虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字集成電路檢測(cè)裝置開發(fā)

周靈彬

摘要：為節(jié)約資源、提高教學(xué)中電子元件的重復(fù)使用效率，非常有必要對(duì)拆卸芯片在重用前進(jìn)行好壞的檢測(cè)。利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)PROTEUS和LABVIEW進(jìn)行前期的集成電路檢測(cè)裝置開發(fā)，以STC單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)，將結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)顯示在液晶上并傳輸?shù)诫娔X端的上位機(jī)界面進(jìn)行時(shí)序分析。經(jīng)仿真與實(shí)物測(cè)試，該裝置能有效檢測(cè)14、16腳TTL和CMOS芯片的好壞。該虛實(shí)結(jié)合、以軟件代替部分硬件的檢測(cè)裝置開發(fā)思路不失為一種經(jīng)濟(jì)便捷的方法。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);集成電路檢測(cè);虛擬仿真;時(shí)序分析

中圖分類號(hào)：TN407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0133-03

0 引言

集成電路測(cè)試可分為兩大類：功能測(cè)試和參數(shù)測(cè)試。測(cè)試的主要目的是對(duì)集成電路元件的各項(xiàng)功能及參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)[1-2]。而此處討論的是對(duì)上市產(chǎn)品，即處于應(yīng)用環(huán)節(jié)的集成電路進(jìn)行好壞的鑒別檢測(cè)。

在高校電子類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中，數(shù)字集成電路的使用十分頻繁。如實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和課外創(chuàng)新等實(shí)踐活動(dòng)中，需要使用大量的數(shù)字集成芯片來完成各種實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)任務(wù)。為了節(jié)約教學(xué)實(shí)踐成本，集成芯片最好能多次反復(fù)使用。但如果芯片已損壞，又在不知情的情況下拿來重用，可能對(duì)電路調(diào)試帶來很大麻煩，導(dǎo)致時(shí)間和精力上巨大浪費(fèi)。所以為了降低元件消耗提高利用效率，需要有效的工具檢測(cè)芯片的好壞。一般，芯片故障的測(cè)試可以選擇以下3種方案：（1）專業(yè)用集成電路測(cè)試儀，功能強(qiáng)而全面，價(jià)格昂貴，是大公司的選擇;（2）邏輯分析儀，操作復(fù)雜，使用不便;（3）自制集成芯片測(cè)試裝置，可以根據(jù)具體需求定制系統(tǒng)功能，功能較單一，針對(duì)性強(qiáng)且成本較低。所以對(duì)教學(xué)中相對(duì)型號(hào)穩(wěn)定、數(shù)量較少的芯片檢測(cè)，選擇第3種方案，即自制集成芯片測(cè)試儀解決教學(xué)實(shí)踐所需芯片的測(cè)試問題。

該測(cè)試裝置主要是對(duì)教學(xué)中常用的14腳（如7400、7402、7408、7432等）和16腳（如74138、7447、74192等）的數(shù)字集成芯片進(jìn)行測(cè)試，判斷好壞。

該測(cè)試裝置主要包括軟件和硬件兩方面的設(shè)計(jì)與研究[3]：檢測(cè)控制硬件電路設(shè)計(jì)、上位機(jī)接口電路設(shè)計(jì)、處理與控制軟件、上位機(jī)信息采集與處理及顯示的軟件設(shè)計(jì)。

檢測(cè)原理及過程為：根據(jù)輸入的芯片型號(hào)、芯片真值表或功能表或時(shí)序圖，由單片機(jī)對(duì)芯片有序地施加輸入、激勵(lì)信號(hào)，再采集芯片的輸出信號(hào)，并與芯片手冊(cè)提供的真值表或功能表和時(shí)序圖對(duì)比，如果一致，則說明芯片完好可用，否則已損壞。檢測(cè)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)顯示在字符液晶上，并用綠、紅LED燈指示好、壞。還將芯片的檢測(cè)時(shí)序上傳到用LABVIEW設(shè)計(jì)的邏輯分析儀上進(jìn)行顯示分析。利用STC芯片內(nèi)集成的AD模塊還可檢測(cè)芯片的主要輸出電壓、電流等參數(shù)。

1 控制硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由單片機(jī)、通信電路和芯片接口電路組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 單片機(jī)選擇與資源分配

