數字邏輯芯片的自識別及檢測

摘要：隨著現代電子技術的迅速發展，芯片的應用越來越廣泛。在實驗室的學習案例中，74系列邏輯芯片的使用越來越頻繁，保證芯片邏輯功能完好，才能確保實驗結果準確。若對實驗所需芯片的好壞進行檢測，需核查芯片型號并逐一檢測各個引腳，這往往需要耗費大量的時間和精力。針對74系列14和16引腳芯片，設計了一款基于STM32F103單片機的自識別及檢測指示儀。

關鍵詞：數字邏輯芯片；自識別；芯片檢測

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）04-0130-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

數字芯片是數字電子實驗中基礎且關鍵的硬件[1]，芯片的完好程度直接影響實驗結果的準確性。由于學生操作不規范或在存儲過程中對芯片造成的損壞，可能導致芯片邏輯功能失效。同時，實驗室采購的芯片無法頻繁更換。因此，設計數字邏輯芯片檢測儀非常有必要。本設計以實驗室中常用的74系列14引腳和16引腳芯片為檢測對象，支持檢測的芯片型號包括：74LS00、74LS08、74LS20、74LS32、74LS54、74LS74、74LS86、74LS138、74LS151、74LS153、74LS161、74LS192等12種。該裝置能夠依據芯片的工作原理和內部邏輯功能特征，自動識別芯片型號并判斷其邏輯功能是否完好[2]。通過優化檢測程序，提高了芯片識別的速度和準確性，并將檢測結果實時顯示在LCD液晶屏上，便于用戶直觀地了解檢測結果。

1 整體方案介紹

檢驗數字芯片的完好性，即檢驗其邏輯功能是否完整。該檢測裝置具備以下功能：1） 自適應檢測14引腳和16引腳芯片；2） 自動識別芯片型號；3） 檢測芯片邏輯功能是否完好。系統由主控模塊、芯片檢測接口模塊、LCD液晶顯示模塊、電流檢測模塊、LED提示模塊和電源模塊組成。其整體測試框圖如圖1所示。

2 工作原理設計

2.1 多型號芯片處理原理

14引腳和16引腳芯片的VCC端均位于右上角第一個引腳，但14引腳芯片的GND端位于7引腳，而16 引腳芯片的GND端位于8引腳。為節約成本，采用16 引腳的IC底座，14引腳芯片可以頂端對齊放置。測試函數能夠自適應地將7或8引腳置為低電平，使芯片處于工作狀態[3]。IC底座與STM32單片機的連接方式如圖2所示。

通過分析不同芯片的邏輯功能，封裝測試任務中引腳模式切換的函數[4]。表1顯示，大部分芯片的輸入輸出引腳狀態一致，但74LS54芯片需要額外配置兩個輸入引腳作為輸出，且僅有一個PA5引腳作為輸入。而74LS20芯片則無須重新編寫測試函數，因為PA2和PB5作為輸入引腳時，不會產生邏輯信號沖突或短路問題。

由表2 可知，可將74LS151、74LS153 和74LS161 的測試函數按順序排列編寫，因其輸入引腳大致相同，引腳狀態轉換時的工作量較小。其余型號芯片則根據其具體的邏輯功能進行對應的測試函數編寫。

