一種常用數字電路芯片功能檢測系統

劉 艷， 高 茜， 張 斌， 景 昊， 唐海賢

(河海大學 物聯網工程學院， 江蘇 常州 213022)

一種常用數字電路芯片功能檢測系統

劉 艷， 高 茜， 張 斌， 景 昊， 唐海賢

(河海大學 物聯網工程學院， 江蘇 常州 213022)

開發了一種芯片功能檢測系統，該系統基于實踐教學中的與非門、反相器、數據選擇器、計數器、譯碼器、顯示譯碼器等常用芯片進行設計，由上位機和硬件電路兩部分組成。上位機用以實現對芯片功能表或真值表的輸入、管理及發送；硬件電路負責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果，并顯示或報警。本系統可以降低數字電路實踐中檢測芯片的難度和復雜度，并提高準確度，為實驗結果的正確性奠定了基礎。

數字電路； 芯片檢測； 實踐教學

0 引 言

伴隨數字電子技術的發展與壯大使得全球信息化進程得到發展[1]。“數字電子技術”課程是高等學校電氣類、電子信息類、自動化、機電類和計算機類專業的重要必修基礎課程，課程的顯著特點之一是它的實踐性。文獻[2-4]中注重將理論與實踐相結合，證實了數字電子技術在實踐中的重要性；文獻[5-6]中強調了仿真軟件在數字電子技術學習過程中的重要性。

在實踐教學過程中，所使用芯片的完好性是達到實驗效果的前提。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，根據芯片的功能表或真值表給相應引腳提供輸入電平，觀察對應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，需要連接復雜的線路，不斷地切換輸入開關，檢測結果可靠性不高。因此，設計一種電路簡單、操作方便、結果可靠的芯片檢測裝置或系統，能提高數字電路實踐課程中的教學和學習效率，方便教師和學生將時間和精力投入到更深層次的實驗教學和學習中。文獻[7-8]中對自動檢測芯片裝置利用單片機做過研究，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。

本文針對傳統手工檢測芯片的不足，在數字電路實踐教學中，針對與非門、反相器、數據選擇器、計數器、譯碼器、顯示譯碼器等常用芯片，設計了一種基于數字電路實驗的常用芯片檢測系統，以檢測數字電路實驗中大多數芯片的功能是否正常，保證數字電路實踐教學的順利進行。

1 系統整體設計

系統針對常用數字電路芯片設計，測試硬件應滿足不同引腳個數和排列，而且能根據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可知，其工作電壓大多為5 V，引腳數大多為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，系統的硬件電路為包括16引腳的芯片插座以及控制、顯示芯片檢測結果部分；靈活輸入功能表或真值表的功能由上位機提供，包括待檢測芯片各種信息，如芯片引腳數量、各引腳的功能以及芯片的真值表等。上位機和硬件系統通過串口連接：上位機通過RXD線將待檢測芯片的相關信息發送至硬件電路，硬件電路便可根據接收到的數據對芯片極性自動檢測，顯示芯片檢測結果并通過TXD線將檢測結果發送至上位機，上位機亦可顯示芯片檢測結果。

常用芯片損壞通常有兩種表現形式：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，能夠獨立工作，必須對VCC和GND引腳連通的情況進行單獨檢測。硬件電路結構示意圖見圖1。圖中外圍電路主要由LED、蜂鳴器、撥碼開關、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果，若芯片正常，LED亮，否則，蜂鳴器響；撥碼開關用于選擇本芯片檢測系統的工作模式；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，接收上位機發送的待檢測芯片的真值表以及發送芯片檢測結果至上位機[12-13]。

圖1 圖1 硬件電路結構示意圖

芯片檢測系統的上位機需要加載真值表，將真值表發送至硬件電路以及等待硬件電路回復芯片檢測結果并顯示，其工作流程見圖2所示。

圖2 上位機工作流程圖

2 上位機設計

上位機部分可以實現對芯片功能表或真值表的輸入、管理和發送，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 從文件中導入真值表。手動輸入真值表時，首先要對其相關參數進行設定，包括串行通信相關參數[14]和待檢測芯片相關參數。待檢測芯片相關參數主要為芯片的引腳數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。參數設置完成后，即可在上位機界面右側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入真值表，不需要再次設置串口參數和芯片各個引腳的功能。

點擊發送按鈕，上位機可按照特定格式通過串口將芯片的真值表發送至硬件電路，硬件電路便可進行芯片檢測。檢測完成后，硬件電路將檢測結果發送至上位機，上位機可顯示檢測結果，當芯片正常時，上位機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所示上位機程序為Windows系統，采用基于.NET的C#編寫[15]。

(a) 設置界面

圖3 上位機工作流程圖

3 硬件電路設計

系統硬件電路如圖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；電路5為撥碼開關，用于選擇芯片檢測系統的不同工作模式；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并選擇相應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發送的真值表。

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，當撥碼開關狀態發生變化時，與單片機相連的引腳電平會發生變化。通過改變撥碼開關的狀態，可以切換芯片檢測系統的工作模式。當沒有撥碼開關被撥下時，控制器等待接收由上位機發送的真值表，直至接收到完整真值表后開始檢測；當檢測系統斷電時，本次接收到的真值表將不會保存。當有撥碼開關被撥下時，控制器首先檢測該工作模式所對應的E2PROM[16]存儲區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發送的真值表，此工作模式下，控制器會將真值表保存于E2PROM中特定存儲區域。

3.3 結果顯示

結果顯示電路由一個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果通過控制器傳遞給結果顯示部分：LED指示燈亮表示芯片未損壞，蜂鳴器響表示芯片損壞。

3.4 控制器程序設計

控制器實現功能表或真值表的接收，并在相應輸入輸出引腳輸出相應電平，采用51系列單片機即可實現，本系統選用具有8 KB程序存儲空間、512 byte數據存儲空間、內帶4 KB E2PROM存儲空間、可直接只用串口下載程序[17-18]的STC89C52。控制器程序設計流程如圖5所示。 其工作步驟為：設置工作模式，接收或檢測；若為接收模式，則接收上位機發來的功能表或真值表并存入E2PROM；保存功能表或真值表，進入檢測模式；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；得出芯片檢測結果并發回上位機。

圖5 控制器程序設計流程圖

4 結 語

用于數字電子技術實踐教學的芯片功能檢測系統，基于數字電子技術相關實踐課程教學設計，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，靈活、快速地就芯片功能進行檢測。這種與實踐課程聯系緊密、易于實施、操作簡單的檢測系統，改變了傳統的手工檢測芯片的方式，為快速、準確檢測芯片是否損壞提供了保障。該系統得出的檢測結果，是學生順利完成實驗、達到實驗效果的前提，同時也可促進學生對實驗原理的理解，提高實踐課程的教學效果。

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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

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

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

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

TN 606； G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0068-04