劉 艷， 高 茜， 張 斌， 景 昊， 唐海賢

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院， 江蘇 常州 213022)

一種常用數(shù)字電路芯片功能檢測系統(tǒng)

劉 艷， 高 茜， 張 斌， 景 昊， 唐海賢

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院， 江蘇 常州 213022)

開發(fā)了一種芯片功能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于實(shí)踐教學(xué)中的與非門、反相器、數(shù)據(jù)選擇器、計數(shù)器、譯碼器、顯示譯碼器等常用芯片進(jìn)行設(shè)計，由上位機(jī)和硬件電路兩部分組成。上位機(jī)用以實(shí)現(xiàn)對芯片功能表或真值表的輸入、管理及發(fā)送；硬件電路負(fù)責(zé)接收功能表或真值表信號并完成芯片的檢測，得出芯片是否損壞或功能是否正常的結(jié)果，并顯示或報警。本系統(tǒng)可以降低數(shù)字電路實(shí)踐中檢測芯片的難度和復(fù)雜度，并提高準(zhǔn)確度，為實(shí)驗結(jié)果的正確性奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)字電路； 芯片檢測； 實(shí)踐教學(xué)

0 引 言

伴隨數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展與壯大使得全球信息化進(jìn)程得到發(fā)展[1]?！皵?shù)字電子技術(shù)”課程是高等學(xué)校電氣類、電子信息類、自動化、機(jī)電類和計算機(jī)類專業(yè)的重要必修基礎(chǔ)課程，課程的顯著特點(diǎn)之一是它的實(shí)踐性。文獻(xiàn)[2-4]中注重將理論與實(shí)踐相結(jié)合，證實(shí)了數(shù)字電子技術(shù)在實(shí)踐中的重要性；文獻(xiàn)[5-6]中強(qiáng)調(diào)了仿真軟件在數(shù)字電子技術(shù)學(xué)習(xí)過程中的重要性。

在實(shí)踐教學(xué)過程中，所使用芯片的完好性是達(dá)到實(shí)驗效果的前提。最常用的芯片檢測方式是手工檢測，即通過手工連線、搭建電路，根據(jù)芯片的功能表或真值表給相應(yīng)引腳提供輸入電平，觀察對應(yīng)功能引腳的電平輸出，判斷芯片是否完好。這種方法效率不高，需要連接復(fù)雜的線路，不斷地切換輸入開關(guān)，檢測結(jié)果可靠性不高。因此，設(shè)計一種電路簡單、操作方便、結(jié)果可靠的芯片檢測裝置或系統(tǒng)，能提高數(shù)字電路實(shí)踐課程中的教學(xué)和學(xué)習(xí)效率，方便教師和學(xué)生將時間和精力投入到更深層次的實(shí)驗教學(xué)和學(xué)習(xí)中。文獻(xiàn)[7-8]中對自動檢測芯片裝置利用單片機(jī)做過研究，完成一套針對74系列芯片的檢測裝置，但針對的芯片范圍較小。

本文針對傳統(tǒng)手工檢測芯片的不足，在數(shù)字電路實(shí)踐教學(xué)中，針對與非門、反相器、數(shù)據(jù)選擇器、計數(shù)器、譯碼器、顯示譯碼器等常用芯片，設(shè)計了一種基于數(shù)字電路實(shí)驗的常用芯片檢測系統(tǒng)，以檢測數(shù)字電路實(shí)驗中大多數(shù)芯片的功能是否正常，保證數(shù)字電路實(shí)踐教學(xué)的順利進(jìn)行。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)針對常用數(shù)字電路芯片設(shè)計，測試硬件應(yīng)滿足不同引腳個數(shù)和排列，而且能根據(jù)芯片不同提供不同功能表或真值表。分析前述常用芯片特點(diǎn)可知，其工作電壓大多為5 V，引腳數(shù)大多為14或16，且對于14引腳的芯片，第14號引腳為VCC，第7號引腳為GND；對于16引腳芯片，第16號引腳為VCC，第8號引腳為GND[9-11]。針對這些共同點(diǎn)，系統(tǒng)的硬件電路為包括16引腳的芯片插座以及控制、顯示芯片檢測結(jié)果部分；靈活輸入功能表或真值表的功能由上位機(jī)提供，包括待檢測芯片各種信息，如芯片引腳數(shù)量、各引腳的功能以及芯片的真值表等。上位機(jī)和硬件系統(tǒng)通過串口連接：上位機(jī)通過RXD線將待檢測芯片的相關(guān)信息發(fā)送至硬件電路，硬件電路便可根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)對芯片極性自動檢測，顯示芯片檢測結(jié)果并通過TXD線將檢測結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)亦可顯示芯片檢測結(jié)果。

