常用邏輯門芯片測試裝置研究與設(shè)計

劉 艷， 唐海賢， 景 昊， 張 斌， 高 茜

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

常用邏輯門芯片測試裝置研究與設(shè)計

劉 艷， 唐海賢， 景 昊， 張 斌， 高 茜

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

結(jié)合數(shù)字電路相關(guān)課程的改革，針對數(shù)字電路中常用的74/54系列邏輯門芯片，研究并設(shè)計了一種基于單片機最小系統(tǒng)的常用邏輯門芯片測試裝置。該裝置為電子技術(shù)相關(guān)理論和實踐教學(xué)提供了快速、直觀、穩(wěn)定的測試方式，提高了實驗室芯片檢測的效率與準(zhǔn)確率，同時也提高了理論與實驗課程的教學(xué)效果。

數(shù)字電路； 邏輯門； 芯片測試； 實踐教學(xué)

在數(shù)字化、智能化的發(fā)展潮流中,數(shù)字電路以及數(shù)字電子技術(shù)所承擔(dān)的信息采集、存儲、處理與傳輸?shù)裙δ?使得數(shù)字電路相關(guān)內(nèi)容在工科教學(xué)中愈發(fā)重要。作為高等學(xué)校的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,“數(shù)字電子技術(shù)”課程兼具理論性與系統(tǒng)性、工程性與實踐性等特點,在本科教學(xué)體系中更是起著不可缺少的作用[1]。

數(shù)字電子實驗箱(或?qū)嶒炏到y(tǒng))作為數(shù)字電子技術(shù)實驗的基礎(chǔ)載體,得到了廣泛使用,也在不斷的改進中。民國時期出現(xiàn)的電化教具[2]在教學(xué)過程中的普遍使用是教育現(xiàn)代化的標(biāo)志,體現(xiàn)了教具在提高教學(xué)質(zhì)量方面的作用；早先嚴世勝等[3]針對電子技術(shù)的實驗裝置進行了改進；之后趙巧妮[4]因傳統(tǒng)龐大的數(shù)字電路實驗箱體積龐大、價格較貴等原因,設(shè)計了一款便攜式的簡易數(shù)字電路實驗板；全曉麗等[5]針對某些高校存在的實驗室設(shè)備陳舊、實驗室規(guī)模小、實驗室建設(shè)經(jīng)費短缺等問題提出并設(shè)計了運用LabVIEW平臺設(shè)計的數(shù)字電路教學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)。為解決數(shù)字電路故障診斷的測試要求,陳飛等[6]提出了基于電流信息的COMS SRAM存儲單元故障測試方法；葛青等[7]根據(jù)邊界掃描測試標(biāo)準(zhǔn)IEEE1149.1設(shè)計了數(shù)字電路測試主控系統(tǒng)。隨著教具的研制與使用，教具對教學(xué)質(zhì)量的提升逐漸被廣大教員認可,教具的研制與檢修也受到關(guān)注。隨著單片機應(yīng)用和教學(xué)的普及,如張江印[8]的研究,以單片機為主控制器的嵌入式設(shè)備也越加普及。

本課題組結(jié)合江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程和國家“卓越計劃”項目,開展了“以學(xué)生為本”的一系列教學(xué)改革[9]。結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式,為激發(fā)學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣,加深學(xué)生對理論知識的理解,培養(yǎng)學(xué)生動手的積極性,提高理論與實驗課程的教學(xué)效果,簡化實驗室芯片的故障排查工作,本課題組基于數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)常用的74/54系列邏輯門芯片設(shè)計了一種簡單快捷、高效的14引腳DIP封裝的邏輯門芯片檢測裝置。

1 檢測裝置的設(shè)計思路

74/54系列邏輯門種類繁多,有與、或、非、與非、或非、異或等邏輯,有一輸入、二輸入、三輸入、四輸入等不同輸入數(shù)量,因此需要根據(jù)芯片的不同邏輯關(guān)系、不同輸入量來設(shè)計檢測裝置。本裝置針對14引腳DIP封裝的邏輯門進行測試,每次檢測時需要以按鍵形式手動輸入芯片類型,自動檢測出芯片功能是否正常。

檢測裝置由模式選擇模塊、主控芯片、待測芯片模塊和結(jié)果顯示模塊組成。根據(jù)模式選擇模塊確定的邏輯門電路芯片類型,主控芯片控制待測芯片模塊的繼電器電路給待測芯片供電,并根據(jù)芯片的真值/功能表

