電動車由于具有無廢氣污染、無噪音、輕便美觀等特點，受到眾多使用者的青睞。但使用中也暴露出它的局限性，那就是蓄電池的容量決定了它的使用范圍，而且存在充電時間長的缺點。目前隨著電動自行車的發展，急需解決的問題就是如何實現快速靈活的充電。

隨著電子技術、可編程邏輯器件（FPGA，CPLD）、EDA技術的飛速發展，基于硬件編程語言的自上而下（TOP-TO-DOWN）設計方法給數字系統的開發設計帶來了革命性變革，僅使用單片機來實現系統控制的傳統方法正在被越來越多的以MCU+FPGA/CPLD為核心的最新設計理念取代。采用這種混合設計方案的最大優點是兩者的優勢互補，電路結構簡單，這給數字電路系統的設計帶來極大的方便。利用CPLD控制的靈活性很容易對電路進行在線修改，實現各種復雜的數字邏輯控制，這極大地擴展了單片機的功能。而且由于硬件編程語言的靈活性及CPLD具有的在系統編程（In-SystemProgram）特點，大大縮短了系統開發研制周期。基于上述思想，研發了基于SPCE061A和CPLD的電動自行車充電系統。

1 系統硬件設計

1.1 系統組成及功能

該充電系統由凌陽SPCE061A單片機、充電器、按鍵、CPLD、ACM12864液晶顯示器、上位機、語音電路等組成。充電器采用恒流、恒壓、浮充三階段充電方法對蓄電池進行充電。SPCE061A單片機控制六個充電器對六個蓄電池同時進行充電，同時檢測各個充電器的恒流、恒壓、浮充三個充電狀態，并通過ACM12864液晶顯示器顯示各充電器的工作狀態。通過按鍵選擇各充電器的工作與停止，并可根據不同需要選擇快速充電工作方式或普通充電工作方式，對蓄電池進行充電。系統上電進入工作狀態后，當單片機檢測到蓄電池已充滿的信號或發生其他緊急情況所產生的信號時，可以自動關閉充電器，實現充電器操作智能化。利用凌陽SPCE061A單片機的語音功能對充電過程中所出現的故障進行語音提示，使設計更人性化，便于操作。充電系統可以和上位機進行通訊，從而實現系統之間的聯網，有利于系統功能的擴充。其系統組成框圖如圖1所示。

1.2 液晶顯示電路的設計

顯示部分采用ACM12864C液晶顯示器，該模塊價格低。控制器為KS0107和KS0108，工作溫度范圍：0℃“50℃，儲存溫度范圍：-20℃”70℃，自帶負電壓發生電路，單+5V供電，帶背光，可與各種微處理器直接接口，數據讀寫操作不受外部時鐘控制，不帶漢字庫，占空比為1/64，外部共有20條引腳來進行外部接口。ACM12864C能夠充分滿足漢字顯示的要求。通過必要的程序設計，可實現在充電過程中通過對充電器恒流、恒壓、浮充等信號的采集，在ACM12864液晶顯示器上實時動態地顯示電池狀態。SPCE061A與ACM12864的接口如圖2所示。

1.3 鍵盤電路及I/O電路設計

本系統采用CPLD作為SPCE061A單片機和充電器的接口部分，實現I/O口擴展，并完成鍵盤掃描功能。CPLD的使用，取代了一些專用集成電路，減少了系統的復雜性，提高了系統的集成度。本系統采用硬件電路來完成對鍵盤的掃描工作，當有按鍵按下時，CPLD內部狀態發生改變。按鍵彈起后，內部狀態經CPLD自動處理轉化為相應的鍵值被送到輸出端口，供單片機掃描時取走鍵值。相對于軟件判別鍵盤工作狀態，這樣不僅節省了SPCE061A的存儲空間，還極大地提高了系統的工作速度，更好地實現了實時性。

CPLD選用ALTERA公司生產的MAX7000S 系列中的EPM7128SLC84-15。該芯片共有84個引腳，采用EEPROM技術制作；內含2 500個邏輯門，128個宏單元，時鐘工作頻率可達151.5MHz。通過CPLD對資源的整合，實現了用一片CPLD實現I/O電路、硬件掃描判別等，優化了硬件的布局。如需改變系統的功能，只需改變相應的源代碼而不是硬件結構，因而具有很大的靈活性。