常用芯片損壞通常有兩種表現(xiàn)形式：① 芯片的VCC和GND引腳短路(即連通)，芯片硬件損壞；② 芯片的輸入輸出電平與真值表不符，功能紊亂。為了保證硬件電路不受被檢測芯片的影響，能夠獨(dú)立工作，必須對VCC和GND引腳連通的情況進(jìn)行單獨(dú)檢測。硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。圖中外圍電路主要由LED、蜂鳴器、撥碼開關(guān)、芯片插座、繼電器以及串口模塊組成。LED和蜂鳴器用于顯示芯片檢測結(jié)果，若芯片正常，LED亮，否則，蜂鳴器響；撥碼開關(guān)用于選擇本芯片檢測系統(tǒng)的工作模式；芯片插座用于插接待檢測芯片；兩個繼電器用于切換14引腳芯片和16引腳芯片的檢測以及配合檢測芯片的VCC、GND是否連通；串口模塊用于程序的下載，接收上位機(jī)發(fā)送的待檢測芯片的真值表以及發(fā)送芯片檢測結(jié)果至上位機(jī)[12-13]。

圖1 圖1 硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖

芯片檢測系統(tǒng)的上位機(jī)需要加載真值表，將真值表發(fā)送至硬件電路以及等待硬件電路回復(fù)芯片檢測結(jié)果并顯示，其工作流程見圖2所示。

圖2 上位機(jī)工作流程圖

2 上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)部分可以實(shí)現(xiàn)對芯片功能表或真值表的輸入、管理和發(fā)送，具體有：功能表或真值表的加載與保存，將功能表或真值表發(fā)送至硬件電路。功能表或真值表的加載有兩種方式:① 手動輸入真值表；② 從文件中導(dǎo)入真值表。手動輸入真值表時，首先要對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括串行通信相關(guān)參數(shù)[14]和待檢測芯片相關(guān)參數(shù)。待檢測芯片相關(guān)參數(shù)主要為芯片的引腳數(shù)以及每個引腳的功能，包括輸入、輸出、接地和時鐘，分別用I、O、GND和CLK表示。參數(shù)設(shè)置完成后，即可在上位機(jī)界面右側(cè)表格中輸入該芯片的真值表，如圖3(a)所示。該圖中表頭為芯片的引腳序號以及該序號引腳的功能，輸入完成后，可將真值表保存至文件，以便下次使用。圖3(b)為保存后的功能表。若之前已輸入過芯片功能表或真值表，使用時可以直接從文件中選取并導(dǎo)入真值表，不需要再次設(shè)置串口參數(shù)和芯片各個引腳的功能。

點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，上位機(jī)可按照特定格式通過串口將芯片的真值表發(fā)送至硬件電路，硬件電路便可進(jìn)行芯片檢測。檢測完成后，硬件電路將檢測結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)可顯示檢測結(jié)果，當(dāng)芯片正常時，上位機(jī)可用綠色字體顯示芯片正常；否則，會用紅色字體顯示芯片故障。

