基于K60的数字逻辑芯片测试仪设计

任玲芝，张光照，李哲文

0 引言

在数字电子技术高速发展的今天，越来越多的芯片被制造生产出来，芯片的损坏率也越来越高.一个电路系统被设计出来，如果不知道芯片损坏的情况，去检查硬件电路系统是否合格，显然是一个费力不讨好的事情[1-5].本文依托巢湖学院数字电子技术实验室设计了一套能够自动检测常用的数字逻辑芯片是否损坏的芯片测试仪，并将待测芯片型号和测试结果通过TFT液晶显示屏显示出来，降低了学生的误判率，提高学生的实验效率.

1 测试仪总体方案设计

考虑到数字电子技术实验室里使用最多的是74系列芯片，本测试仪针对常用的74系列数字芯片进行测试[6-8].测试仪的工作原理是采用K60主控器向待测芯片的输入端引脚发出高低电平信号，经过待测芯片内部集成电路的逻辑运算，将运算结果输出到输出引脚，K60主控器读取待测芯片的输出引脚电平信号，根据待测芯片预期的逻辑功能判断逻辑运算结果是否正确，若结果正确，说明待测芯片完好，否则说明待测芯片损坏.

数字逻辑芯片测试仪系统设计由五部分组成的：电源供电模块、K60核心控制模块[9]、待测芯片检测模块、按键输入模块、液晶显示模块.测试仪运行流程是：通过6*6按键输入模块输入待测芯片型号信息，K60主控制器读取按键模块，确定芯片型号信息后，配置待测芯片输入引脚的高低电平信号进行逻辑运算，读取待测芯片的输出引脚电平信号，判断逻辑运算结果是否符合该待测芯片的预期逻辑运算结果，从而确定该待测芯片是否损坏，将检测结果信息在液晶显示屏显示出来.数字逻辑芯片测试仪硬件组框图如图1所示.

图1 数字逻辑芯片测试仪硬件框图

2 测试仪硬件设计

图2 测试仪整体电路原理图

根据芯片测试仪的硬件框图设计硬件电路原理图，主要有K60主控制器最小系统电路、电源供电电路、按键输入电路、待测芯片检测电路和液晶显示接口电路.K60主控制器最小系统电路主要包括晶振电路、复位电路、JTAG下载电路、K60芯片短路保护电路和对外引脚扩展电路.由于本芯片测试仪中的控制器使用的是K60成品模块，在电路原理图中只需要设计出K60的控制引脚和数据引脚接口电路即可，测试仪整体电路原理图如图2所示.

2.1 电源供电电路设计

本测试仪电源供电电路需要5V和3.3V两种电压，5V电压主要给K60主控制器和待测芯片供电，3.3V电压给液晶显示屏供电.为了提高测试仪的便携性和电压的稳定性，选择7.2充电电池为总电源，经过LM2940三端稳压器稳定输出5V电压，再将其输入到AM1117-3.3稳压芯片，输出得到稳定的3.3V电压[10].

图3 电源供电电路

2.2 按键输入电路设计

按键输入电路主要用于输入芯片型号，芯片型号对应了该芯片具体的逻辑功能，芯片型号输入主要由6*6矩阵按键和4个独立按键组成.6*6矩阵按键部分共有36个按键，分别对应着26个英文字母和0-9这10个数字，每个按键按下，对应一个特定的英文字符或数字，输入待测芯片具体型号.设计的4个独立按键中，其中一个按键用于输入待测芯片型号后，作为确认键使用，另外3个暂时未用，用于以后进一步升级测试仪扩展时备用.按键输入电路如图4所示.

