数字集成电路测试仪硬件的设计

摘要:文章从实验室的需要提出了设计数字集成电路测试仪器的设想,提出了研发数字集成电路测试仪的必要性和可行性,并阐述了如何在硬件支撑下通过硬件和软件的结合开发数字集成电路测试仪器。

关键词:PC机;C语言;单片机;硬件;集成块;数字集成电路测试仪

中图分类号:TN431文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0035-02

在数字电路实验室,集成块是常见的,由于它的体积较小,性能的好坏很难判断。因此,这里提出运用了单片机原理、C语言、通信原理、低频电路、数字电路等基本知识,设计了一台基于PC机的数字集成电路通用测试仪。这里主要探讨硬件电路构思与设计。

该测试仪主要是运用单片机的接口与显示程序和C语言的串行通讯程序来测试14管脚、16管脚的74Ls系列的集成块好坏。主要用到单片机CPU集成块89C51、驱动器集成块164、通信集成块232。该测试仪运用发光二极管实测灯与标准灯的发光情况相比较,来判断其好坏。该方法简单方便,是实验室不可缺少的工具之一。

一、想法的来源

一块小小的集成块,如何才能判断它的好坏呢?当然,有一些集成块在工作时是可以用万用表测量其管脚电压来判断它的好坏,但是比较麻烦。

“数字集成电路通用测试仪”,目的是能够简单而且方便地测试集成块的好坏。它主要是运用单片机的汇编语言和C语言来编程,还要用到通信原理、数字电路等知识。

该测试仪可以单拍测试,也可以连续测试,通过串行通讯送过来的数据,用发光二极管的发光情况来判断。用实测灯(绿色二极管)与标准灯(红色二极管)的亮暗来比较,如果两者发光情况一致,则表示通过,说明集成块是好的;如果不一致,则表示通不过,说明有管脚坏了。

有了这种测试仪,我们可以很方便地判断集成块的好坏,减少了实验室人员的工作量,具有很强的实用性。

二、总体设计

(一)技术指标

1.测试管脚数≤16PIN;

2.测试速度<1秒/块;

3.测试品种可任意更换。

(二)技术要求

1.能对各种数字集成电路进行功能测试。

2.可连续测试,连续测试时,每按一次按钮,可全部测完,发光二极管上给出合格(失败)判断,并将测试结果在PC机上显示。

3.也可单拍测试,单拍测试时,每按一次按钮,进行一个节拍的测试并在显示器显示节拍号。

4.通过键盘操作,可将盘上的品种程序调入测试仪,测试结果通过串口回送PC机,PC机在屏幕上能显示合格管脚图形及实测管脚图形。

(三)硬件设计

对于生活在现代科技发达的社会技术人员来说,软件已经成为一种时尚,有了软件,提高了现代人生存的速度,但是,有些软件的应用必须在硬件的基础上才能够使用。对硬件电路的设计不但要熟练掌握低频电路原理、高频电路原理、数字电路原理、还得熟练掌握电子设计自动化(EDA)的技术。

(四)软件设计

软件设计和硬件设计必须结合进行。在本次课题设计中,主要是运用LCAW软件和C语言进行编程,用PROTEL软件画原理图。

基于PC机的数字集成电路通用测试仪设计时所用到的元件比较多,设计时必须根据原理图仔细安装,熟练掌握有关软件的使用,并且特别要注意软、硬件的结合使用。

三、硬件电路的设计

如一般的计算机系统一样,单片机的应用系统由硬件和软件所组成。硬件由单片机、扩展的存储器、输入/输出设备等硬部件组成的机器,软件是各种工作程序的总称。硬件和软件只有紧密结合、协调一致,才能组成高性能的单片机应用系统。在系统的研制过程中,软硬件的功能总是不断地调整,以便于相互适应。硬件设计的任务是根据总体设计要求,在所选择的机型的基础上,具体确定系统中所要使用的元器件,设计出系统的电路原理图,必要时做一些部件实验,以验证电路图的正确性,以及工艺加工的设计加工、印制板的制作、样机的组装。

(一)硬件设计要点

一个设计确定后,经过详细调研,可能产生多种设计方案,在众多的设计方案中怎样选择?为使硬件设计尽可能合理,应重点考虑以下几点:

