复杂可编程逻辑器CPLD在发射机中的应用
2023-07-07马杰闫伟
马 杰 闫 伟
1.2.内蒙古自治区广播电视传输发射中心839台 内蒙古 呼和浩特市 010050
引言
CPLD 控制系统可以实现对50kW 发射机的开关机操作、输入信号的数据采集、设备运行状态的监测、设备故障的指示和报警、输出继电器的控制以及与PLC 和上位机的通信与数据传输。本控制系统的主控制器采用的是一种整合性较高的可编程逻辑元件CPLD，其集成度高、低功耗、可靠度好、性价比高，可使硬件电路变得非常简单，凭借其极高的性能，可以完成较复杂的逻辑功能及各种算法和组合逻辑。
1 CPLD的类型和用途
1.1 CPLD 的类型
CPLD 按照其实现功能的复杂性和逻辑容量的大小，分为以下4 类：
普通CPLD；扩展CPLD；超扩展CPLD；超级扩展CPLD。
不同类型的CPLD 在功能和性能方面都有所不同，因此在选择时需要根据具体应用需求进行考虑。
1.2 CPLD 的用途
由于CPLD 具有大量的门和灵活的逻辑规定，CPLD 通常具有几十个至几百个门电路，并且可以使用VHDL 或Verilog 语言编程，是一种非易失性配置存储器。因此，CPLD 是可编程逻辑器件市场的领导者，用途十分广泛。具体如下：
（1）逻辑门级设计：用于实现逻辑门级的功能，如计数器、寄存器、状态机等。
（2）接口控制：用于连接和管理不同的系统接口，如I2C，SPI 等。
（3）时钟管理：用于生成和分配多个时钟信号，以满足系统的时钟要求。
（4）电源管理：用于管理电源信号，如电源软启动，电源软关断等。
总的来说，CPLD 在很多电子系统中都有着广泛的应用，因为它比较灵活，可以快速实现复杂的逻辑功能。图1 为一种CPLD 实物图。
图1 CPLD-ATF1508AS
2 CPLD 在广播发射机中的具体应用
2.1 CPLD 核心控制单元及其原理
CPLD 核心单元是控制系统的中心。采用的是一种整合性较高的可编程逻辑元件CPLD。它由可编程逻辑单元（PLU）组成，并配备一些输入/输出（I/O）管脚。CPLD 的控制系统核心是其内部的配置存储器和时钟网络。当CPLD 上电时，配置存储器会从外部存储器中读取配置信息，并将其加载到可编程逻辑单元中完成对输入信号的逻辑处理，并输出控制信号给各个控制输出板，通过控制输出板与发射机接口连接，具体如图2 所示。
图2 CPLD 原理图
时钟网络是CPLD 内部的时钟分配网络，用于提供时序逻辑电路中的时钟信号。时钟信号可以控制电路中的状态转换，从而实现特定的逻辑功能。时钟网络还可以控制CPLD的工作频率和时序特性，以确保电路的可靠性和稳定性。当外界输入一个命令时，时钟系统按照预置程序直接导通逻辑执行单元，输出信号给各个控制板。总之，CPLD 的核心控制单元包括配置存储器和时钟网络，其原理是将逻辑功能的实现从硬件电路中抽象出来，并使用可编程逻辑单元和配置存储器来实现。编程语言可根据时控需求输入程序，方便使用。
例如，如果想要闭合开关后输出信号板上对应的信号灯变为红色，只需要使用Verilog语言在CPLD 中编入程序实现对开关的控制：
在此代码中，每当信号上升沿时，状态寄存器将被更新为当前的开关状态。最后，通过语句将LED 的输出状态绑定到状态寄存器。另外，还可以根据实际应用环境和需要对代码进行修改。
2.2 CPLD 对广播发射机各功能模块的控制
控制接口单元把CPLD 核心板的输出控制信号输出到开关推动装置板的继电器上，完成对设备各单元的主接触器的各种操作。控制信号输入单元完成对发射机各状态开关量数据的采集，把采集到的状态数据通过母板传给CPLD 核心单元，具体如图3 所示。
图3 CPLD 发射机控制系统功能图
如图3 所示，在值机人员按下主控开关后，CPLD 会按照预定程序对高压通断进行通断。当发射机需要升降功率、允许调谐时，它的执行单元会对9 单元进行控制。如果出现反射功率过大、驻波比保护、高末级帘栅极过流、调制器过流等故障，程序会自动进行高压切断，保护发射机不会出现过流打火现象。其中帘栅极设置电压为900V，栅压为-450V，如果超过设定值，信号采样单元会把过载信息输入到CPLD 时钟单元，同时故障灯亮起，切断发射机一二档。此时值机人员通过自台监控系统收到发射机停机警报，可按照相对应的故障灯对发射机高周部分进行检查修复。
结语
最新的广播发射机等通讯设备所采用的可编程逻辑元件CPLD，其集成度高、低功耗、可靠度好、性价比高，可使硬件电路变得非常简单，系统的可扩展性能极强。CPLD 的执行速度极快，这样提高了系统对设备的控制性能，可以更好地保证设备安全运行，它具有编程灵活、集成度高、适用范围宽、开发工具先进、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计。因此，几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD 器件，它已成为电子产品不可缺少的组成部分，掌握它的原理和应用应成为电子工程师必备的一种技能。