图4 按键输入电路

2.3 待测芯片检测电路设计

待测芯片检测电路主要用于放置不同引脚的逻辑芯片和检测不同的数字芯片逻辑功能是否正常，主要由芯片底座和芯片引脚选择开关组成[11-12].芯片底座用于放置待检测芯片，根据常用数字芯片引脚数目不同，本测试仪设计了14脚、16脚、18脚和20引脚四种引脚数量不同的芯片底座.芯片引脚选择开关主要为了用于接通芯片引脚，因为有些芯片引脚是空引脚，就不需要接通电路的，若芯片引脚需要连接电路，接通引脚开关，若不需要连接电路的引脚，断开对应的引脚开关.芯片底座与引脚选择开关连接，然后都与K60主控制器的IO口连接，K60发出控制逻辑信号给芯片输入引脚，再读回芯片逻辑运算后的值，便能够判断出芯片的好坏.待测芯片检测电路如图5所示.

图5 待测芯片检测电路

2.4 液晶显示接口电路

液晶显示接口电路是K60控制液晶显示屏显示待测芯片型号、芯片的逻辑功能和芯片检测结果信息的连接电路.液晶显示屏采用1.44寸、128*128分辨率，具有8位数据总线传输模式，需要3.3V电压供电.K60主控制器的PTC0到PTC7接液晶显示屏的8位数据总线口，为读写数据的并行引脚，而PTC9到PTC13五个引脚分别是时钟、片选等引脚，其他的引脚为闲置引脚可以不使用.液晶显示接口电路如图6所示.

图6 液晶显示接口电路

3 测试仪软件程序设计

根据测试仪硬件电路编写相应的软件程序来实现测试仪对数字逻辑芯片的检测、电平状态的采集与分析、按键扫描和显示等功能.软件程序总体共分为五个部分：首先，初始化K60主控器和液晶显示屏；第二，进行矩阵按键检测，通过6*6矩阵按键输入待测芯片具体型号，并将待测芯片型号和逻辑功能等信息实时显示在液晶屏上；第三，进行独立按键的检测，也就是输入芯片型号后通过独立按键确认是否需要执行待测芯片完好性检测程序，一旦按下确认键后，K60开始对待测芯片的完好性进行检测，之后并将检测结果显示在液晶屏上，至此，整个程序的流程到此结束.软件整体程序流程图如图7(a)所示.

测试仪软件设计中最关键的部分是芯片检测程序设计.通过6*6矩阵按键输入芯片型号，按确认键后，K60控制器就立即启动芯片检测程序.由于待检测的芯片型号很多，因此必须要设计出各种芯片逻辑运算后的结果集，K60控制器根据具体芯片型号配置好检测电路中待测芯片输入引脚的电平信号，待测芯片自己进行逻辑运算后，将运算结果输出到输出引脚，K60读取输出电平信号后，再与结果集中的结果比较，若实时读取的电平信号与结果集中电平信号相同，则判定芯片完好，若比较结果不同，则判定芯片损坏，将芯片好坏信息显示在液晶显示屏上.芯片检测程序流程图如图7(b)所示.

图7 测试仪软件程序流程图

4 测试与验证

使用Altium Designer软件绘制电路的PCB图，加工出电路板，焊接元器件，并将软件程序下载到K60控制器，对测试仪进行软硬件测试.本次测试 的 芯 片 有 74LS00、74LS20、74LS86、74LS138、74LS151、74LS112、74LS74、74LS192 等. 若需要测试更多芯片，在软件程序中添加相应的代码即可.图8为测试仪软硬件测试结果，图8(a)是测试仪硬件电路板，图8(b)是液晶显示屏上显示的是4路二输入与非门74LS00芯片的检测结果，检测结果显示，该芯片的第一路、第二路、第三路共3路与非功能正常，只有第四路这1路与非功能损坏.

图8 测试仪软硬件测试结果

5 结束语

进行数字电子技术实验时，经常会遇到数字逻辑芯片可能由于各种各样样的原因已损坏，但是使用者并不知情，总是在遇到其他问题之后，才可能会想起芯片是否损坏，这样耗时又耗力，从而耽误了大量的时间.本文针对该情况设计了一款数字逻辑芯片测试仪，解决实验前逻辑芯片的完好性测试工作，通过液晶显示屏能够直观的观察到芯片好坏，省时省力，操作简单，有利于教学过程的开展和实施，提高了实验教学效果.