利用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)集成芯片測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

引言

在高校電子類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，數(shù)字集成電路的使用十分頻繁。學(xué)生每年在實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和課外創(chuàng)新等實(shí)踐活動(dòng)中，需要使用大量的數(shù)字集成芯片，用以完成各種實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)任務(wù)。每次實(shí)驗(yàn)用過的芯片，只要未受損壞，原則上是可以再利用的，可以節(jié)省不少的實(shí)驗(yàn)成本。為使芯片能夠重復(fù)使用，需要有效的工具檢測(cè)芯片的好壞，因?yàn)楣收闲酒瑫?huì)給電路調(diào)試造成很大的麻煩，導(dǎo)致時(shí)間和精力上毫無意義的浪費(fèi)。一般來說，芯片故障的測(cè)試可以選擇以下3種方案，即專用集成電路測(cè)試儀，功能較強(qiáng)，但價(jià)格較貴，不利于普及；邏輯分析儀，操作復(fù)雜，使用不便；自制集成芯片測(cè)試儀，可以依據(jù)個(gè)性化需求定制系統(tǒng)功能，且成本較低，利于推廣。通過比較，選擇第3種方案，即自制集成芯片測(cè)試儀解決實(shí)驗(yàn)室芯片的測(cè)試問題。

根據(jù)多年數(shù)字電路教學(xué)和實(shí)驗(yàn)方面的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生在不熟悉芯片性能，缺乏對(duì)芯片邏輯和時(shí)序關(guān)系的感性認(rèn)識(shí)的前提下，設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)往往會(huì)遇到不少困難，容易挫傷學(xué)習(xí)的信心。因此，在確定集成電路測(cè)試儀功能時(shí)，要求其不僅能完成常規(guī)邏輯和時(shí)序驗(yàn)證功能，而且要具有簡(jiǎn)單的邏輯分析功能，學(xué)生可以自由設(shè)計(jì)激勵(lì)數(shù)據(jù)，通過波形圖觀察相應(yīng)結(jié)果。整個(gè)測(cè)試與分析過程方便、快捷、直觀，學(xué)生在測(cè)試芯片的同時(shí)，可以嘗試各種輸入觀察其邏輯時(shí)序關(guān)系，驗(yàn)證與自己的預(yù)期設(shè)想是否一致，加深對(duì)芯片功能和數(shù)字電路理論的理解。

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由上位機(jī)和測(cè)試控制器兩部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)提供用戶界面，用戶在其上設(shè)置串口，輸入芯片型號(hào)和封裝信息，發(fā)送測(cè)試命令，查看測(cè)試結(jié)果。該界面還提供了數(shù)據(jù)編輯和波形顯示功能。測(cè)試控制器接收上位機(jī)發(fā)來的配置信息，讀取固化其內(nèi)部的測(cè)試矢量或用戶編輯的數(shù)據(jù)，完成測(cè)試任務(wù)，將結(jié)果返回給上位機(jī)。測(cè)試控制器與上位機(jī)間通過USB總線通信，有效避免了傳統(tǒng)RS 232通信方式對(duì)上位機(jī)接口類型的限制，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適用性。

2、測(cè)試控制器設(shè)計(jì)

2．1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路由單片機(jī)、通信電路和芯片接口電路組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．1．1 單片機(jī)

單片機(jī)的主要任務(wù)是通信和測(cè)試控制，是測(cè)試控制器的核心部分，其性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。對(duì)于較復(fù)雜的邏輯，尤其是時(shí)序邏輯，所需的測(cè)試矢量較多，測(cè)試時(shí)間也比較長(zhǎng)，因而存儲(chǔ)空間和處理速度是制約系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。綜合考慮成本和性能因素，選擇STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心。STC12C5A60S2指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快了8～10倍，內(nèi)部FLASH空間達(dá)到60 KB，能很好地滿足本設(shè)計(jì)的需求。

2．1．2 芯片接口電路

集成電路測(cè)試的主要對(duì)象是實(shí)驗(yàn)室常用的74系列芯片。該類型芯片封裝形式有DIP14和DIF16兩種，需要設(shè)計(jì)芯片接口電路解決不同封裝形式的電源和地管腳上電問題。由于不論是DIP14，還是DIP16封裝，其電源和地引腳相對(duì)于芯片的位置都是固定的，因此可將測(cè)試插座的第8腳固定為地，對(duì)不同封裝僅需確定電源管腳的位置。另外，由于故障芯片內(nèi)部有短路的可能，芯片接口單元還要考慮過流保護(hù)問題，以防止短路故障損壞測(cè)試儀硬件。

