虚实结合的数字集成电路检测装置开发

周灵彬

摘要：为节约资源、提高教学中电子元件的重复使用效率，非常有必要对拆卸芯片在重用前进行好坏的检测。利用计算机虚拟仿真技术PROTEUS和LABVIEW进行前期的集成电路检测装置开发，以STC单片机为控制核心设计检测系统，将结果现场显示在液晶上并传输到电脑端的上位机界面进行时序分析。经仿真与实物测试，该装置能有效检测14、16脚TTL和CMOS芯片的好坏。该虚实结合、以软件代替部分硬件的检测装置开发思路不失为一种经济便捷的方法。

关键词：单片机;集成电路检测;虚拟仿真;时序分析

中图分类号：TN407 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0133-03

0 引言

集成电路测试可分为两大类：功能测试和参数测试。测试的主要目的是对集成电路元件的各项功能及参数指标进行检验[1-2]。而此处讨论的是对上市产品，即处于应用环节的集成电路进行好坏的鉴别检测。

在高校电子类专业实践教学中，数字集成电路的使用十分频繁。如实验、课程设计和课外创新等实践活动中，需要使用大量的数字集成芯片来完成各种实验和设计任务。为了节约教学实践成本，集成芯片最好能多次反复使用。但如果芯片已损坏，又在不知情的情况下拿来重用，可能对电路调试带来很大麻烦，导致时间和精力上巨大浪费。所以为了降低元件消耗提高利用效率，需要有效的工具检测芯片的好坏。一般，芯片故障的测试可以选择以下3种方案：（1）专业用集成电路测试仪，功能强而全面，价格昂贵，是大公司的选择;（2）逻辑分析仪，操作复杂，使用不便;（3）自制集成芯片测试装置，可以根据具体需求定制系统功能，功能较单一，针对性强且成本较低。所以对教学中相对型号稳定、数量较少的芯片检测，选择第3种方案，即自制集成芯片测试仪解决教学实践所需芯片的测试问题。

该测试装置主要是对教学中常用的14脚（如7400、7402、7408、7432等）和16脚（如74138、7447、74192等）的数字集成芯片进行测试，判断好坏。

该测试装置主要包括软件和硬件两方面的设计与研究[3]：检测控制硬件电路设计、上位机接口电路设计、处理与控制软件、上位机信息采集与处理及显示的软件设计。

检测原理及过程为：根据输入的芯片型号、芯片真值表或功能表或时序图，由单片机对芯片有序地施加输入、激励信号，再采集芯片的输出信号，并与芯片手册提供的真值表或功能表和时序图对比，如果一致，则说明芯片完好可用，否则已损坏。检测结果现场显示在字符液晶上，并用绿、红LED灯指示好、坏。还将芯片的检测时序上传到用LABVIEW设计的逻辑分析仪上进行显示分析。利用STC芯片内集成的AD模块还可检测芯片的主要输出电压、电流等参数。

1 控制硬件电路设计

硬件电路主要由单片机、通信电路和芯片接口电路组成，结构如图1所示。

1.1 单片机选择与资源分配

根据系统布局，选用的STC12C5A60S2，是1T增强系列单片机，与8051指令、管脚完全兼容，可直接替换8051，同样晶振的情况下，速度是普通51的8～12倍。储存ROM有60K，足够大;还有1K的EEPROM可掉电保存运行中的数据;还有8路串行的10位AD，省去了外接ADC的电路;IO口有4种工作模式可选择设置;中断优先级有四种状态可定义;共4个定时器，新增的两个定时器还带PWM功能。

单片机引脚分配：

矩阵键盘：占用P3的8个引脚：P3.0～P3.7;

LCD显示：P0（3根控制线：P0.0-RS、P0.01-RW、P0.2-En;4根数据线P0.4～P0.7：D0～D4）;

LED显示：P0.3、P2.7;

芯片检测接口引脚：P1（P1.0-P1.6）、P2（P2.0-P2.6）

电压电流检测：P1.7

P1口有8路10位串行A/D转换接口，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）。

P44～P47备用。

1.2 芯片检测接口电路、通信电路设计

接口电路设计要充分考虑单片机的的IO口及被测芯片的引脚特性及驱动能力。通用I/O口（36个，DIP40封装），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）。可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA。需要注意的是：虽然每个IO口在弱上拉时都能承受20mA的灌电流（应加限流电阻，如1K，560Ω等），在强推挽输出时都能输出20mA的拉电流（也要加限流电阻），但整个芯片的工作电流推荐不要超过55mA。即从MCU-Vcc流入、从MCU-Gnd流出的电流不超过55mA;整体流入/流出的电流都不能超过55mA。

抽取几个有代表性的被测芯片，它们的主要参数如表1所示。

根据表1的数据，STC12单片机的灌电流足够大。但作普通IO口时约200uA的拉电流太弱;虽然在强推挽输出时都能输出20mA的拉电流，但多数引脚不是只做输出口而是输入输出口，所以多数引脚还是普通IO的模式，所以对它们都要加10K的上拉电阻以提高拉电流，加560Ω的限流电阻以保护IO口。为方便画图仿真测试，如图2所示部分上拉和限流电阻省略了，且为了防止IO口冲突，在IO引脚和检测芯片的底座间增加三态收发器74245。两个三态收发器的使能及收发数据方向分别由P45、P44引腳控制。

