随着电力电子技术的飞速发展，电力电子装置的应用日益广泛，引起的谐波污染问题也越来越受到人们的关注。为了提高电能质量，抑制谐波污染，一条基本思路就是装设谐波补偿装置[1]。由于传统的LC滤波器易受电网阻抗和运行状态影响，容易与系统产生并联谐振而且只能补偿固定频率谐波，所以有源电力滤波器已经成为谐波补偿的一种新的发展趋势。有源电力滤波器能够对不同频率的谐波和变化的无功功率进行补偿，同时为了满足谐波检测的实时性、准确性要求，多采用以高速数字信号处理见长的DSP作为系统CPU。但是DSP只有两个I/O口，与多个外围器件的接口扩展受到限制，所以本文采用CPLD设计了DSP系统的组合逻辑电路，实现与外围器件的接口扩展和时序配合,并在QuartusⅡ波形编辑器中完成了系统的时序分析。
1 系统总体设计
　本系统是并联有源电力滤波器，主要治理电流谐波，采用上、下位机的设计形式。下位机控制电路以TMS320C5416DSP为核心，实现现场数据采集，谐波的实时检测与补偿、无功功率补偿和简单的数据显示功能；上位机采用工控机并利用Visual C++和SQL Server集成开发软件，实现电网数据的存储和进一步分析处理。系统总体框图如图1所示。

下位机硬件电路主要包括A/D转换模块、DSP数据处理模块、CPLD逻辑控制模块、存储器扩展模块、人机交互模块和异步通信模块。DSP选用TMS320C5416，它是一款16位定点DSP，功耗仅为0.32 mV/MIPS，速度高达160 MIPS[2]。A/D转换器采用TLV1571芯片,是一种10位并行A/D转换器，是TI公司专为DSP配套设计的，具有速度高、功耗低、接口简单等特点[3]。异步串行通信芯片选用TL16V750,它将从DSP接收的并行数据转化成串行数据传给上位机，实现上、下位机的通信。
　下位机基本工作原理如下:当A/D转换器完成模数转换时，给DSP一个中断信号，DSP读取转换后的数据并存储，然后在内部运用瞬时无功功率理论计算出补偿电流的指令信号，再利用该信号和实际的补偿电流设计滞环比较器，产生PWM信号控制主电路中IGBT的通断，从而生成合适的补偿电流回馈给电网。如果键盘有键按下，DSP接收键盘的中断请求转到中断服务子程序对键盘进行扫描，并将相关结果在LCD上显示出来。
2 CPLD逻辑电路设计
　CPLD,即复杂可编程逻辑器件，具有应用灵活、运行速度快、集成度高、功能强大、支持在线编程、设计周期短、开发成本低、能够减小系统体积等优点[4]。作为下位机的组合逻辑控制中心，本系统采用Altera公司的EPM3128 CPLD芯片，主要完成存储器的扩展控制、外围器件的读写控制(如AD、UART、键盘等)、DSP的中断管理(包括AD采样终端、键盘中断、UART通信中断)、人机接口控制和串行通信控制。开发平台使用QuartusⅡ5.0，可支持原理图、VHDL、Verilog HDL以及AHDL等多种输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程[5]。硬件描述语言采用VHDL，其功能强大，可移植性好，并且具有向ASIC移植的能力。
2.1 存储器的扩展控制
　TMS320C5416共有16 KB的内部ROM，64 KB的片内DARAM和64 KB的片内SARAM[6]，但有23条地址线，支持8 MB的存储空间寻址，同时考虑到存储的数据量较大，也为了方便以后系统升级，仍需扩展外部存储器。外部程序存储器选择体积小、功耗低、电可擦写的Flash存储器Am29LV400B，该芯片读取周期短，工作电压可分为满负荷2.7 V~3.6 V和可调节3.0 V~3.6 V两种，可直接与3.3 V的DSP相连，简化了接口电路。外部数据存储器选用CY7C1041B-15，它的读取时间只需15 ns，插入等待周期少。Am29LV400B和CY7C1041B-15存储空间都是512 KB，与DSP接口如图2所示。

　在连线时,将DSP的15位低地址线A0~A14直接与SRAM和Flash的A0~A14相连，DSP的A16与外存储器的A15相连，A17与外存储器的A16相连，A18与外存储器的A17相连，这样省去DSP的A15地址线，就将SRAM和Flash分别分成32 KB长的块。以Flash为例,若A15=1，Flash的0000H~7FFFH对应于DSP的8000H~FFFFH，Flash的8000H~FFFFH对应于DSP的18000H~1FFFFH，Flash的10000H~1FFFFH对应于DSP的28000H~2FFFFH，以此类推。分页用I/O口控制，这样存储器片选的CPLD实现只需如下两个语句：
　flash_ce<=′0′ when(dsp_ds=′0′)and dsp_addH1(15)=′1′else′1′;
　sram_ce<= ′0′ when(dsp_ds=′0′)and dsp_addH1(15)=′0′ else′1′;
　SRAM定位到0X0000~0X7FFF,Flash定位到0X8000~0XFFFF，以便进行自举加载。

and dsp_addH1(15)=′0′ and dsp_addH1(14)=′1′else′1′;