綜合上述需求，選擇SN754410實(shí)現(xiàn)電源引腳的上電控制，其內(nèi)部邏輯如圖3所示。SN754410是TI公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，輸出電流可達(dá)1A，其4路輸出驅(qū)動(dòng)器分成2組，每組由同1路輸入邏輯控制。每組輸出由1個(gè)使能端控制，具有三態(tài)輸出功能。設(shè)計(jì)中將第1組驅(qū)動(dòng)器的輸出“1Y”接至被測(cè)芯片插座第14腳，第2組驅(qū)動(dòng)器的輸出“3Y”接至第16腳。“1Y”和“3Y”分別由輸入“1A”和“3A”控制。系統(tǒng)空閑時(shí)，單片機(jī)控制2個(gè)使能端均為低，將輸出置為高阻，斷開測(cè)試插座與電源的連接。收到上位機(jī)發(fā)來的封裝信息后，如果是DIP14封裝，則將“1A”置高，置位使能端“1，2EN”，“1Y”輸出為高，給第14腳上電。反之，對(duì)DIP16封裝，將“3A”置高，控制“3Y”為第16腳加電。

對(duì)故障芯片內(nèi)部可能存在的短路情況，系統(tǒng)具備雙重保護(hù)功能，一是與2個(gè)電源管腳串接的限流電阻；二是SN754410自身具有熱保護(hù)功能，當(dāng)電流過大導(dǎo)致溫升超出限度時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，保護(hù)芯片和電源不受損害。

2．1．3 通信電路

單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)傳統(tǒng)上采用RS 232總線通信，但目前很多計(jì)算機(jī)尤其是筆記本電腦已不支持串口。如仍采用RS 232通信方式，則會(huì)給測(cè)試儀的應(yīng)用帶來極大的不便。為提高測(cè)試儀的適用性能，采用FT232設(shè)計(jì)了RS 232與USB的接口，為測(cè)試儀提供了即插即用和熱插拔的良好特性。使用FT232與上位機(jī)連接前，需要事先安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)裝好后會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)虛擬串口，上位機(jī)軟件可通過這個(gè)虛擬串口與測(cè)試儀建立連接。

測(cè)試儀上設(shè)計(jì)了可供選擇的兩路電源接口。一路通過外部穩(wěn)壓電源接入，另一路取自USB接口。一般情況下USB接口可以提供500 mA以下的電流，足夠測(cè)試儀使用，可以免去外接電源。

2．2 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件采用C語言編寫，以便于程序維護(hù)和擴(kuò)展。軟件流程圖如圖4所示。單片機(jī)上電后處于空閑等待狀態(tài)，被測(cè)芯片插座與電源斷開。當(dāng)收到上位機(jī)發(fā)來的測(cè)試命令、芯片型號(hào)和封裝等信息后，首先根據(jù)封裝類型給對(duì)應(yīng)電源管腳上電，再根據(jù)命令類型選擇測(cè)試矢量來源（即決定使用固化的數(shù)據(jù)還是用戶數(shù)據(jù)）。測(cè)試完畢后，如果先前命令是“功能測(cè)試”，僅將判別好壞的結(jié)果返回上位機(jī)，如果是“邏輯分析”，則需將響應(yīng)矢量發(fā)回上位機(jī)，由上位機(jī)根據(jù)響應(yīng)矢量數(shù)據(jù)生成波形圖。

2．3 測(cè)試矢量與響應(yīng)矢量設(shè)計(jì)

測(cè)試矢量和響應(yīng)矢量是測(cè)試操作的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。測(cè)試矢量是欲向芯片管腳施加的激勵(lì)數(shù)據(jù)，響應(yīng)矢量是單片機(jī)從芯片管腳讀回的數(shù)據(jù)。兩者均為16位，與芯片管腳一一對(duì)應(yīng)。測(cè)試矢量的16位數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)于芯片輸入管腳的那些數(shù)據(jù)位是激勵(lì)位，對(duì)應(yīng)于輸出管腳的數(shù)據(jù)位是功能正確時(shí)的響應(yīng)。對(duì)于功能測(cè)試，測(cè)試矢量預(yù)先根據(jù)真值表生成并存于單片機(jī)FLASH中。如果是邏輯分析，測(cè)試矢量由用戶提供。響應(yīng)矢量中僅對(duì)應(yīng)于芯片輸出管腳的那些數(shù)據(jù)位有意義，單片機(jī)通過讀取芯片管腳狀態(tài)獲得響應(yīng)矢量。