圖3所示上位機(jī)程序為Windows系統(tǒng)，采用基于.NET的C#編寫[15]。

(a) 設(shè)置界面

圖3 上位機(jī)工作流程圖

3 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路如圖4所示。電路1為控制器及其基本外圍電路；電路2為結(jié)果顯示部分，包含一個LED和一個蜂鳴器；電路3為芯片檢測部分，其中包括2個下拉電阻，用于為芯片插座的部分引腳提供初始化電平；電路4為繼電器電路，用于切換芯片插座的不同連接狀態(tài)；電路5為撥碼開關(guān)，用于選擇芯片檢測系統(tǒng)的不同工作模式；電路6為串行口通信電路，用于控制器的程序下載以及與上位機(jī)的連接。

圖4 硬件電路原理圖

3.1 芯片檢測

芯片檢測電路由1個16位芯片插座、2個繼電器、1個控制器以及串口模塊組成。檢測芯片時，將芯片正確插入16位芯片插座后啟動單片機(jī)并選擇相應(yīng)的工作模式即可開始自動檢測。被檢測芯片的真值表可以有兩種來源; ① 讀取預(yù)先保存在控制器EEPROM中的真值表;② 從串口模塊接收由上位機(jī)發(fā)送的真值表。

3.2 工作模式選擇

工作模式選擇電路為一帶有下拉電阻的8位撥碼開關(guān)，當(dāng)撥碼開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時，與單片機(jī)相連的引腳電平會發(fā)生變化。通過改變撥碼開關(guān)的狀態(tài)，可以切換芯片檢測系統(tǒng)的工作模式。當(dāng)沒有撥碼開關(guān)被撥下時，控制器等待接收由上位機(jī)發(fā)送的真值表，直至接收到完整真值表后開始檢測；當(dāng)檢測系統(tǒng)斷電時，本次接收到的真值表將不會保存。當(dāng)有撥碼開關(guān)被撥下時，控制器首先檢測該工作模式所對應(yīng)的E2PROM[16]存儲區(qū)域中是否有已存儲的真值表，如果已有保存的真值表，則將其讀出用于芯片檢測；否則，將會等待接收由上位機(jī)發(fā)送的真值表，此工作模式下，控制器會將真值表保存于E2PROM中特定存儲區(qū)域。

3.3 結(jié)果顯示

結(jié)果顯示電路由一個LED指示燈、一個蜂鳴器組成。LED指示燈、蜂鳴器均與芯片檢測部分中的控制器相連。芯片檢測部分對芯片是否損壞的判斷結(jié)果通過控制器傳遞給結(jié)果顯示部分：LED指示燈亮表示芯片未損壞，蜂鳴器響表示芯片損壞。

3.4 控制器程序設(shè)計

控制器實(shí)現(xiàn)功能表或真值表的接收，并在相應(yīng)輸入輸出引腳輸出相應(yīng)電平，采用51系列單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)選用具有8 KB程序存儲空間、512 byte數(shù)據(jù)存儲空間、內(nèi)帶4 KB E2PROM存儲空間、可直接只用串口下載程序[17-18]的STC89C52。控制器程序設(shè)計流程如圖5所示。 其工作步驟為：設(shè)置工作模式，接收或檢測；若為接收模式，則接收上位機(jī)發(fā)來的功能表或真值表并存入E2PROM；保存功能表或真值表，進(jìn)入檢測模式；首先判斷VCC與 GND是否連通，如果短路，得出芯片損壞的結(jié)果；VCC與 GND未短路，則遍歷功能表或真值表，判斷芯片功能是否正常；得出芯片檢測結(jié)果并發(fā)回上位機(jī)。

圖5 控制器程序設(shè)計流程圖

4 結(jié) 語

用于數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的芯片功能檢測系統(tǒng)，基于數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)實(shí)踐課程教學(xué)設(shè)計，包括適用于各種芯片安裝并檢測的硬件電路和可指定芯片功能表/真值表的上位機(jī)，靈活、快速地就芯片功能進(jìn)行檢測。這種與實(shí)踐課程聯(lián)系緊密、易于實(shí)施、操作簡單的檢測系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的手工檢測芯片的方式，為快速、準(zhǔn)確檢測芯片是否損壞提供了保障。該系統(tǒng)得出的檢測結(jié)果，是學(xué)生順利完成實(shí)驗、達(dá)到實(shí)驗效果的前提，同時也可促進(jìn)學(xué)生對實(shí)驗原理的理解，提高實(shí)踐課程的教學(xué)效果。

[1] 李勁松.數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].電子世界,2016,28(10):42.