由于TLV1571接口电平与DSP不匹配，故使用三态门双向总线收发器74LV164245做电平转换器。本模块使用两片74ALV164245，A/D控制信号与键盘控制信号共用一片，该电平转换器直接将DIR接高电平，OE接低电平，信号传输由A到B。A/D传输的数据单用一片，便于控制A/D数据的传输方向。控制信号DIR和OE由CPLD译码产生，如下：
　dsp_data_dir<=not dsp_rw;
　dsp_data_oe<=′0′when(dsp_iostrb=′0′ and(dsp_is=′0′)
　and dsp_addL="1111" anddsp_addH1(15)=′0′and
　dsp_addH1(14) =′1′) else ′1′;
2.3 人机接口控制
人机接口主要包括一个4×4矩阵式键盘和液晶显示两部分，与CPLD接口如图4所示。键盘的主要功能是完成显示页面选择和查询参数设置。键盘控制使用CH452芯片，该芯片内置去抖动电路，提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放。CH452通过高速的4线接口与CPLD相连。在键盘扫描期间，当有键按下时，DOUT引脚产生低电平有效中断信号，该信号经CPLD译码后触发DSP的外部中断INT2，DSP通过串行接口读取按键代码，然后转到中断服务子程序执行相关操作。另外为了保证键盘扫描的正确性，一般要选择较低频的时钟。若DSP外接20 MHz的晶振，内部时钟电路输出最低频率为5 MHz，而CH452最高频率为2 MHz，因此CPLD需将DSP输出时钟分频后加到CH452芯片的DCLK引脚。分频实现如下：
　if rising_edge(clkin) then if counter=N then counter<=0;clk<=not clk;
　else counter<=counter+1; end if; end if; end process;clkout<=clk;

　液晶显示器因具有显示信息丰富、功耗低、体积小、重量轻等优点而得到广泛应用。本系统选用LCM12864ZK中文液晶显示模块,内含ST7920驱动控制器，提供串行/并行两用接口。本系统采用并行接口，即PSB引脚输入高电平。D0~D7直接接DSP数据总线，是复位信号，R/W为读写信号，1为读信号，0时写入，E是读写数据启始脚，RS选择寄存器，0为选择指令寄存器，1为数据寄存器。对液晶进行操作时，经CPLD译码，首先选通指令寄存器写入相应代码，再选通数据寄存器进行数据读写操作。部分译码程序如下：
　lcd_psb <= ′1′; --1 并行总线 0 串行总线
　lcd_rs <= dsp_addL(0);--选择寄存器
　lcd_rw <= dsp_rw;
　lcd_e <= ′1′ when ( dsp_iostrb=′0′ and (dsp_addL = "0001" or dsp_addL = "0000") and dsp_addH1(15) =′1′ and dsp_addH1(14) = ′1′) else ′0′;

3 CPLD时序仿真
　为了验证设计模块逻辑功能的正确性，需要对设计进行仿真。CPLD仿真验证可以有多种方式，本文选择用QuartusⅡ自带的波形编辑器进行逻辑时序仿真。本设计中各外围器件的片选、读写、键盘扫描时钟的分频等关键信号仿真波形如图6所示。

　从图中可以看出，各片选信号、读写信号满足设计要求，例如，在IS=0，地址为0x4000~0x4007时选通UART，时钟信号CLKIN经八分频输出CLKOUT等，都满足设计要求,所以本系统设计的逻辑电路是可以实现的。
　为了抑制谐波污染，提高电能质量，设计了一种基于DSP的并联型有源电力滤波器。该滤波器由上位机和下位机组成，上位机使用工控机，下位机以DSP系统为核心，并采用CPLD对外围电路进行接口扩展。本文重点分析了CPLD与外围器件的接口问题，并以QuartusⅡ开发平台为基础，用VHDL硬件编程语言描述了组合逻辑电路的实现。在波形编辑器中得出有效的时序分析结果，结果表明该设计是可行的。
参考文献
[1] 王兆安，杨军，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2] 乔瑞萍,崔涛,张芳娟. TMS320C54X DSP原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,2005.
[3] TI. TLV1571 data sheet [DB].2000.
[4] 罗朝霞,高书莉.CPLD/FPGA设计及应用[M].北京：人民邮电出版社,2007.
[5] 赵艳华，曹炳霞，张睿.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2009.
[6] Texas Instruments Incorporated.TMS320C54X系列DSP的CPU与外设[M].梁晓雯，裴小平，李玉虎,译.北京:清华大学出版社, 2006.