一個(gè)完整的測(cè)試過程包含施加測(cè)試矢量、讀取響應(yīng)矢量、響應(yīng)矢量比較3個(gè)步驟。為了簡(jiǎn)化操作，單片機(jī)采用端口讀寫方式，這樣一個(gè)16位的矢量只需2次8位讀或?qū)懖僮骷纯赏瓿?。需要注意的是，響?yīng)矢量與測(cè)試矢量的比較僅對(duì)其中的芯片輸出位有意義，由于程序中采用字節(jié)比較方式，應(yīng)采取措施屏蔽掉輸入位對(duì)比較結(jié)果的影響。針對(duì)這個(gè)問題，設(shè)置了16位的屏蔽矢量，該矢量將對(duì)應(yīng)于芯片輸入管腳的數(shù)據(jù)位置“0”，對(duì)應(yīng)于芯片輸出管腳的數(shù)據(jù)位置“1”。在執(zhí)行比較操作前，先將測(cè)試矢量和響應(yīng)矢量分別與屏蔽矢量進(jìn)行位與后再比較，從而消除了輸入位對(duì)比較結(jié)果的影響。屏蔽輸入位的流程如圖5所示。

3、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件提供了一個(gè)操作友好的人機(jī)界面，使用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)。LabVIEW是圖形化編程工具，內(nèi)置有各種儀器驅(qū)動(dòng)程序和操作面板控件，非常適合測(cè)試與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用LabVIEW開發(fā)上位機(jī)軟件需要重點(diǎn)解決2個(gè)問題：一是通信功能的實(shí)現(xiàn)；二是測(cè)試數(shù)據(jù)編輯和波形顯示的實(shí)現(xiàn)。

LabVIEW中實(shí)現(xiàn)串行通信十分方便，僅需調(diào)用串口配置、串口寫、串口讀等函數(shù)，對(duì)函數(shù)參數(shù)簡(jiǎn)單設(shè)置即可，整個(gè)過程完全圖形化操作，簡(jiǎn)便快捷。測(cè)試數(shù)據(jù)編輯和波形圖顯示是本設(shè)計(jì)的一個(gè)特色，利用LabVIEW中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（Digital Data）和數(shù)字波形圖（Digital Wave Gragh）控件可以十分容易地實(shí)現(xiàn)這2個(gè)功能。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)控件類似于一張真值表，用戶可以任意添加和刪除數(shù)據(jù)。數(shù)字波形圖將測(cè)試響應(yīng)以圖形的方式直觀顯示出來，橫軸代表時(shí)間，縱軸代表信號(hào)，不同信號(hào)配以不同的顏色，便于識(shí)別與分析。開發(fā)的軟件界面如圖6所示。軟件包括功能測(cè)試和邏輯分析2部分。功能測(cè)試位于界面左側(cè)，用于快速判別芯片有無故障，用戶僅需設(shè)置好芯片型號(hào)、封裝類型、串口號(hào)等參數(shù)，按下“開始測(cè)試”按鈕啟動(dòng)測(cè)試。如果功能正常，則會(huì)顯示綠燈表明測(cè)試結(jié)果正確。反之顯示紅燈，指示芯片故障。界面右側(cè)是邏輯分析部分，用戶預(yù)先在數(shù)據(jù)窗口中編輯好測(cè)試向量，按下“發(fā)送數(shù)據(jù)”按鈕啟動(dòng)測(cè)試，待測(cè)試完成后即可看到用波形圖顯示的響應(yīng)結(jié)果。

4、結(jié)語

本設(shè)計(jì)利用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)和單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)性價(jià)比良好，界面美觀，操作方便，體積小巧的集成電路測(cè)試分板儀。該儀器在傳統(tǒng)功能測(cè)試的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)展，增加了芯片邏輯分析功能，并輔以波形圖的直觀顯示方式。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)功能正確，運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求，為數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理提供了有力工具，具有良好的推廣與應(yīng)用價(jià)值。責(zé)任編輯：gt