[2] 楊春玲,朱 敏,張 巖.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)研究性教學(xué)方法的探索與實(shí)踐[J].中國大學(xué)教學(xué),2014(2):58-60

[3] 張學(xué)成.數(shù)字電子技術(shù)試驗改革與創(chuàng)新[J].實(shí)驗室研究與探索,2011,30(8):285-288.

[4] 李 旭,張為公.基于科研項目的數(shù)字電路創(chuàng)新型實(shí)驗教學(xué)改革[J].實(shí)驗室研究與探索,2015,34(1):168-171,209.

[5] 王雪麗.EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗中的應(yīng)用分析[J].電子制作,2014(21):212.

[6] 方天紅,張升義.Proteus在“數(shù)字邏輯電路”課程項目驅(qū)動教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗室研究與探索,2014,33(4):195-197,285.

[7] 王艷芳,張 穎,趙二剛,等.數(shù)字電路芯片檢測系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].實(shí)驗室科學(xué),2015,18(1):43-46.

[8] 肖寶森.多功能數(shù)字芯片測試儀的設(shè)計與應(yīng)用[J].實(shí)驗技術(shù)與管理,2012,27(12):133-136.

[9] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分[M].6版.北京:高等教育出版社,2013.

[10] 李哲英.電子技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M].2版.北京:高等教育出版社,2009.

[11] 王小海,祁才君,阮秉濤.集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程(下)[M].2版.北京:高等教育出版社,2008.

[12] 潘 方.RS232串口通信在PC機(jī)與單片機(jī)通信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(13):69-71.

[13] 翟希述,王寶興,范 淼.基于Visual C#的串口通信程序設(shè)計[J].電子科技,2011,24(2):24-26.

[14] 周 陽,周美嬌,黃 波,等.基于C#的串口通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2015,38(7):135-140.

[15] 內(nèi)格爾(Nagel,C.),李 銘譯.C#高級編程[M].9版.北京:清華大學(xué)出版社,2014.

[16] 徐 晴,紀(jì) 峰,田正其,等.基于EEPROM數(shù)據(jù)讀寫的智能電能表白盒測試方法[J].電測與儀表,2014,51(3):1-5.

[17] 周 鵬.基于STC89C52單片機(jī)的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(22):10-13.

[18] 謝運(yùn)祥,歐陽森.電子電力單片機(jī)控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

A Testing System of Commonly Used Digital Crcuitchip

LIUYan,GAOXi,ZHANGBin,JINGHao,TANGHaixian

(College of Internet of Things Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, Jiangsu, China)

There are some problems such as complex circuit connection, inefficiency detection in digital circuit practical teaching. Hence, the research group has studied and designed a testing system of commonly used digital circuit chip. The system is based on NAND gate, phase inverter, data selector, counter, decoder and display decoder of the practical teaching. It is composed of upper system and hardware circuit. The upper system serves as entering, management, transmitting function table or truth table. The hardware circuit serves as receiving the signals to testing chip, providing result whether the chip gets damaged or chip’s function is normal, and showing the testing result. The system can reduce difficulty and complexity and improve the accuracy of chip testing in the digital circuit practice teaching. That is essential to conduct a correct experiment.

digital circuits; chip testing; practical teaching

2016-08-29

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目(PPAY2015B141)；河海大學(xué)高等教育科學(xué)研究2015年度立項課題(20151212)

劉 艷(1984-)，女，重慶人，實(shí)驗師，主要從事電子技術(shù)、信息獲取與處理技術(shù)的研究。

Tel.: 13646117429; E-mail：liuyan_s@163.com

TN 606； G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0068-04