根據(jù)系統(tǒng)布局，選用的STC12C5A60S2，是1T增強(qiáng)系列單片機(jī)，與8051指令、管腳完全兼容，可直接替換8051，同樣晶振的情況下，速度是普通51的8～12倍。儲(chǔ)存ROM有60K，足夠大;還有1K的EEPROM可掉電保存運(yùn)行中的數(shù)據(jù);還有8路串行的10位AD，省去了外接ADC的電路;IO口有4種工作模式可選擇設(shè)置;中斷優(yōu)先級(jí)有四種狀態(tài)可定義;共4個(gè)定時(shí)器，新增的兩個(gè)定時(shí)器還帶PWM功能。

單片機(jī)引腳分配：

矩陣鍵盤：占用P3的8個(gè)引腳：P3.0～P3.7;

LCD顯示：P0（3根控制線：P0.0-RS、P0.01-RW、P0.2-En;4根數(shù)據(jù)線P0.4～P0.7：D0～D4）;

LED顯示：P0.3、P2.7;

芯片檢測(cè)接口引腳：P1（P1.0-P1.6）、P2（P2.0-P2.6）

電壓電流檢測(cè)：P1.7

P1口有8路10位串行A/D轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S（每秒鐘25萬次）。

P44～P47備用。

1.2 芯片檢測(cè)接口電路、通信電路設(shè)計(jì)

接口電路設(shè)計(jì)要充分考慮單片機(jī)的的IO口及被測(cè)芯片的引腳特性及驅(qū)動(dòng)能力。通用I/O口（36個(gè)，DIP40封裝），復(fù)位后為準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）?？稍O(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過120mA。需要注意的是：雖然每個(gè)IO口在弱上拉時(shí)都能承受20mA的灌電流（應(yīng)加限流電阻，如1K，560Ω等），在強(qiáng)推挽輸出時(shí)都能輸出20mA的拉電流（也要加限流電阻），但整個(gè)芯片的工作電流推薦不要超過55mA。即從MCU-Vcc流入、從MCU-Gnd流出的電流不超過55mA;整體流入/流出的電流都不能超過55mA。

抽取幾個(gè)有代表性的被測(cè)芯片，它們的主要參數(shù)如表1所示。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，STC12單片機(jī)的灌電流足夠大。但作普通IO口時(shí)約200uA的拉電流太弱;雖然在強(qiáng)推挽輸出時(shí)都能輸出20mA的拉電流，但多數(shù)引腳不是只做輸出口而是輸入輸出口，所以多數(shù)引腳還是普通IO的模式，所以對(duì)它們都要加10K的上拉電阻以提高拉電流，加560Ω的限流電阻以保護(hù)IO口。為方便畫圖仿真測(cè)試，如圖2所示部分上拉和限流電阻省略了，且為了防止IO口沖突，在IO引腳和檢測(cè)芯片的底座間增加三態(tài)收發(fā)器74245。兩個(gè)三態(tài)收發(fā)器的使能及收發(fā)數(shù)據(jù)方向分別由P45、P44引腳控制。

1.3 芯片型號(hào)輸入的矩陣鍵盤電路

芯片檢測(cè)前，經(jīng)圖3的4*4矩陣鍵盤輸入元件型號(hào)，如74LS02、74LS47、74HC138等;再點(diǎn)“確定”鍵啟動(dòng)系統(tǒng)開始檢測(cè)。此矩陣鍵盤與P3口連接。因是高速單片機(jī)，所以鍵盤的8條線與IO口連接時(shí)要加470Ω～1K限流電阻，同時(shí)IO口接上10K的上拉電阻。

1.4 結(jié)果告知電路設(shè)計(jì)

芯片檢測(cè)結(jié)果以兩種方式顯示：（1）字符型液晶顯示，顯示具體芯片型號(hào)和好壞的結(jié)果，如圖4左側(cè)所示，如果芯片是好的，則顯示“** is OK”;若是壞的，則顯示“** is BAD”;（2）用紅、綠發(fā)光管表示壞與好。為了節(jié)省單片機(jī)的IO口，液晶顯示器與單片機(jī)采用4線數(shù)據(jù)線相連。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制軟件與上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)?？刂栖浖孪仍赑ROTEUS軟件中進(jìn)行仿真開發(fā)。利用其中的虛擬示波器、信號(hào)捕捉圖表進(jìn)行時(shí)序等功能分析。上位機(jī)的時(shí)序分析在LABVIEW中設(shè)計(jì)。

