1研究背景

目前電子技術發(fā)展迅速,隨著數(shù)字集成電路的廣泛應用,各大高校都開設了電子實驗課程。在實踐教學過程中,所使用的芯片完好是保證實驗效果的前提。74系列邏輯芯片在數(shù)字電路中有著非常廣泛的應用,但根據(jù)硬件實驗和大型課程設計所得出的數(shù)據(jù)可知,741S00等芯片相對于其他74系列芯片更容易損壞。在實驗室中,同一塊芯片在一段時間內的使用頻率極高,接錯線或短路、超壓事故時常發(fā)生,芯片損壞率極高。

經(jīng)調查發(fā)現(xiàn),很多電子實驗室仍采用手工檢測法檢測芯片功能的完整性,耗時長,效率低。因此,在實驗教學中為了節(jié)省檢測數(shù)字芯片的時間,提高教學效率,設計和開發(fā)一款可以快速檢測芯片功能完整性的數(shù)字芯片檢測設備,對于提高實驗教學效果具有重要意義。

2研究目標

本研究以AT89S51單片機為核心,設計外圍電路,完成對741S00、741S02、741S08等高校常用芯片的功能完整性識別,預期功能有:

(1）測試自動化,20腳測試插座固定,測試范圍不受被測器件的輸入、輸出、電源和位置的限制。

(2）同型號大批量器件測試簡捷方便,效率高。

(3）能測試74系列的門電路、譯碼器等器件。

(4）可查閱測試數(shù)據(jù)庫內所有芯片的邏輯功能,作為電子手冊使用。

(5）整機電源電壓為+5V,供電方式為直流穩(wěn)壓電源。

(6）可脫機工作,攜帶方便,輕巧美觀。

(7）可連接計算機,更新數(shù)據(jù)庫,保證設備可持久工作。

(8）兩種檢測插座,一種為面包板式固定20腳插座,可以方便地檢測單個自由芯片的好壞:另一種為夾式自由20腳插頭,可以方便地檢測夾在被固定在電路板上或者其他難以移動的芯片的好壞,方便電路查錯。

3研究工具和項目分析

3.1研究工具

3.1.1AT89S51單片機

51單片機是對所有兼容1nte18031指令系統(tǒng)的統(tǒng)稱。51單片機是目前世界上用量最大的幾種單片機之一,目前在國內市場上占據(jù)主導地位的仍是51內核及其兼容單片機。這些單

片機和MCS-51單片機的指令完全兼容,資料和開發(fā)設備比較齊全,價格也比較便宜。其中,Atme1公司生產的AT89S系列單片機具有低電壓、低功耗、高性能的特點,并且AT89S系列單片機支持在線系統(tǒng)程序設計,使生產和維護更方便[1]。3.1.2開發(fā)語言一C語言

匯編語言編寫的單片機程序效率高,可執(zhí)行性好,但是可讀性太差且不易編寫。與匯編語言相比,C語言在功能性、結構、可讀性、可維護性上有明顯優(yōu)勢。本研究選擇C語言進行程序設計。

3.1.3開發(fā)環(huán)境一Kei1C51

Kei1C51是德國Kei1Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Kei1提供了包括C語言編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案,通過一個集成開發(fā)環(huán)境(uViSion）將這些部分組合在一起,Kei1可以通過安裝輔助軟件和ProteuS軟件進行聯(lián)調,不需要重復進行燒錄。

3.1.4仿真軟件一ProteuS8ProfeSSiona1

ProteuS軟件是英國1abCenterE1ectronicS公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能,還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。

3.2項目分析

3.2.1組合邏輯電路和時序邏輯電路

數(shù)字邏輯電路按照功能結構的不同,可以分為兩大類,一類叫組合邏輯電路,另一類叫時序邏輯電路。組合邏輯電路是由門電路組合形成的,在任意時刻的輸出僅僅取決于該時刻的輸入,與電路原來的狀態(tài)無關。時序邏輯電路是由觸發(fā)器和門電路組成的,在任意時刻的輸出不僅取決于當時的輸入,而且同歷史輸入有關。

3.2.2芯片的封裝

74系列芯片具有兩種封裝規(guī)格,即D1P14和D1P16管腳兩種規(guī)格,不能簡單地把兩種管腳作為地或者電源。但是無論是哪種封裝,都可以將8腳接地作為公共地,用兩個不同的1o口控制兩個電源接口,用依次檢測的方法來確定電源位置。

