基于摄像头及单片机逻辑芯片检测器设计*

沈桢宇，赖义汉，杨秋忠，高 瑞，李 峙

(龙岩学院 物理与机电工程学院,福建 龙岩 364012)

0 引言

在各类大中专院校电子信息类专业中均开设有电子技术课程,在课程的实验、实训等活动中,学生会使用大量的数字集成逻辑芯片。由于循环使用次数较多,或学生操作不当导致芯片损坏率比较高,部分芯片使用时间较长,芯片表面的标识符字迹模糊不清,无法识别其具体型号[1]。由于故障芯片会给实验和电路调试造成很大的麻烦,会导致时间和精力上毫无意义的浪费[2-3],因此,每次实验前都需要对芯片进行功能检测。为能快速检测芯片的型号及逻辑功能,设计了一款以STC15系列单片机和OpenMV摄像头来实现集成逻辑芯片自动检测,具有芯片型号自动识别和芯片故障自动检测等功能,能显示芯片管脚图,实验无需查看手册,其结构简单、检测速度快、操作方便的检测器,在数字逻辑电路实践教学和数字系统设计中有良好的应用推广价值。

1 系统总体框架及设计思路

集成逻辑芯片检测器主要由OpenMV摄像头识别模块和单片机检测系统组成,单片机检测系统由20脚IC紧锁座、过流检测电路、液晶显示模块、报警电路等组成,系统框图如图1所示。

图1 系统方框图

首先,OpenMV摄像头模块读取被测逻辑芯片上的标识符信息,并通过图像识别算法识别芯片型号,通过串口发送给单片机检测系统。单片机通过串口接收OpenMV摄像头模块发送来的芯片型号信息,并根据被测芯片型号产生对应的逻辑测试信号给被测芯片,并读取被测芯片的输出逻辑值,与事先设定好的逻辑真值表进行对比,如果符合该芯片的真值表功能,则说明芯片功能正常,芯片没有损坏,否则说明芯片已损坏。当被测芯片表面标识符模糊摄像头无法识别时,系统自动采用 “盲检”模式,即把不同型号芯片的检测程序逐一运行,若遇到某个型号芯片的检测程序检测出正确结果,则芯片正常,显示出该芯片型号的信息。若每个检测程序都检测错误,则表示无此芯片或芯片损坏。

2 模块电路设计

2.1 单片机检测系统

系统控制器采用STCl5F2K60S2系列增强型单片机,其I/O口设置为推挽输出模式,每个I/O口输出电流最大可达到20 mA[4],其高电平电压为5 V,低电平电压接近0 V,由于被测集成逻辑芯片的工作电压一般为5 V,单片机的I/O口可直接与被测逻辑芯片的输入输出口连接。电路原理图如图2所示。

图2 单片机控制电路原理图

由于大部分数字集成逻辑芯片电源端VDD和GND脚分布在芯片的对角上,即电源在芯片的最右上脚,GND在芯片的最左下脚,为解决不同管脚芯片电源和地分布不同问题,在检测时,将所有芯片统一往紧锁座的顶部靠齐,则芯片的最右上端即为紧锁座的第20脚,固定接正电源,不同管脚的逻辑芯片只是接地不同,在设计时只要将单片机连接待测芯片的接地端的I/O口输出低电平即可。

2.2 OpenMV摄像头模块

OpenMV摄像头模块是一个成本低、功能强大的机器视觉模块,它以STM32单片机为核心,集成了OV7725摄像头芯片;提供了UART、I2C以及GPIO等接口[5];内置了一些图像处理功能,用C语言或Python语言等可以高效地实现核心机器视觉算法,可以直接调用已经封装好的图像处理函数;在图像识别时,帧率可达85～90帧,速度快。在采用OpenMV摄像头进行识别时,首先要对所有的逻辑芯片进行模型学习训练,建立模型库,才能正常识别芯片的型号[6]。

本设计使用了OpenMV模块的串口 4根引脚,VCC与GND分别接入+3.3 V与GND,其串口通信接口分别与单片机的RXD、TXD连接,波特率配置为115200bps,通过串口把检测到的芯片型号发送给单片机。

2.3 OLED显示模块

显示屏采用OLED显示模块,其分辨率为128×64点阵,可显示汉字及英文字母等信息,其主要功能显示芯片的型号、功能、状态及相关提示信息等。单片机与OLED显示屏之间采用4针接口,主要有VCC、GND、SCL、SDA,其中SCL和SDA为IIC串行通信接口,单片机通过模拟IIC协议与OLED进行通信,发送相关的显示数据。

2.4 过流检测模块

在芯片检测时,为防止被测芯片不小心插反或者芯片内部已击穿时电流过大烧毁其他芯片及电路,电路需增加过流检测及报警电路。过流检测电路是在外部电源接口与被测芯片电源VDD端之间串接了一个十几欧姆的保护电阻,从而将电流信号转换成电压信号,通过单片机内部ADC模块检测待测芯片电源端的电压值,在芯片正常工作时,其工作电流较小,电源电压接近VDD,当芯片插反或短路时,电流较大,保护电阻的压降增大,芯片的电源电压会变小,此时系统产生报警,提醒用户芯片插反或芯片击穿。

3 软件设计与测试

3.1 软件设计总体思路

软件设计部分主要包括摄像头识别模块及单片机检测模块,当摄像头成功读取芯片标识符时,通过串口发送至单片机,若摄像头无法识别,则发送0xAA信号,摄像头工作流程图如图3所示。单片机接收到发送来的芯片型号,启动相应芯片的检测函数,若接收到0xAA信号,则系统采用“盲检”方式,逐一调用预存的所有芯片检测函数,直到返回逻辑“1”或者执行完所有检测函数为止。若所有函数执行后,仍然得不到正确的结果,则OLED液晶屏显示“芯片已坏”或“无此芯片”,在检测过程中,若过流检测电路电流过大,则系统会产生声音报警,提醒用户更换芯片,单片机检测系统工作流程如图4所示。

图3 OpenMV摄像头工作流程图

图4 单片机检测系统工作流程图

3.2 系统测试

检测器结构如图5所示,为提高芯片的识别效果,OpenMV摄像头采用长焦镜头,首先要对所有待测芯片进行学习训练,形成模型库,在识别过程中,检测相似度在85%以上为识别成功,图6是对74LS161、74LS86和74LS20等芯片进行的相似度测试,总体相似度都在89%以上。

图5 检测器结构图

图6 74LS161、74LS86等芯片OpenMV识别相似度

在过流保护电路测试中,对74LS112等芯片进行了测试,芯片外部电源电压为5.06 V,当被测芯片正常放置和插反时,测量其电源端的电压及电流的大小,其数据如表1所示,正常工作时,电源电流一般低于20 mA,若插反时,芯片的电流都比较大,一般都会超过50 mA以上。

表1 74LS112正插与反插芯片电源端电压与电流

系统对部分组合逻辑芯片和时序逻辑芯片的功能及故障进行综合测试,测试结果如表2所示,检测器都能很好地识别芯片的功能及芯片的工作状态。

表2 部分组合逻辑和时序逻辑芯片检测情况表

4 结语

系统主要采用单片机与OpenMV摄像头模块的有机组合,通过图像识别技术和单片机的检测技术,能够快速地检测逻辑芯片的功能及状态;对74LS系列和CC4000等系列逻辑芯片进行了测试,效果良好,成功率达99%以上。若要增加新的检测逻辑芯片,只要更新单片机中的函数库即可,硬件电路简单,操作方便,该检测仪可适用于绝大部分的逻辑芯片的功能及故障检测。