1.尽可能选择功能强的芯片,以简化电路。

2.留有余地。在设计硬件电路时,要考虑到将来修改、扩展的方便。ROM空间、RAM空间、I/O端口,在样机研制出来后进行现场试用时,往往会发现一些被忽略的问题,而这些问题是不能单靠软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集,就必须增加输入检测端,有些物理量需要控制,就必须增加输出端。如果在硬件设计之初就多设计出一些I/O端口,这个问题就会迎刃而解;A/D和D/A通道和I/O端口同样的原因留出一些A/D和D/A通道,将来可能会解决大问题。

3.以软代硬。单片机和数字电路本质的区别就是它具有软件系统。很多硬件电路能做到的,软件也能做到。原则上,只要软件能做到的就不用硬件。硬件多了不但增加成本,而且系统故障率也提高了。以软代硬的实质是以时间代空间,软件执行过程需要消耗时间,因此,这种代替带来的不足就是实时性下降,在实时性不高的场合,以软代硬是很合算的。

4.工艺设计。包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试、维修的方便。另外,硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。

(二)所用芯片介绍

硬件设计的步骤中的第一步就是查找可能涉及的芯片的资料。这是一步非常重要的步骤。它是硬件电路设计正确性和可靠性的基础。

1.89C51芯片的简介。AT89C51是一种低功耗、高性能内含4K字节闪电存储(Flash memory)的8位CMOS微控制器。片内闪电存储器的程序代码或数据可在线写入,亦可通过常规的编程器编程。AT89C51芯片内部具有下列硬件资源:4K字节闪电存储器,128字节RAM ,32条I/O线,两个16位定时/计数器,五源两级中断结构,全双工串行口,片内震荡器及时钟电路等。AT89C51片内含三个封锁位,若封锁位LB1已被编程,则EA引脚上的逻辑电平在芯片复位时被采样并锁存。但如果该器件上电时无复位,那么相应锁存器便被初始化为随机值,此值将保持到复位时止。片内闪电存储器的编程,AT89C51片内存储器售后通常处于擦除状态,即每一地址单元内容均为FFH,人们随时可对其编程,编程电压有高压12V的,也有低压5V的低压编程方式为在用户系统内对AT89C51进行编程提供了方便;而高压编程方式则与常规的闪电存储器或EPROM编程器相兼容。

2.RS-232芯片的简介。RS-232是美国电气工业协会推广使用的一种串行通信总线标准,是DCE(数据通信设备,如微机)和DTE(数据终端设备,如CRT)间传输串行数据的总线。TC232内部有两个发送器和两个接受器,还有一个电源变换器,是一种廉价RS232电平转换器, RS232C虽共有25根信号线,但在近程通信不需要调制解调器的情况下,一般只用少量信号线。若采用直接通信,则通常只用TXD和RXD及地信号线。

3.164芯片的简介。方式0是外接移位寄存器的工作方式,用以扩展I/O接口。输出时将发送数据缓冲器中的内容串行地址到外部的移位寄存器,输入时将外部移位寄存器内容移入内部的移位寄存器,然后写入内部的接受数据缓冲器。在以方式0工作时,数据由RXD串行地输入/输出,TXD输出移位脉冲,使外部的移位寄存器移位。方式0输出时,串行口上外接74LS164串行输入并行输出移位寄存器的接口。TXD端输出的移位脉冲将RXD端输出的数据移入74LS164。CPU发送数据缓冲器SPUF写入一个数据,就启动串行口发送,对SBUF的写信号在S6P2时把1写入输出移位寄存器的第9位,并使发送控制电路开始发送。内部的定时逻辑在对SBUF写和SEND被激活(高电平)之间有一个完整的机器周期。在SEND有效时,输出移位寄存器中输出位内容送RXD端输出,移位脉冲由TXD端输出,它使RXD端的输出数据移入到外部的移位寄存器。

(三)硬件电路的设计

硬件电路的设计如下图所示:

参考文献

[1]张友德,赵志英,涂时亮.单片微型机原理/应用与实验[M].上海:复旦大学出版社,1996.

[2]周仲.国内外常用集成电路互换手册[M].上海:上海科学技术文献出版社,2001.

[3]白中英.数字逻辑与数字系统[M].科学出版社,1999.

作者简介:孔得丰(1980-),男,江苏淮安人,江苏无锡高等师范学校创意与软件设计系讲师,研究方向:计算机应用。