3.2.3夾式測量頭的可行性分析

由于固定好的芯片大多是整個電路的一部分,不將其與外電路隔離就檢測的方法肯定是有誤的,且本設計主要為高校實驗室服務,所以決定放棄此種設計方法。

4方案設計

4.1總體方案設計

以AT89C51單片機為核心,通過串口與上位機通信,可以通過串口實現(xiàn)上位機實時顯示檢測結果,并且可以通過上位機控制下位機,并顯示相關芯片信息。脫機運行條件下,通過紅綠1ED燈來輸出檢測結果:在連接上位機的情況下,通過上位機和1ED燈共同顯示結果。

4.2硬件電路設計

以AT89S51單片機為核心,外圍電路包括單片機最小系統(tǒng)及電源電路、4×4矩陣鍵盤、1ED燈輸出電路、串口通信電路、芯片檢測電路。

4.2.1單片機最小系統(tǒng)及電源電路

AT89S51最高可使用33MHz的晶振,單片機最小系統(tǒng)晶振振蕩頻率直接影響單片機的處理速度,頻率越大,處理速度越快。本設計中由于要進行串口通信,考慮到12MHz的晶振在設置波特率為4800bit/S時,仍然有較大的誤差,而采用11.0592MH的晶振波特率最高可設置成19200bit/S并且誤差率為0,相比采用12MHz晶振,其傳輸效率大為提升,且精準度高。基于以上考慮,本設計采用11.0592MHz的晶振。

4.2.24×4矩陣鍵盤和1ED燈電路

采用動態(tài)掃描的方法,將16個按鍵定義為16個不同的字符,不同字符代表不同功能,只占用8個Io口。

用兩個Io口控制三極管的導通,從而控制1ED燈的明滅,綠燈亮為芯片正常,紅燈亮為芯片損壞。

4.2.3串口通信電路

采用RS-232C串行口標準。RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會公布的串行總線標準,用于實現(xiàn)數(shù)字設備之間的數(shù)據(jù)通信,通信距離最大為15m,傳輸速率為20kbitS/S,完全滿足本設計需求。

RS-232的電氣標準是:-12～-5V為邏輯電平1:+5～+12V為邏輯電平0:而TT1電平規(guī)定輸出高電平>2.4V,輸出低電平<0.4V。因此,單片機的TT1電平要經(jīng)過電平轉換器才能與PC的RS-232C電平相連接,使用的芯片是MAx232。連接方式為:單片機串口發(fā)送線TxD,經(jīng)過電平轉換后接入PC串口接收線RxD,PC串口發(fā)送線TxD經(jīng)過電平轉換后接入單片機的串口接收線RxD。

4.2.4芯片檢測電路

由于單片機和74系列的組合邏輯芯片采用的均為TT1電平,并且74系列的組合邏輯電路除電源外對電平?jīng)]有帶負載的要求,所以直接用導線將單片機Io口和芯片管腳連接起來即可。

由于單片機本身帶負載能力比較差,所以采用外部電源供電,Io口通過控制導通的方式對數(shù)字芯片進行供電。設置兩個供電電路,以匹配兩種不同封裝的數(shù)字芯片。

4.3軟件方案設計

針對芯片自動檢測儀的運行特點,本數(shù)字芯片自動檢測儀的程序設計采取以下措施:

程序設計中,串口通信下位機接收采用中斷方式,每個機器周期都進行檢測,如果無信息傳入,繼續(xù)執(zhí)行程序:如果有信息進入,接收信息,進入中斷處理子程序,對信息進行解碼,執(zhí)行信息內容,執(zhí)行完畢后回到斷點。單片機循環(huán)執(zhí)行矩陣鍵盤檢測程序。如果一直無鍵按下,繼續(xù)檢測,直到有鍵按下,根據(jù)按鍵的鍵值,找到對應的芯片型號及其真值表,根據(jù)真值表執(zhí)行相應的檢測程序。如果檢測結果為正常,顯示綠燈:如果檢測結果不正常,顯示紅燈。無論檢測結果如何,下位機向上位機發(fā)送檢測結果和相應芯片型號。

5結語

本設計為基于AT89S51單片機的數(shù)字芯片檢測裝置,可以對741S系列的實驗室常用組合邏輯數(shù)字芯片的功能完整性進行檢測。測試結果表明,本設計操作簡易,測試速度快,結果直觀,準確率高,成本低,適合高校實驗室使用。