2 系統軟件設計

2.1 主程序設計

本系統的軟件部分采用C語言和匯編語言混合編制而成，因而該程序具有功能強大、設計完備等特點。主程序主要完成如下功能：

（1）系統初始化和參數的設置；

（2）充電器三種工作狀態的檢測和顯示；

（3）控制各個充電器的工作和停止以及快速充電和普通充電兩種充電方式的選擇；

（4）蓄電池正反極性的判斷，極性接反時自動進行語音報警；

（5）充電器充滿蓄電池時自動關閉充電器；出現異常情況時自動進行語音報警；

（6）對快速充電時間長短進行設定。

系統主程序流程圖如圖3所示。

2.2 語音播放程序設計

SPCE061A的D/A轉換通道的硬件實現大致有兩種方式，一種是直接采用數/模轉換器DAC方式，另一種是采用脈寬調制PWM驅動方式。SPCE061A音頻輸出的結構就是由兩個DAC通道或一個PWM驅動通道構成。這兩種實現方式實質都為數/模轉換，都是將數字信號轉換為電流模擬信號輸出。SPCE061A的音頻輸出采用雙通道模/數轉換方式，即數字信號通過10位DAC轉換成3mA驅動的電流模擬信號輸出。語音提示輸出直接采用DAC通道，經信號放大后，由揚聲器輸出。語音播放流程圖如圖4所示。

2.3 CPLD程序設計

VerilogHDL語言是硬件描述語言，是描述硬件電路的功能、信號連接關系及定時關系的語言，通過語言編程來表示邏輯器件及系統的功能和行為。其具有設計技術齊全、方法靈活、支持廣泛、硬件描述能力強、與器件工藝無關、易于共享和復用等優點。與VHDL相比，VerilogHDL是一種非常容易掌握的硬件描述語言，而掌握VHDL設計技術就比較困難。故采用VerilogHDL語言來設計接口電路，能充分利用VerilogHDL語言在系統級硬件描述上的優點。

CPLD實現兩個多路選擇器和一個鍵盤掃描電路功能。程序各端口功能如表1所示。datain1由datain1［0］。。.。。.datain1［17］ 18位輸入端口組成，分為6組，每組3個端口。rs由rs［0］、rs、rs3位端口組成，最多可以表示8個2進制數（本設計用到其中的6個）來表示端口選擇位。dataout1由 dataout1［0］、dataout1、dataout13位組成，表示輸出端口。datain1、dataout1、rs組成一個多路選擇器，實現選擇輸入功能，rs的值決定選擇datain1的哪一組信號送給dataout1，由dataout1輸出。datain2由datain2［0］、 datain2組成，表示輸入端口。dataout2由dataout2［0］。。.。。.dataout2［11］12位輸出端口組成，分成6組，每組2位。同理，datain2、 dataout2、rs組成另一個多路選擇器，實現選擇輸出功能，rs的值決定選擇datain2的2位信號從dataout2的哪一組輸出。rt為控制脈沖，當為上升沿時實現選擇輸入功能，當為下降沿時實現選擇輸出功能。datain3為16位按鍵輸入口（低電平有效），每位代表一個按鍵。dataout3為4位按鍵值輸出端口，當有按鍵按下時，經CPLD內部狀態發生改變，按鍵彈起后，內部狀態經CPLD自動處理轉化為相應的鍵值從dataout3輸出（高電平有效）。如當datain3位為1111111111111101時，表示2號鍵按下，dataout3將輸出0010，表示按鍵值為2。

3 CPLD仿真

從最初的電路設計思想到QuartusII的波形仿真、再到CPLD的芯片編程結束，開發設計流程圖如圖5所示。

在QuartusII 平臺上，對VerilogHDL程序編譯后，用Simulator對之進行時序仿真，得到如圖6所示的結果。

由圖中可以看到各預定功能都得到了實現，如datain3為111111011111時，dataout3輸出為0110，仿真結果完全符合電路的要求。

基于SPCE061A+CPLD設計的電動自行車充電系統，簡化了系統軟硬件設計，提高了電路的穩定性和可靠性；使系統設計靈活、開發周期短、集成性更強，同時使系統易于升級和擴展。經檢驗測試，各項技術指標均達到了設計要求。