單機(jī)檢測(cè)時(shí)，不接上位機(jī)，即對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì)象發(fā)出測(cè)試命令與測(cè)試數(shù)據(jù)后，采集反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，以聲光、顯示器等形式給出檢測(cè)結(jié)果。接入上位機(jī)，并在LABVIEW的軟件界面下采集數(shù)據(jù)并處理，以可視化界面上進(jìn)行結(jié)果的顯示與告知。單片機(jī)上電后處于空閑等待狀態(tài)，被測(cè)芯片插座與電源斷開。軟件系統(tǒng)框架如圖5所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試[4-6]

包括檢測(cè)系統(tǒng)的PROTEUS仿真測(cè)試及其與上位機(jī)的通信測(cè)試、實(shí)物樣機(jī)與上位機(jī)的通信測(cè)試。

3.1 邏輯門電路的檢測(cè)測(cè)試

對(duì)門電路74LS00檢測(cè)，在PROTEUS中進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。以新的完好的芯片在實(shí)物測(cè)試板上也得到一樣的結(jié)果。

3.2 顯示譯碼器74LS47的檢測(cè)測(cè)試

按圖6所示對(duì)門電路74LS47檢測(cè)，在PROTEUS中進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。它是應(yīng)用PROTEUS的信號(hào)軌跡捕捉功能捕捉并顯示由檢測(cè)控制程序輸出、讀入的各個(gè)腳電平信號(hào)。仔細(xì)分析圖7中的各信號(hào)電平，并與74LS47的手冊(cè)真值表對(duì)照，完全一致說明芯片完好，否則已損壞。而實(shí)際芯片檢測(cè)的時(shí)序圖在沒有邏輯分析儀的情況下，借用LABVIEW軟件設(shè)計(jì)虛擬邏輯分析儀，在電腦端可顯示實(shí)物測(cè)試的時(shí)序圖，如74LS138譯碼器的測(cè)試。

3.3 譯碼器74LS138的檢測(cè)測(cè)試

在此虛擬儀器的使用，可以是控制檢測(cè)系統(tǒng)在PROTEUS中仿真與LABVIEW上位機(jī)虛擬邏輯分析儀的同步協(xié)作 ，也可以是實(shí)物樣機(jī)運(yùn)行測(cè)試與上位機(jī)的實(shí)時(shí)協(xié)作，它們之間的通信連接如圖8所示。

由檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)labview上位機(jī)發(fā)送對(duì)譯碼器74LS138的檢測(cè)數(shù)據(jù)，在labview上數(shù)據(jù)以邏輯分析圖的形式顯示出來，如圖9所示，與74LS138的手冊(cè)真值表對(duì)照，一目了然。仔細(xì)分析圖9中序圖表中也可分析出可能的問題所在。

4 結(jié)語

充分利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在PROTEUS中進(jìn)行控制檢測(cè)系統(tǒng)的初步開發(fā)，判斷芯片邏輯功能，再利用LABVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)邏輯分析儀跟蹤檢測(cè)信號(hào)時(shí)序，即有現(xiàn)場(chǎng)給出檢測(cè)結(jié)果也能在電腦上位機(jī)端查看過程性時(shí)序。經(jīng)仿真測(cè)試與實(shí)際測(cè)試，均能有效檢測(cè)芯片好壞，解決教學(xué)中芯片有效復(fù)用問題。這種虛實(shí)結(jié)合的芯片檢測(cè)裝置即可單機(jī)使用，只看結(jié)果;也可聯(lián)上位機(jī)使用查看過程并分析具體故障點(diǎn)。所以此裝置具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

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Development of Digital Integrated Circuit Detection Device Combining Virtual and Real

ZHOU Ling-bin

（Shaoxing Vocational&Technical College，Shaoxing Zhejiang? 312000）

Abstract：In order to save resources and improve the efficiency of reuse of electronic components in teaching， it is very necessary to test the disassembled chips before or after reuse. The computer virtual simulation technology PROTEUS and LABVIEW were used to develop the integrated circuit detection device. The STC microcontroller was used as the control core design detection system. The result was displayed on the liquid crystal and transmitted to the host computer interface for timing analysis. Through simulation and physical testing， the device can effectively detect the quality of 14 and 16 TTL and CMOS chips. It is an economical and convenient method to develop the detection device by combining virtual with real and replacing part of hardware with software.

Key words：single chip microcontroller;IC（integrated circuit）detection;virtual simulation; timing analysis