD 在廣播發(fā)射機(jī)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(chǔ)器和時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)CPLD 上電時(shí)，配置存儲(chǔ)器會(huì)從外部存儲(chǔ)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(duì)輸入信號(hào)的邏輯處理，并輸出控制信號(hào)給各個(gè)控制輸出板，通過(guò)控制輸出板與發(fā)射機(jī)接口連接，具體如圖2 所示。

圖2 CPLD 原理圖

時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)是CPLD 內(nèi)部的時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)，用于提供時(shí)序邏輯電路中的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)可以控制電路中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)特定的邏輯功能。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)還可以控制CPLD的工作頻率和時(shí)序特性，以確保電路的可靠性和穩(wěn)定性。當(dāng)外界輸入一個(gè)命令時(shí)，時(shí)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(hào)給各個(gè)控制板。總之，CPLD 的核心控制單元包括配置存儲(chǔ)器和時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，其原理是將邏輯功能的實(shí)現(xiàn)從硬件電路中抽象出來(lái)，并使用可編程邏輯單元和配置存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。編程語(yǔ)言可根據(jù)時(shí)控需求輸入程序，方便使用。

例如，如果想要閉合開(kāi)關(guān)后輸出信號(hào)板上對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈變?yōu)榧t色，只需要使用Verilog語(yǔ)言在CPLD 中編入程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)的控制：

在此代碼中，每當(dāng)信號(hào)上升沿時(shí)，狀態(tài)寄存器將被更新為當(dāng)前的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。最后，通過(guò)語(yǔ)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(shí)際應(yīng)用環(huán)境和需要對(duì)代碼進(jìn)行修改。

2.2 CPLD 對(duì)廣播發(fā)射機(jī)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(hào)輸出到開(kāi)關(guān)推動(dòng)裝置板的繼電器上，完成對(duì)設(shè)備各單元的主接觸器的各種操作?？刂菩盘?hào)輸入單元完成對(duì)發(fā)射機(jī)各狀態(tài)開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)的采集，把采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)母板傳給CPLD 核心單元，具體如圖3 所示。

圖3 CPLD 發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)功能圖

如圖3 所示，在值機(jī)人員按下主控開(kāi)關(guān)后，CPLD 會(huì)按照預(yù)定程序?qū)Ω邏和〝噙M(jìn)行通斷。當(dāng)發(fā)射機(jī)需要升降功率、允許調(diào)諧時(shí)，它的執(zhí)行單元會(huì)對(duì)9 單元進(jìn)行控制。如果出現(xiàn)反射功率過(guò)大、駐波比保護(hù)、高末級(jí)簾柵極過(guò)流、調(diào)制器過(guò)流等故障，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行高壓切斷，保護(hù)發(fā)射機(jī)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)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(guò)設(shè)定值，信號(hào)采樣單元會(huì)把過(guò)載信息輸入到CPLD 時(shí)鐘單元，同時(shí)故障燈亮起，切斷發(fā)射機(jī)一二檔。此時(shí)值機(jī)人員通過(guò)自臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)收到發(fā)射機(jī)停機(jī)警報(bào)，可按照相對(duì)應(yīng)的故障燈對(duì)發(fā)射機(jī)高周部分進(jìn)行檢查修復(fù)。

結(jié)語(yǔ)

最新的廣播發(fā)射機(jī)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?xún)r(jià)比高，可使硬件電路變得非常簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能極強(qiáng)。CPLD 的執(zhí)行速度極快，這樣提高了系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的控制性能，可以更好地保證設(shè)備安全運(yùn)行，它具有編程靈活、集成度高、適用范圍寬、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)。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(chǎng)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。