1.3 芯片型号输入的矩阵键盘电路

芯片检测前，经图3的4*4矩阵键盘输入元件型号，如74LS02、74LS47、74HC138等;再点“确定”键启动系统开始检测。此矩阵键盘与P3口连接。因是高速单片机，所以键盘的8条线与IO口连接时要加470Ω～1K限流电阻，同时IO口接上10K的上拉电阻。

1.4 结果告知电路设计

芯片检测结果以两种方式显示：（1）字符型液晶显示，显示具体芯片型号和好坏的结果，如图4左侧所示，如果芯片是好的，则显示“** is OK”;若是坏的，则显示“** is BAD”;（2）用红、绿发光管表示坏与好。为了节省单片机的IO口，液晶显示器与单片机采用4线数据线相连。

2 软件系统设计

控制软件与上位机软件设计。控制软件事先在PROTEUS软件中进行仿真开发。利用其中的虚拟示波器、信号捕捉图表进行时序等功能分析。上位机的时序分析在LABVIEW中设计。

单机检测时，不接上位机，即对检测系统对被测对象发出测试命令与测试数据后，采集反馈的数据进行分析、处理，以声光、显示器等形式给出检测结果。接入上位机，并在LABVIEW的软件界面下采集数据并处理，以可视化界面上进行结果的显示与告知。单片机上电后处于空闲等待状态，被测芯片插座与电源断开。软件系统框架如图5所示。

3 系统测试[4-6]

包括检测系统的PROTEUS仿真测试及其与上位机的通信测试、实物样机与上位机的通信测试。

3.1 逻辑门电路的检测测试

对门电路74LS00检测，在PROTEUS中进行仿真，结果如图4所示。以新的完好的芯片在实物测试板上也得到一样的结果。

3.2 显示译码器74LS47的检测测试

按图6所示对门电路74LS47检测，在PROTEUS中进行仿真，结果如图7所示。它是应用PROTEUS的信号轨迹捕捉功能捕捉并显示由检测控制程序输出、读入的各个脚电平信号。仔细分析图7中的各信号电平，并与74LS47的手册真值表对照，完全一致说明芯片完好，否则已损坏。而实际芯片检测的时序图在没有逻辑分析仪的情况下，借用LABVIEW软件设计虚拟逻辑分析仪，在电脑端可显示实物测试的时序图，如74LS138译码器的测试。

3.3 译码器74LS138的检测测试

在此虚拟仪器的使用，可以是控制检测系统在PROTEUS中仿真与LABVIEW上位机虚拟逻辑分析仪的同步协作 ，也可以是实物样机运行测试与上位机的实时协作，它们之间的通信连接如图8所示。

由检测系统对labview上位机发送对译码器74LS138的检测数据，在labview上数据以逻辑分析图的形式显示出来，如图9所示，与74LS138的手册真值表对照，一目了然。仔细分析图9中序图表中也可分析出可能的问题所在。

4 结语

充分利用计算机仿真技术，在PROTEUS中进行控制检测系统的初步开发，判断芯片逻辑功能，再利用LABVIEW的虚拟仪器设计逻辑分析仪跟踪检测信号时序，即有现场给出检测结果也能在电脑上位机端查看过程性时序。经仿真测试与实际测试，均能有效检测芯片好坏，解决教学中芯片有效复用问题。这种虚实结合的芯片检测装置即可单机使用，只看结果;也可联上位机使用查看过程并分析具体故障点。所以此装置具有现实意义和实用价值。

参考文献

[1] 王辉.集成电路测试技术的应用研究[J].电子世界，2018（14）：64-66.

[2] 黄林.我国集成电路测试技术现状及发展策略[J].科技资讯，2018，16（20）：37-38.

[3] 张建文.基于ARM的数字集成电路测试系统的研究[J].中国新技术新产品，2018（09）：21-22.

[4] 张靖武等.单片机原理、应用与PROTEUS仿真[M].北京：电子工业出版社，2014：151-154.

[5] 徐立艳.基于ARM和LabVIEW的網络数据采集测试系统设计[J].现代电子技术，2016，39（5）：24-27.

[6] 张帆.一种低功耗数字集成电路自检电路设计方法[J].科技经济导刊，2017（16）：76-76+72.

Development of Digital Integrated Circuit Detection Device Combining Virtual and Real

ZHOU Ling-bin

（Shaoxing Vocational&Technical College，Shaoxing Zhejiang  312000）

Abstract：In order to save resources and improve the efficiency of reuse of electronic components in teaching， it is very necessary to test the disassembled chips before or after reuse. The computer virtual simulation technology PROTEUS and LABVIEW were used to develop the integrated circuit detection device. The STC microcontroller was used as the control core design detection system. The result was displayed on the liquid crystal and transmitted to the host computer interface for timing analysis. Through simulation and physical testing， the device can effectively detect the quality of 14 and 16 TTL and CMOS chips. It is an economical and convenient method to develop the detection device by combining virtual with real and replacing part of hardware with software.

Key words：single chip microcontroller;IC（integrated circuit）detection;virtual simulation; timing analysis