一種單片機系統(tǒng)板的硬件電路故障分析

魯杰爽

（湖北職業(yè)技術學院，湖北孝感，432000）

0 引言

在“新工科”理念的引領下，高校在工程教育創(chuàng)新改革中更加注重大學生的專業(yè)實踐技能[1]。單片機應用技術是高職電子信息類專業(yè)、自動化類專業(yè)必修的一門非常重要的專業(yè)基礎課，在智能控制中應用廣泛[2~3]。在教學過程中，我們采用基于項目制作導向的教學模式，教學做一體化，教師邊做邊講，學生邊做邊學，學生在制作實踐中掌握單片機開發(fā)的綜合專業(yè)技能。

單片機制作項目采用模塊化電路設計，將項目分成多個功能獨立的子模塊，每個獨立的電路模塊功能相對獨立、特性明確、界面清晰。模塊化設計具有獨立設計、獨立組裝、獨立調試、便于故障分析檢測，大大降低了電路設計和實現的難度，提高了電路的電氣性能。為了更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力，提高學生的硬件電路裝調和故障分析能力，也可以采用在洞洞板上焊接電子元件和連接導線來制作這些模塊電路板，這樣能夠顯著提升學生的專業(yè)實踐技能。

單片機系統(tǒng)板是制作項目中核心的模塊電路板。在制作過程中如果單片機系統(tǒng)板出現故障，因為沒有專門的檢測儀器，板子上也沒有LED燈之類的各種故障狀態(tài)指示信號，往往無法直接判斷出故障原因。只能針對不同電路結構的單片機系統(tǒng)板，采取不同的檢測方案，來進行故障的分析與排除。

1 單片機系統(tǒng)板模塊電路的故障檢測原理

下面以一種典型的單片機系統(tǒng)板為例，如圖1所示，介紹其故障檢測的基本原理，當它不能正常工作時，該如何進行故障的分析和排除。

圖1 一種典型的單片機系統(tǒng)板模塊電路

模塊電路板檢測的基本依據就是看它是否實現了預期的獨立功能。

該單片機系統(tǒng)板，一方面通過P0 口分時復用地向外輸送8 位數據信號，從而形成單片機與外部設備交換數據的8位雙向數據總線。為了提高數據總線上能夠“掛接”外部設備的數量，該數據總線經過了雙向功率驅動器74LS245 與外部設備進行數據的交換，以提高數據總線的輸出功率。

另一方面P0 口分時復用，也通過地址鎖存器芯片74LS373，向外部輸送外RAM 存儲單元的低8 位地址信號，連同P2 口送出的外RAM 存儲單元高8 位地址信號，共同構成單片機與外部設備的16 位地址信號總線。該模塊單元還將P2 口的高3 位地址信號，經譯碼器74LS138 譯碼后可以形成8 個外部設備片選信號C0、C1 等，從而可以連接數量更多的外部設備，方便系統(tǒng)的擴展。

該單片機系統(tǒng)板還對外提供了常用的讀信號、寫信號等控制信號。

單片機系統(tǒng)板是否工作正常，就是要通過檢測電路板輸出的地址信號、數據信號和控制信號等是否正常來加以判斷。

2 單片機系統(tǒng)板的測試與故障分析

根據該單片機系統(tǒng)板的功能，主要對其輸出的高8 位地址信號、低8 位地址信號、8 位數據信號、讀出/寫入控制信號進行逐步的測試和故障分析。

為了測試這三類信號，編寫了下面的綜合測試程序，下載到單片機系統(tǒng)板中運行，然后用示波器檢查這三類信號是否正常，來分析判斷故障所在。

（1）檢查單片機輸出的高8 位地址信號

對電路原理圖進行分析，可以計算出該電路板輸出的外部設備片選信號C0、C1、C2、C3 的地址分別為0x00XX，0x20XX、0x40XX、0x60XX（X 表示該位信號可以任意）。單片機向外部設備讀寫數據時，一般需要經過輸出外部設備地址信號、輸出讀/寫控制信號、讀出/寫入數據等3 個階段，因此可以讓單片機分別向這幾個外部設備地址發(fā)送寫數據指令，經過指令的解釋執(zhí)行，就會分別輸出這幾個外部設備地址，從而輸出C0、C1、C2、C3 的片選信號。

丘吉爾有句名言，我寧可失去一個印度，也不愿失去一位莎士比亞。其中的深刻之處，正在于指出了歷史文化不僅是一個民族無法割舍的血脈基因，更蘊含著破解各種難題的鑰匙。”文化是一所高校賴以生存、發(fā)展的根基和血脈，高校校園文化對學生成長有著潛移默化、耳濡默染的效應，可以教化、培育和提高人的知識、素質和技能，從而推動人的全面發(fā)展。因此，高職輔導員要時刻牢記高職教育目的與職能，自覺承擔培育學生文化自信的責任，通過創(chuàng)建具有高職特色的文化，浸潤、教化具有高職特質的專門人才。

據此原理編寫了上述測試程序，將它下載到單片機中運行，如果運行正常，就可以用示波器檢測到C0、C1、C2、C3 信號的輸出波形。如圖2 所示。

圖2 單片機輸出的高8 位地址信號波形圖

如果沒有信號輸出，則表明電路存在故障，需要進行故障的檢測與排除。故障檢測的基本步驟是從輸出級向輸入級逐級單元進行排除。每一級單元都分別以各核心芯片或元件為中心，判斷某級芯片是否有故障的基本方法，是依次檢查周圍電路提供給該芯片的各輸入信號是否都正常，如果某個輸入信號不正常，則應逆序向前檢查與其相連接的上一級單元電路的輸出信號是否正常。如果該級芯片所有的輸入信號都檢測正常，但其輸出信號不正常，則可以斷定是該芯片已經損壞，更換芯片就可以正常工作。

