基于K60的數(shù)字邏輯芯片測(cè)試儀設(shè)計(jì)

任玲芝，張光照，李哲文

0 引言

在數(shù)字電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，越來(lái)越多的芯片被制造生產(chǎn)出來(lái)，芯片的損壞率也越來(lái)越高.一個(gè)電路系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來(lái)，如果不知道芯片損壞的情況，去檢查硬件電路系統(tǒng)是否合格，顯然是一個(gè)費(fèi)力不討好的事情[1-5].本文依托巢湖學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一套能夠自動(dòng)檢測(cè)常用的數(shù)字邏輯芯片是否損壞的芯片測(cè)試儀，并將待測(cè)芯片型號(hào)和測(cè)試結(jié)果通過TFT液晶顯示屏顯示出來(lái)，降低了學(xué)生的誤判率，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率.

1 測(cè)試儀總體方案設(shè)計(jì)

考慮到數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室里使用最多的是74系列芯片，本測(cè)試儀針對(duì)常用的74系列數(shù)字芯片進(jìn)行測(cè)試[6-8].測(cè)試儀的工作原理是采用K60主控器向待測(cè)芯片的輸入端引腳發(fā)出高低電平信號(hào)，經(jīng)過待測(cè)芯片內(nèi)部集成電路的邏輯運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果輸出到輸出引腳，K60主控器讀取待測(cè)芯片的輸出引腳電平信號(hào)，根據(jù)待測(cè)芯片預(yù)期的邏輯功能判斷邏輯運(yùn)算結(jié)果是否正確，若結(jié)果正確，說明待測(cè)芯片完好，否則說明待測(cè)芯片損壞.

數(shù)字邏輯芯片測(cè)試儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)由五部分組成的：電源供電模塊、K60核心控制模塊[9]、待測(cè)芯片檢測(cè)模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊.測(cè)試儀運(yùn)行流程是：通過6*6按鍵輸入模塊輸入待測(cè)芯片型號(hào)信息，K60主控制器讀取按鍵模塊，確定芯片型號(hào)信息后，配置待測(cè)芯片輸入引腳的高低電平信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，讀取待測(cè)芯片的輸出引腳電平信號(hào)，判斷邏輯運(yùn)算結(jié)果是否符合該待測(cè)芯片的預(yù)期邏輯運(yùn)算結(jié)果，從而確定該待測(cè)芯片是否損壞，將檢測(cè)結(jié)果信息在液晶顯示屏顯示出來(lái).數(shù)字邏輯芯片測(cè)試儀硬件組框圖如圖1所示.

圖1 數(shù)字邏輯芯片測(cè)試儀硬件框圖

2 測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)

圖2 測(cè)試儀整體電路原理圖

根據(jù)芯片測(cè)試儀的硬件框圖設(shè)計(jì)硬件電路原理圖，主要有K60主控制器最小系統(tǒng)電路、電源供電電路、按鍵輸入電路、待測(cè)芯片檢測(cè)電路和液晶顯示接口電路.K60主控制器最小系統(tǒng)電路主要包括晶振電路、復(fù)位電路、JTAG下載電路、K60芯片短路保護(hù)電路和對(duì)外引腳擴(kuò)展電路.由于本芯片測(cè)試儀中的控制器使用的是K60成品模塊，在電路原理圖中只需要設(shè)計(jì)出K60的控制引腳和數(shù)據(jù)引腳接口電路即可，測(cè)試儀整體電路原理圖如圖2所示.

2.1 電源供電電路設(shè)計(jì)

本測(cè)試儀電源供電電路需要5V和3.3V兩種電壓，5V電壓主要給K60主控制器和待測(cè)芯片供電，3.3V電壓給液晶顯示屏供電.為了提高測(cè)試儀的便攜性和電壓的穩(wěn)定性，選擇7.2充電電池為總電源，經(jīng)過LM2940三端穩(wěn)壓器穩(wěn)定輸出5V電壓，再將其輸入到AM1117-3.3穩(wěn)壓芯片，輸出得到穩(wěn)定的3.3V電壓[10].

圖3 電源供電電路

2.2 按鍵輸入電路設(shè)計(jì)

按鍵輸入電路主要用于輸入芯片型號(hào)，芯片型號(hào)對(duì)應(yīng)了該芯片具體的邏輯功能，芯片型號(hào)輸入主要由6*6矩陣按鍵和4個(gè)獨(dú)立按鍵組成.6*6矩陣按鍵部分共有36個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)著26個(gè)英文字母和0-9這10個(gè)數(shù)字，每個(gè)按鍵按下，對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的英文字符或數(shù)字，輸入待測(cè)芯片具體型號(hào).設(shè)計(jì)的4個(gè)獨(dú)立按鍵中，其中一個(gè)按鍵用于輸入待測(cè)芯片型號(hào)后，作為確認(rèn)鍵使用，另外3個(gè)暫時(shí)未用，用于以后進(jìn)一步升級(jí)測(cè)試儀擴(kuò)展時(shí)備用.按鍵輸入電路如圖4所示.