判斷芯片功能是否完好,最后將結(jié)果顯示。圖1為裝置整體框圖。

圖1 裝置整體框圖

2 電路設(shè)計

待測芯片檢測裝置基于STC89C52單片機最小系統(tǒng)開發(fā)[10],電路見圖2。

圖2 芯片檢測裝置電路

模式選擇模塊由4×4矩陣鍵盤構(gòu)成,如圖2中所示。矩陣式鍵盤具有節(jié)約控制芯片I/O口的優(yōu)點。本矩陣鍵盤在僅占用8個I/O口的情況下完成16個不同邏輯門芯片選擇的目的。16個按鍵被可定義為16種模式,其中S1—S12依次代表12種芯片測試模式:2×四輸入與門、2×四輸入或門、2×四輸入與非門、2×四輸入或非門、4×二輸入與門、4×二輸入或門、4×二輸入與非門、4×二輸入或非門、4×二輸入異或門、一非門、二非門、三非門,其余按鍵暫不使用。

主控芯片模塊采用高性能的STC89C52單片機作為主控芯片。本裝置充分利用該片MCU上的所有資源,利用其I/O口的輸入、輸出電平的變化完成矩陣鍵盤按鍵讀取、待測芯片引腳電平測試、結(jié)果輸出3個主要功能。待測芯片的邏輯功能及對應(yīng)的真值表數(shù)據(jù)預(yù)存在MCU的Flash存儲器中。每次檢測均利用芯片的定時器實現(xiàn)時間間隔相同、對待測芯片更具真值表的每一種電平情況進行檢測。

待測芯片(邏輯門芯片)模塊包含一個DIP14芯片底座和繼電器電路。待測芯片底座適合市面上常用邏輯門芯片的封裝共性,采用DIP14的芯片底座作為芯片的插入底座,將引腳14接VCC,將引腳7作為GND,并采用繼電器來控制引腳7與GND線的通斷來控制待測芯片的上電與斷電。考慮到單片機I/O口電流較小,為保護單片機不被繼電器線圈產(chǎn)生的大電流損壞、提高單片機I/O口的驅(qū)動能力,使用NPN三極管來放大控制電流,并作為一個隔離器件,保護單片機免受大電流沖擊。待測芯片的引腳號1—6和8—13分別接單片機P0.0-P0.7和P2.0-P2.3端口。

結(jié)果顯示模塊采用2個LED燈來表示芯片的完好與故障兩種情況。LED燈直接與單片機的I/O口相連,并且為每個LED燈接一個限流電阻,來保證LED燈不被大電流燒壞、單片機不被大電流損壞。

3 軟件設(shè)計

3.1 待測邏輯門芯片功能分析

3.1.1 與門

有2×四輸入與門、4×二輸入與門2種。2×四輸入與門的邏輯表達式[11]為

L=A·B·C·D

對應(yīng)模式S1,其對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為

4×二輸入與門的邏輯表達式為

L=A·B

對應(yīng)模式S5,其對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為

3.1.2 或門

有2×四輸入或門、4×二輸入或門2種。2×四輸入或門的邏輯表達式為

對應(yīng)模式S2,其對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為

4×二輸入或門的邏輯表達式為

L=A+B

對應(yīng)模式S6,其對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為

3.1.3 與非門

有2×四輸入與非門、4×二輸入與非門2種。2×四輸入與非門的邏輯表達式為

對應(yīng)模式S3,其對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為

4×二輸入與非門的邏輯表達式為

對應(yīng)模式S7,其對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為

3.1.4 或非門

有2×四輸入或非門、4×二輸入或非門2種。2×四輸入或非門的邏輯表達式為

對應(yīng)模式S4,其對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為：

4×二輸入或非門的邏輯表達式為

對應(yīng)模式S8,其對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為：

3.1.5 異或門

即4×二輸入異或門,其邏輯表達式為

對應(yīng)模式S9,其對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為

2.1.6 非門

有一非門、二非門、三非門3種,分別對應(yīng)模式S10、S11、S12。非門的邏輯表達式為

S10對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為

S11對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為

S12對應(yīng)芯片到的邏輯表達式為

3.2 測試流程

系統(tǒng)的整體檢測流程圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)檢測流程圖

檢測步驟如下:

第一步,把待測芯片插入底座,檢測其VCC、GND引腳是否連通。采取在待測芯片的GND引腳接繼電器的方案:對于14引腳DIP封裝的74/54系列邏輯門芯片,引腳7為GND引腳,繼電器的常閉端2號引腳分別與主控芯片的P2.4引腳和待檢測芯片的7號引腳連接,其中單片機P2.4引腳接下拉電阻；VCC引腳始終與5V電源相連。裝置開始工作時,首先檢測單片機P2.4引腳的輸入電平,若為高電平,則說明待測芯片的VCC引腳和GND引腳連通,說明該待測芯片損壞,此時單片機控制L2亮；若為低電平,則說明兩引腳未連通,單片機P2.5引腳控制繼電器工作使7號引腳與GND相連,進行下一步檢測。