2.2 主控引腳預處理設計

本設計選用STM32F103單片機作為主控芯片，該芯片的最高時鐘頻率可達72 MHz，并集成了多種常用外設。由于單片機I/O口與數字邏輯芯片的電平不兼容，因此需要添加電平轉換模塊進行轉換。為防止運行不同測試函數時，單片機引腳與待測芯片引腳之間導通產生過大電流而損壞芯片，在IC底座和電平轉換模塊之間添加限流電阻[5]。通過對比不同輸入狀態下的輸出結果與真值表，可以識別出芯片型號。由于采用16引腳IC底座，STM32F103C8T6單片機需要配置15個I/O口引腳，第16個引腳連接電源正極。需要注意的是，不同型號芯片在IC底座同一位置的引腳輸入輸出狀態不同。例如，74LS00 和74LS02 芯片中，74LS00芯片底座1端口為輸入，而74LS02的1號端口為輸出。因此，不同芯片的測試函數需要配置不同的引腳端口狀態[6]。由于多數芯片需要較多的輸入狀態，暫時將STM32F103C8T6單片機所需的15個I/O口配置為推挽輸出狀態，并將配置過程封裝成函數[7]。以74LS00為例，首先配置15個I/O口為推挽輸出模式，將底座7引腳置為低電平使芯片開始工作。四組2輸入與非門共有4個輸出端口，需要配置4個輸入引腳來接收芯片的輸出信號。通過端口配置寄存器（GPIO_CRL 或GPIO_CRH） 可以重新配置I/O 口的輸入輸出狀態。以74LS00的1Y輸出端為例，將其連接至STM32單片機的PB7引腳時，需要將PB7引腳的推挽輸出模式改為上拉輸入模式。

該步驟需要執行的代碼如下：

GPIOB -gt;CRLamp;=0X0FFFFFFF;GPIOB-gt;CRL|=8lt;lt;28。其中GPIOB -gt;CRLamp;=0X0FFFFFFF這個操作是清除 CRL 中引腳7的相關位設置。8的二進制表示為1000，因此MODE[1：0]兩位為00，配置引腳為輸入模式；CNF[1：0]兩位為10，配置引腳為上拉輸入模式，最終將GPIO_Pin_7引腳配置為上拉輸入模式。同理可以將上拉輸入模式配置為推挽輸出模式。

2.3 邏輯芯片型號和功能檢測

檢測開始時，將所有引腳置為高電平，并添加高精度電流傳感器（MAX4080SASA） 來檢測芯片是否插反。電流檢測模塊的輸出電壓由STM32F103內置的12位ADC進行采集，若芯片插反，引腳底座的VCC端口會產生較大電流，此時系統會自動將7或8引腳置為高電平，防止其持續處于短路狀態。同時，LCD1602顯示屏會顯示相應的提示信息。

測試函數首先會查詢支持自檢測型號芯片的真值表[8]，并以任務遍歷的形式逐一執行測試函數。以74LS00（四組2輸入與非門） 為例，說明14引腳芯片的測試方法，如圖3所示。

當執行到74LS00的測試函數時，根據以下四個電平狀態組合進行測試：1A=高電平，1B=高電平；1A= 高電平，1B=低電平；1A=低電平，1B=高電平；1A=低電平，1B=低電平（2A2B、3A3B和4A4B同理） 。分別測試1Y、2Y、3Y和4Y的輸出結果，若檢測通過，則將對應標志位置為高電平。如果至少有三個與非門的標志位被置為高電平，則確認芯片為74LS00型號。確認芯片型號后，進一步判斷其邏輯功能是否完整。如果任意一個與非門的標志位未置為高電平，則認為該芯片功能出現故障。

以74LS161（同步四位二進制計數器） 為例說明16 引腳芯片的測試方法，如圖4所示。

當執行到74LS161 測試函數時，首先測試清零端。將引腳底座1端口置為高電平，檢測Q0、Q1、Q2 和Q3是否為低電平，若檢測結果正確則將對應標志位置為高電平。接著測試預置數功能。將D0、D1、D2 和D3設置為1101，設置延時等待一個上升沿，檢測Q0、Q1、Q2和Q3是否為1101，若結果正確則將對應標志位置為高電平，進位輸出端和計數控制端的測試方法類似。最后將4個標志位進行與運算，若結果為“真”則表示芯片功能正常。

3 硬件電路設計

3.1 主控芯片介紹

STM32F103C8T6 的芯片工作電壓范圍在2.0～3.6V，最佳工作電壓在3.3V。芯片具有上電/斷電復位（POR/PDR）和可編程電壓檢測器。芯片可以外接4～16MHz外部晶體振蕩器，通過內部PLL倍頻，最高可達72 MHz。內部有經過出廠調校的40kHz RC振蕩器，以及帶有校準功能的32kHz RTC振蕩器。具有低功耗模式，包括睡眠、停機和待機模式。STM32F103 系列具有2個12位模數轉換器，1微秒轉換時間，最多支持16個輸入通道。基于以上特性，本次設計選擇STM32F103C8T6作為主控芯片。

