基于K60的數字邏輯芯片測試儀設計

任玲芝，張光照，李哲文

0 引言

在數字電子技術高速發展的今天，越來越多的芯片被制造生產出來，芯片的損壞率也越來越高.一個電路系統被設計出來，如果不知道芯片損壞的情況，去檢查硬件電路系統是否合格，顯然是一個費力不討好的事情[1-5].本文依托巢湖學院數字電子技術實驗室設計了一套能夠自動檢測常用的數字邏輯芯片是否損壞的芯片測試儀，并將待測芯片型號和測試結果通過TFT液晶顯示屏顯示出來，降低了學生的誤判率，提高學生的實驗效率.

1 測試儀總體方案設計

考慮到數字電子技術實驗室里使用最多的是74系列芯片，本測試儀針對常用的74系列數字芯片進行測試[6-8].測試儀的工作原理是采用K60主控器向待測芯片的輸入端引腳發出高低電平信號，經過待測芯片內部集成電路的邏輯運算，將運算結果輸出到輸出引腳，K60主控器讀取待測芯片的輸出引腳電平信號，根據待測芯片預期的邏輯功能判斷邏輯運算結果是否正確，若結果正確，說明待測芯片完好，否則說明待測芯片損壞.

數字邏輯芯片測試儀系統設計由五部分組成的：電源供電模塊、K60核心控制模塊[9]、待測芯片檢測模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊.測試儀運行流程是：通過6*6按鍵輸入模塊輸入待測芯片型號信息，K60主控制器讀取按鍵模塊，確定芯片型號信息后，配置待測芯片輸入引腳的高低電平信號進行邏輯運算，讀取待測芯片的輸出引腳電平信號，判斷邏輯運算結果是否符合該待測芯片的預期邏輯運算結果，從而確定該待測芯片是否損壞，將檢測結果信息在液晶顯示屏顯示出來.數字邏輯芯片測試儀硬件組框圖如圖1所示.

圖1 數字邏輯芯片測試儀硬件框圖

2 測試儀硬件設計

圖2 測試儀整體電路原理圖

根據芯片測試儀的硬件框圖設計硬件電路原理圖，主要有K60主控制器最小系統電路、電源供電電路、按鍵輸入電路、待測芯片檢測電路和液晶顯示接口電路.K60主控制器最小系統電路主要包括晶振電路、復位電路、JTAG下載電路、K60芯片短路保護電路和對外引腳擴展電路.由于本芯片測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計出K60的控制引腳和數據引腳接口電路即可，測試儀整體電路原理圖如圖2所示.

2.1 電源供電電路設計

本測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主控制器和待測芯片供電，3.3V電壓給液晶顯示屏供電.為了提高測試儀的便攜性和電壓的穩定性，選擇7.2充電電池為總電源，經過LM2940三端穩壓器穩定輸出5V電壓，再將其輸入到AM1117-3.3穩壓芯片，輸出得到穩定的3.3V電壓[10].

圖3 電源供電電路

2.2 按鍵輸入電路設計

按鍵輸入電路主要用于輸入芯片型號，芯片型號對應了該芯片具體的邏輯功能，芯片型號輸入主要由6*6矩陣按鍵和4個獨立按鍵組成.6*6矩陣按鍵部分共有36個按鍵，分別對應著26個英文字母和0-9這10個數字，每個按鍵按下，對應一個特定的英文字符或數字，輸入待測芯片具體型號.設計的4個獨立按鍵中，其中一個按鍵用于輸入待測芯片型號后，作為確認鍵使用，另外3個暫時未用，用于以后進一步升級測試儀擴展時備用.按鍵輸入電路如圖4所示.

圖4 按鍵輸入電路

2.3 待測芯片檢測電路設計

待測芯片檢測電路主要用于放置不同引腳的邏輯芯片和檢測不同的數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組成[11-12].芯片底座用于放置待檢測芯片，根據常用數字芯片引腳數目不同，本測試儀設計了14腳、16腳、18腳和20引腳四種引腳數量不同的芯片底座.芯片引腳選擇開關主要為了用于接通芯片引腳，因為有些芯片引腳是空引腳，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，若不需要連接電路的引腳，斷開對應的引腳開關.芯片底座與引腳選擇開關連接，然后都與K60主控制器的IO口連接，K60發出控制邏輯信號給芯片輸入引腳，再讀回芯片邏輯運算后的值，便能夠判斷出芯片的好壞.待測芯片檢測電路如圖5所示.

圖5 待測芯片檢測電路

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芯片型號、芯片的邏輯功能和芯片檢測結果信息的連接電路.液晶顯示屏采用1.44寸、128*128分辨率，具有8位數據總線傳輸模式，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位數據總線口，為讀寫數據的并行引腳，而PTC9到PTC13五個引腳分別是時鐘、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 測試儀軟件程序設計

根據測試儀硬件電路編寫相應的軟件程序來實現測試儀對數字邏輯芯片的檢測、電平狀態的采集與分析、按鍵掃描和顯示等功能.軟件程序總體共分為五個部分：首先，初始化K60主控器和液晶顯示屏；第二，進行矩陣按鍵檢測，通過6*6矩陣按鍵輸入待測芯片具體型號，并將待測芯片型號和邏輯功能等信息實時顯示在液晶屏上；第三，進行獨立按鍵的檢測，也就是輸入芯片型號后通過獨立按鍵確認是否需要執行待測芯片完好性檢測程序，一旦按下確認鍵后，K60開始對待測芯片的完好性進行檢測，之后并將檢測結果顯示在液晶屏上，至此，整個程序的流程到此結束.軟件整體程序流程圖如圖7(a)所示.

測試儀軟件設計中最關鍵的部分是芯片檢測程序設計.通過6*6矩陣按鍵輸入芯片型號，按確認鍵后，K60控制器就立即啟動芯片檢測程序.由于待檢測的芯片型號很多，因此必須要設計出各種芯片邏輯運算后的結果集，K60控制器根據具體芯片型號配置好檢測電路中待測芯片輸入引腳的電平信號，待測芯片自己進行邏輯運算后，將運算結果輸出到輸出引腳，K60讀取輸出電平信號后，再與結果集中的結果比較，若實時讀取的電平信號與結果集中電平信號相同，則判定芯片完好，若比較結果不同，則判定芯片損壞，將芯片好壞信息顯示在液晶顯示屏上.芯片檢測程序流程圖如圖7(b)所示.

圖7 測試儀軟件程序流程圖

4 測試與驗證

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，對測試儀進行軟硬件測試.本次測試 的 芯 片 有 74LS00、74LS20、74LS86、74LS138、74LS151、74LS112、74LS74、74LS192 等. 若需要測試更多芯片，在軟件程序中添加相應的代碼即可.圖8為測試儀軟硬件測試結果，圖8(a)是測試儀硬件電路板，圖8(b)是液晶顯示屏上顯示的是4路二輸入與非門74LS00芯片的檢測結果，檢測結果顯示，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 測試儀軟硬件測試結果

5 結束語

進行數字電子技術實驗時，經常會遇到數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，才可能會想起芯片是否損壞，這樣耗時又耗力，從而耽誤了大量的時間.本文針對該情況設計了一款數字邏輯芯片測試儀，解決實驗前邏輯芯片的完好性測試工作，通過液晶顯示屏能夠直觀的觀察到芯片好壞，省時省力，操作簡單，有利于教學過程的開展和實施，提高了實驗教學效果.