1研究背景

目前電子技術(shù)發(fā)展迅速,隨著數(shù)字集成電路的廣泛應(yīng)用,各大高校都開設(shè)了電子實(shí)驗(yàn)課程。在實(shí)踐教學(xué)過程中,所使用的芯片完好是保證實(shí)驗(yàn)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(yīng)用,但根據(jù)硬件實(shí)驗(yàn)和大型課程設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室中,同一塊芯片在一段時(shí)間內(nèi)的使用頻率極高,接錯(cuò)線或短路、超壓事故時(shí)常發(fā)生,芯片損壞率極高。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),很多電子實(shí)驗(yàn)室仍采用手工檢測法檢測芯片功能的完整性,耗時(shí)長,效率低。因此,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為了節(jié)省檢測數(shù)字芯片的時(shí)間,提高教學(xué)效率,設(shè)計(jì)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(shè)備,對于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有重要意義。

2研究目標(biāo)

本研究以AT89S51單片機(jī)為核心,設(shè)計(jì)外圍電路,完成對741S00、741S02、741S08等高校常用芯片的功能完整性識(shí)別,預(yù)期功能有:

(1）測試自動(dòng)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(nèi)所有芯片的邏輯功能,作為電子手冊使用。

(5）整機(jī)電源電壓為+5V,供電方式為直流穩(wěn)壓電源。

(6）可脫機(jī)工作,攜帶方便,輕巧美觀。

(7）可連接計(jì)算機(jī),更新數(shù)據(jù)庫,保證設(shè)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(gè)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(dòng)的芯片的好壞,方便電路查錯(cuò)。

3研究工具和項(xiàng)目分析

3.1研究工具

3.1.1AT89S51單片機(jī)

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

片機(jī)和MCS-51單片機(jī)的指令完全兼容,資料和開發(fā)設(shè)備比較齊全,價(jià)格也比較便宜。其中,Atme1公司生產(chǎn)的AT89S系列單片機(jī)具有低電壓、低功耗、高性能的特點(diǎn),并且AT89S系列單片機(jī)支持在線系統(tǒng)程序設(shè)計(jì),使生產(chǎn)和維護(hù)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(jī)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(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性上有明顯優(yōu)勢。本研究選擇C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

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(jī)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(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案,通過一個(gè)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(jìn)行聯(lián)調(diào),不需要重復(fù)進(jìn)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(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。

3.2項(xiàng)目分析

3.2.1組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路

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

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(gè)不同的1o口控制兩個(gè)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(gè)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(shè)計(jì)主要為高校實(shí)驗(yàn)室服務(wù),所以決定放棄此種設(shè)計(jì)方法。

4方案設(shè)計(jì)

4.1總體方案設(shè)計(jì)

以AT89C51單片機(jī)為核心,通過串口與上位機(jī)通信,可以通過串口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示檢測結(jié)果,并且可以通過上位機(jī)控制下位機(jī),并顯示相關(guān)芯片信息。脫機(jī)運(yùn)行條件下,通過紅綠1ED燈來輸出檢測結(jié)果:在連接上位機(jī)的情況下,通過上位機(jī)和1ED燈共同顯示結(jié)果。

4.2硬件電路設(shè)計(jì)

以AT89S51單片機(jī)為核心,外圍電路包括單片機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)及電源電路

AT89S51最高可使用33MHz的晶振,單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度,頻率越大,處理速度越快。本設(shè)計(jì)中由于要進(jìn)行串口通信,考慮到12MHz的晶振在設(shè)置波特率為4800bit/S時(shí),仍然有較大的誤差,而采用11.0592MH的晶振波特率最高可設(shè)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(zhǔn)度高。基于以上考慮,本設(shè)計(jì)采用11.0592MHz的晶振。

4.2.24×4矩陣鍵盤和1ED燈電路

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

用兩個(gè)Io口控制三極管的導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)。RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)公布的串行總線標(biāo)準(zhǔn),用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)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(shè)計(jì)需求。

RS-232的電氣標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的TT1電平要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)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(jī)串口發(fā)送線TxD,經(jīng)過電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后接入單片機(jī)的串口接收線RxD。

4.2.4芯片檢測電路

由于單片機(jī)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(fù)載的要求,所以直接用導(dǎo)線將單片機(jī)Io口和芯片管腳連接起來即可。

由于單片機(jī)本身帶負(fù)載能力比較差,所以采用外部電源供電,Io口通過控制導(dǎo)通的方式對數(shù)字芯片進(jìn)行供電。設(shè)置兩個(gè)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(shè)計(jì)

針對芯片自動(dòng)檢測儀的運(yùn)行特點(diǎn),本數(shù)字芯片自動(dòng)檢測儀的程序設(shè)計(jì)采取以下措施:

程序設(shè)計(jì)中,串口通信下位機(jī)接收采用中斷方式,每個(gè)機(jī)器周期都進(jìn)行檢測,如果無信息傳入,繼續(xù)執(zhí)行程序:如果有信息進(jìn)入,接收信息,進(jìn)入中斷處理子程序,對信息進(jìn)行解碼,執(zhí)行信息內(nèi)容,執(zhí)行完畢后回到斷點(diǎn)。單片機(jī)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(yīng)的芯片型號及其真值表,根據(jù)真值表執(zhí)行相應(yīng)的檢測程序。如果檢測結(jié)果為正常,顯示綠燈:如果檢測結(jié)果不正常,顯示紅燈。無論檢測結(jié)果如何,下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送檢測結(jié)果和相應(yīng)芯片型號。

5結(jié)語

本設(shè)計(jì)為基于AT89S51單片機(jī)的數(shù)字芯片檢測裝置,可以對741S系列的實(shí)驗(yàn)室常用組合邏輯數(shù)字芯片的功能完整性進(jìn)行檢測。測試結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)操作簡易,測試速度快,結(jié)果直觀,準(zhǔn)確率高,成本低,適合高校實(shí)驗(yàn)室使用。