3.2 電源模塊

考慮到此儀器的便攜性，選擇18650鋰電池作為供電電源[9]。使用兩個18650鋰電池配合LM2596S穩壓模塊，為芯片測試提供5V 供電電壓；同時，通過AMS1117降壓模塊將電壓降至3.3 V，為STM32F103C8T6主控芯片供電。

3.3 芯片檢測接口模塊

由于STM32F103單片機與數字邏輯芯片的邏輯電平不同，需要使用雙向電平轉換器進行電平匹配。本次設計選用TXS0108E高速全雙工8路電平轉換模塊。該模塊支持雙向電平轉換，適用于常見的3.3V與5V電平之間的轉換。

3.4 LED 提示模塊

LED提示模塊用于直觀顯示數字邏輯芯片檢測儀的工作狀態。三個LED燈分別為紅燈、綠燈和黃燈。上電后，黃燈亮起表示檢測插座未插入芯片。插入芯片后，黃燈熄滅。若綠燈亮起，表示芯片邏輯功能完好；若紅燈亮起，則表示芯片功能已損壞。

3.5 電流檢測模塊

MAX4080 是一款高精度檢流放大器，具有極低的輸入失調電壓（VOS）。在 25°C 時，其最大輸入失調電壓為 ±0.6 mV；在 -40°C 至 +125°C 的整個工作溫度范圍內，最大輸入失調電壓為 ±1.2 mV。MAX4080 電流檢測模塊通過 16 引腳與底座連接，用于實時監測引腳電流[10]。如果檢測到較大電流，可能是待測芯片插反。此時，模塊會觸發保護機制，通過單片機將底座的 7 引腳或 8 引腳置為高電平，從而切斷電路，防止待測芯片因短路而損壞。

3.6 電路保護模塊

在電平轉換模塊與IC底座之間的每個引腳串聯一個1KΩ的限流電阻，此做法是防止運行不同測試函數時，單片機引腳與待測芯片引腳之間導通產生較大電流從而燒壞芯片。經過電路實際測試，添加限流電阻后不會對輸出高低電平的狀態產生影響，且當引腳之間導通時的電流大小為2.62mA不會導致芯片燒壞。

4 軟件設計

系統的軟件設計流程圖如圖5所示。當系統進行上電或復位后，首先會對系統時鐘、定時器以及LCD1602液晶顯示屏進行初始化。初始化完畢后，進入基礎頁面，LED提示模塊亮黃燈表示無芯片插入。插入待檢測的數字邏輯芯片后，系統會對數字芯片的12或14個引腳的輸入狀態進行組合，并將輸出結果與真值表進行比較。完成對芯片具體型號的檢測后，在LCD1602液晶顯示屏的第一行實時顯示型號，再檢查其邏輯功能是否完好。若完好，則在LCD1602液晶顯示屏第二行實時顯示“Chip intact”，若芯片功能有誤，則顯示“Chip damage”。

5 系統測試

測試開始前，首先確認待測芯片的正反，再將待測芯片插入到IC底座上。如果待測芯片在底座上插反，則電流模塊上檢測的電流值會過大。此時，單片機會將PA6或PA7引腳拉高以防止其一直處于短路狀態。須注意的是，14引腳的待測芯片須頂格插入IC 底座。待測芯片正常工作后，根據已編寫的測試函數進行任務遍歷測試。在測試完一個型號后，進行下一個型號測試之前，會重新配置引腳端口的狀態。本次實驗總共測試了100個正常芯片和30個故障芯片，其統計結果如表3所示。

6 結論

針對數字電子技術實驗課程中常見的74系列芯片損壞和重復使用率低的問題，本文設計了一種數字邏輯芯片檢測儀。該儀器能夠根據芯片的工作原理和內部特征自動識別型號，并判斷其邏輯功能是否完好。通過對檢測程序進行優化，提升了芯片識別的速度和準確性，并實時將檢測結果顯示在LCD液晶屏上，方便用戶直觀地了解檢測結果。

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【通聯編輯：光文玲】