據此方法，從74LS138 譯碼器芯片查起，檢查其各種輸入信號是否正常（包括VCC 和E3 引腳是否有+5V 電壓，和GND 引腳是否接地，A、B、C 引腳是否有連續(xù)方波信號輸入）。如果這些輸入信號都正常，則可以判定是譯碼器芯片已經損壞，更換即可。如果某個輸入信號不正常，則如A 引腳沒有方波信號輸入，則應逆向檢查與其相連接的上一級單片機芯片是否正常工作。如果單片機工作正常，則表明單片機芯片的P25 引腳與譯碼器的A 引腳的連接線不通，通常情況是這2 個引腳虛焊、連接線焊接錯誤、連接線斷開、與其他連接線短路等原因造成的，可以通過萬用表的歐姆檔很容易就可以查找到問題所在。

還有另外一種可能，那就是單片機芯片可能存在故障而沒有正常工作，自然也就沒有輸出P25 地址信號。單片機是否正常工作，可以通過檢查其ALE 引腳是否有方波信號輸出（其頻率大概是晶振頻率的六分之一）來加以判定。如果ALE 沒有信號輸出，則表明單片機沒有正常工作。此時，可以依次檢查單片機芯片的VCC 和引腳是否有+5V 電壓、GND 引腳是否接地、RESET 引腳的復位信號是否正常（在開機通電瞬間，RESET 引腳有一個電壓沖高回落過程，這一點用指針式萬用表可以很容易觀察得到）、XTAL2 晶振引腳（18 號引腳）是否有振蕩脈沖信號輸出。如果這些信號都正常，那就可以斷定是單片機芯片損壞了，需要進行更換。

實踐中，往往在查找分析這些信號時，就找到了故障問題所在，如線路虛焊、斷開、短路、元件損壞等。

（2）檢查單片機輸出的低8 位地址信號

類似于單片機輸送高8 位地址信號的過程，可以讓單片機分別向這幾個外部設備地址（0x0055，0x20AA，0x4055，0x60AA）發(fā)送寫數據指令，經過指令的解釋執(zhí)行，就會讓低8 位地址總線（A0~A7）中的每個信號線不停地循環(huán)輸出高電平和低電平，從而形成圖3 所示的輸出信號波形。

圖3 單片機輸出的低8 位地址信號

運行上述測試程序時，繼續(xù)用示波器檢查圖中A0、A1、A2、A3 信號。運行正常時，應有圖3 所示的波形輸出（A4、A5、A6、A7 信號也是這樣檢查），如果沒有這樣的波形則表明相關電路有故障。

類似的，查找故障的方法，也是從地址鎖存器芯片74LS373 開始，檢查VCC 引腳是否+5V 電壓、GND 引腳是否接地、引腳是否接地，LE 引腳是否有振蕩脈沖信號輸入，如果這些信號都正常，此時再檢查74LS373 的D0-D3 引腳是否有類似上圖的波形信號輸入，如果有則表明該地址鎖存器芯片損壞而需要更換，如果沒有這種波形信號輸入，同樣應該順著該信號去查找上一級單片機芯片對應的輸出引腳。

（3）檢查單片機輸出的8 位數據總線信號

檢測數據總線信號的方法，是讓單片機循環(huán)地向數據總線D0~D7 輸出0x55 和0xAA，從而讓數據總線中的每個數據線上循環(huán)地輸出高電平和低電平，從而形成連續(xù)方波的輸出。運行上述測試程序時，繼續(xù)用示波器檢查圖中8 位數據信號D0-D7。運行正常時，應有圖4 所示的波形輸出。

圖4 單片機輸出的8 位數據信號波形圖

同樣地，如果檢測不到上面的波形輸出，則首先應檢查雙向功率驅動芯片74LS245 的輸入信號：VCC 引腳是否接+5V，GND 引腳是否接地，引腳是否接地，DIR 引腳是否有振蕩脈沖輸入，檢查完這些引腳的輸入信號正常，再檢查芯片74LS245 的輸入信號A0-A7，如果這些信號不正常，則同樣地也要順著這些信號查找其上一級芯片對應的輸出信號是否正常。例如如果DIR 引腳沒有振蕩脈沖輸入的話，那就要用示波器檢查其上一級單片機芯片的讀信號（17號）引腳是否有振蕩脈沖的輸出。

（4）檢查單片機輸出的控制信號

本單片機系統(tǒng)板對外輸出的控制信號就是寫信號L2 和讀信號L3。讓單片機運行上述測試程序，使單片機循環(huán)地對外部設備寫入數據，如前所述，單片機將循環(huán)地輸出寫信號，然后用示波器直接檢查單片機的寫信號的輸出波形，如果能夠檢測到連續(xù)的振蕩脈沖波形，則說明工作正常，否則就可以采用本文前面所述的單片機芯片檢測方法。讀信號的檢查方法類似，不再贅述。

3 結語

單片機系統(tǒng)板是最重要的模塊電路板，故障檢測的基本依據就是通過設計并運行針對性的測試程序，檢查它是否實現了預期的獨立功能，包括輸出地址信號、數據信號和控制信號。故障檢測的基本步驟是從輸出級向輸入級逐級單元進行排除，判斷某級芯片是否有故障的基本方法，是依次檢查周圍電路提供給該芯片的各輸入信號是否都正常，不正常則逆序檢查其上一級單元對應的輸出信號，直至查找到故障并加以排除。本文介紹的單片機系統(tǒng)板的故障測試程序的編寫和故障的檢測分析方法，能夠有效幫助大學生在單片機項目設計與制作過程中檢測排除故障，培養(yǎng)過硬的專業(yè)實踐技能。