第二步,通過按鍵選擇待測芯片類型,S1—S12分別代表2×4輸入與門、2×4輸入或門、2×4輸入與非門、2×4輸入或非門、2×4輸入異或門、4×2輸入與門、4×2輸入或門、4×2輸入與非門、4×2輸入或非門、4×2輸入異或門、1×1非門、2×1非門、3×1非門芯片,其余按鍵用于拓展。芯片的14號引腳接電源,1—6和8—13號引腳分別接單片機P0.0—P0.7和P2.0—P2.3引腳。

第三步,根據(jù)選好的待測芯片類型,設(shè)置好單片機對應(yīng)的引腳輸入輸出狀態(tài),調(diào)用相應(yīng)的邏輯功能表/真值表對待測芯片進行功能檢測。

單片機的P0.0—P07、P2.0—P2.3對應(yīng)與測試芯片模式之間的關(guān)系見表1。

表1 單片機P0.0—P0.7、P2.0—P2.3對應(yīng)測試芯片測試模式的關(guān)系

表1中各種測試模式代表待測芯片的類型,根據(jù)前述的待測芯片功能分析,控制器(單片機)將邏輯門芯片輸入端相連的IO口依次輸出所有電平組合作為待測芯片的輸入,每次輸出電平組合變化前,延時1 ms并檢測和邏輯門芯片輸出端口相連的IO口的輸入電平是否與芯片真值表對應(yīng)。如果對應(yīng),則繼續(xù)進行電平變化；否則說明待測芯片損壞,停止檢測。結(jié)果顯示部分顯示芯片損壞,L2亮；直至遍歷完成芯片的真值表且輸出結(jié)果均與輸入信號相匹配時,表明待測芯片沒有損壞,結(jié)果顯示待測部分顯示待測芯片正常,L1亮。

4 結(jié)語

以常用邏輯門芯片完好性檢測為目的的簡易檢測設(shè)備的設(shè)計，通過自動化的數(shù)字檢測手段,極大地簡化了實驗室和實驗過程中對于常用邏輯門芯片完好性檢測的過程。針對高校實驗室存在的零散門電路芯片多、芯片整理工作量大的問題,可提高實驗指導(dǎo)教師、管理維護者對芯片分揀、檢測的效率與準(zhǔn)確率,以便將更多的精力投入到教學(xué)和教學(xué)研究中。同時,激發(fā)學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣,加深對理論知識的理解,培養(yǎng)學(xué)生動手積極性,提高理論與實驗課程的教學(xué)效果。

References)

[1] 劉艷,李源,江冰,等.數(shù)字電子技術(shù)課程教具的研究與設(shè)計[J]. 實驗技術(shù)與管理,2016，33(6):210-212.

[2] 王毅.民國時期電化教具創(chuàng)新研究的啟示[J].中國教育學(xué)刊,2015(增刊1):393-394.

[3] 嚴世勝,鐘承堯,王列峰.新型模擬電子技術(shù)實驗裝置的研制[J].海南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,25(3):283-285.

[4] 趙巧妮.便攜式簡易數(shù)字電路實驗板的設(shè)計[J].科技廣場,2016(4):46-48.

[5] 全曉麗,周南權(quán).基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)字電路實驗系統(tǒng)研究[J].實驗技術(shù)與管理,2014，31(4):96-98.

[6] 陳飛,王友仁,崔江.基于電流信息的CMOS SRAM存儲單元故障測試[J].傳感器與微系統(tǒng),2008(6):100-103.

[7] 葛青,葛良全.數(shù)字電路測試實驗系統(tǒng)設(shè)計探討[J].中國電力教育,2014(14):166-167.

[8] 張江印.高校單片機教學(xué)模式的研究[J].實驗室研究與探索,2011，30(9):103-106.

[9] 朱金秀,范新南,朱昌平,等.電氣信息類人才實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系[J].實驗室研究與探索,2011,30(10):129-131.

[10] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[11] 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.

Research and design of testing device for common logic gate chip

Liu Yan, Tang Haixian, Jing Hao, Zhang Bin, Gao Qian

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

Combined with Jiangsu University brand-specialty construction engineering project, the reform in the Digital Circuit course is carried out. Aiming at the 74/54 series logic gate chip commonly used in the digital circuit, the testing device for a common logic gate chip based on the minimum system of the single-chip microcomputer is researched and designed. The device provides that this fast, direct and stable testing method for the related theory and practical teaching of electronic technology can improve the efficiency and accuracy of the laboratory chip testing, and at the same time enhances the teaching effect of the theory and experimental courses.

digital circuit; logic gate; chip testing; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.022

2016-07-17

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程一期項目(PPZY2015B141)；河海大學(xué)高等教育科學(xué)研究2015年度立項課題“翻轉(zhuǎn)課堂模式下的電類課程實踐教學(xué)模式研究與實踐”(20151212)

劉艷(1984—)，女，重慶江津，碩士，實驗師，研究方向為電子技術(shù)、信息獲取與處理.

E-mail：liuyan_s@163.com

TP211.5; G642.0

A

1002-4956(2017)1-0094-04