圖4 按鍵輸入電路

2.3 待測(cè)芯片檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

待測(cè)芯片檢測(cè)電路主要用于放置不同引腳的邏輯芯片和檢測(cè)不同的數(shù)字芯片邏輯功能是否正常，主要由芯片底座和芯片引腳選擇開關(guān)組成[11-12].芯片底座用于放置待檢測(cè)芯片，根據(jù)常用數(shù)字芯片引腳數(shù)目不同，本測(cè)試儀設(shè)計(jì)了14腳、16腳、18腳和20引腳四種引腳數(shù)量不同的芯片底座.芯片引腳選擇開關(guān)主要為了用于接通芯片引腳，因?yàn)橛行┬酒_是空引腳，就不需要接通電路的，若芯片引腳需要連接電路，接通引腳開關(guān)，若不需要連接電路的引腳，斷開對(duì)應(yīng)的引腳開關(guān).芯片底座與引腳選擇開關(guān)連接，然后都與K60主控制器的IO口連接，K60發(fā)出控制邏輯信號(hào)給芯片輸入引腳，再讀回芯片邏輯運(yùn)算后的值，便能夠判斷出芯片的好壞.待測(cè)芯片檢測(cè)電路如圖5所示.

圖5 待測(cè)芯片檢測(cè)電路

2.4 液晶顯示接口電路

液晶顯示接口電路是K60控制液晶顯示屏顯示待測(cè)芯片型號(hào)、芯片的邏輯功能和芯片檢測(cè)結(jié)果信息的連接電路.液晶顯示屏采用1.44寸、128*128分辨率，具有8位數(shù)據(jù)總線傳輸模式，需要3.3V電壓供電.K60主控制器的PTC0到PTC7接液晶顯示屏的8位數(shù)據(jù)總線口，為讀寫數(shù)據(jù)的并行引腳，而PTC9到PTC13五個(gè)引腳分別是時(shí)鐘、片選等引腳，其他的引腳為閑置引腳可以不使用.液晶顯示接口電路如圖6所示.

圖6 液晶顯示接口電路

3 測(cè)試儀軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)試儀硬件電路編寫相應(yīng)的軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀對(duì)數(shù)字邏輯芯片的檢測(cè)、電平狀態(tài)的采集與分析、按鍵掃描和顯示等功能.軟件程序總體共分為五個(gè)部分：首先，初始化K60主控器和液晶顯示屏；第二，進(jìn)行矩陣按鍵檢測(cè)，通過6*6矩陣按鍵輸入待測(cè)芯片具體型號(hào)，并將待測(cè)芯片型號(hào)和邏輯功能等信息實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上；第三，進(jìn)行獨(dú)立按鍵的檢測(cè)，也就是輸入芯片型號(hào)后通過獨(dú)立按鍵確認(rèn)是否需要執(zhí)行待測(cè)芯片完好性檢測(cè)程序，一旦按下確認(rèn)鍵后，K60開始對(duì)待測(cè)芯片的完好性進(jìn)行檢測(cè)，之后并將檢測(cè)結(jié)果顯示在液晶屏上，至此，整個(gè)程序的流程到此結(jié)束.軟件整體程序流程圖如圖7(a)所示.

測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分是芯片檢測(cè)程序設(shè)計(jì).通過6*6矩陣按鍵輸入芯片型號(hào)，按確認(rèn)鍵后，K60控制器就立即啟動(dòng)芯片檢測(cè)程序.由于待檢測(cè)的芯片型號(hào)很多，因此必須要設(shè)計(jì)出各種芯片邏輯運(yùn)算后的結(jié)果集，K60控制器根據(jù)具體芯片型號(hào)配置好檢測(cè)電路中待測(cè)芯片輸入引腳的電平信號(hào)，待測(cè)芯片自己進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果輸出到輸出引腳，K60讀取輸出電平信號(hào)后，再與結(jié)果集中的結(jié)果比較，若實(shí)時(shí)讀取的電平信號(hào)與結(jié)果集中電平信號(hào)相同，則判定芯片完好，若比較結(jié)果不同，則判定芯片損壞，將芯片好壞信息顯示在液晶顯示屏上.芯片檢測(cè)程序流程圖如圖7(b)所示.

圖7 測(cè)試儀軟件程序流程圖

4 測(cè)試與驗(yàn)證

使用Altium Designer軟件繪制電路的PCB圖，加工出電路板，焊接元器件，并將軟件程序下載到K60控制器，對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行軟硬件測(cè)試.本次測(cè)試 的 芯 片 有 74LS00、74LS20、74LS86、74LS138、74LS151、74LS112、74LS74、74LS192 等. 若需要測(cè)試更多芯片，在軟件程序中添加相應(yīng)的代碼即可.圖8為測(cè)試儀軟硬件測(cè)試結(jié)果，圖8(a)是測(cè)試儀硬件電路板，圖8(b)是液晶顯示屏上顯示的是4路二輸入與非門74LS00芯片的檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果顯示，該芯片的第一路、第二路、第三路共3路與非功能正常，只有第四路這1路與非功能損壞.

圖8 測(cè)試儀軟硬件測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到數(shù)字邏輯芯片可能由于各種各樣樣的原因已損壞，但是使用者并不知情，總是在遇到其他問題之后，才可能會(huì)想起芯片是否損壞，這樣耗時(shí)又耗力，從而耽誤了大量的時(shí)間.本文針對(duì)該情況設(shè)計(jì)了一款數(shù)字邏輯芯片測(cè)試儀，解決實(shí)驗(yàn)前邏輯芯片的完好性測(cè)試工作，通過液晶顯示屏能夠直觀的觀察到芯片好壞，省時(shí)省力，操作簡(jiǎn)單，有利于教學(xué)過程的開展和實(shí)施，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.