引言

在高校電子類專業實驗教學中，數字集成電路的使用十分頻繁。學生每年在實驗、課程設計和課外創新等實踐活動中，需要使用大量的數字集成芯片，用以完成各種實驗和設計任務。每次實驗用過的芯片，只要未受損壞，原則上是可以再利用的，可以節省不少的實驗成本。為使芯片能夠重復使用，需要有效的工具檢測芯片的好壞，因為故障芯片會給電路調試造成很大的麻煩，導致時間和精力上毫無意義的浪費。一般來說，芯片故障的測試可以選擇以下3種方案，即專用集成電路測試儀，功能較強，但價格較貴，不利于普及；邏輯分析儀，操作復雜，使用不便；自制集成芯片測試儀，可以依據個性化需求定制系統功能，且成本較低，利于推廣。通過比較，選擇第3種方案，即自制集成芯片測試儀解決實驗室芯片的測試問題。

根據多年數字電路教學和實驗方面的經驗，學生在不熟悉芯片性能，缺乏對芯片邏輯和時序關系的感性認識的前提下，設計和調試時往往會遇到不少困難，容易挫傷學習的信心。因此，在確定集成電路測試儀功能時，要求其不僅能完成常規邏輯和時序驗證功能，而且要具有簡單的邏輯分析功能，學生可以自由設計激勵數據，通過波形圖觀察相應結果。整個測試與分析過程方便、快捷、直觀，學生在測試芯片的同時，可以嘗試各種輸入觀察其邏輯時序關系，驗證與自己的預期設想是否一致，加深對芯片功能和數字電路理論的理解。

1、系統結構

系統由上位機和測試控制器兩部分組成，結構如圖1所示。上位機提供用戶界面，用戶在其上設置串口，輸入芯片型號和封裝信息，發送測試命令，查看測試結果。該界面還提供了數據編輯和波形顯示功能。測試控制器接收上位機發來的配置信息，讀取固化其內部的測試矢量或用戶編輯的數據，完成測試任務，將結果返回給上位機。測試控制器與上位機間通過USB總線通信，有效避免了傳統RS 232通信方式對上位機接口類型的限制，使系統具有更強的適用性。

2、測試控制器設計

2．1 硬件電路設計

硬件電路由單片機、通信電路和芯片接口電路組成，結構如圖2所示。

2．1．1 單片機

單片機的主要任務是通信和測試控制，是測試控制器的核心部分，其性能優劣對整個系統有著至關重要的影響。對于較復雜的邏輯，尤其是時序邏輯，所需的測試矢量較多，測試時間也比較長，因而存儲空間和處理速度是制約系統性能的關鍵因素。綜合考慮成本和性能因素，選擇STC12C5A60S2單片機作為控制核心。STC12C5A60S2指令代碼完全兼容傳統的8051，但速度快了8～10倍，內部FLASH空間達到60 KB，能很好地滿足本設計的需求。

2．1．2 芯片接口電路

集成電路測試的主要對象是實驗室常用的74系列芯片。該類型芯片封裝形式有DIP14和DIF16兩種，需要設計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于芯片的位置都是固定的，因此可將測試插座的第8腳固定為地，對不同封裝僅需確定電源管腳的位置。另外，由于故障芯片內部有短路的可能，芯片接口單元還要考慮過流保護問題，以防止短路故障損壞測試儀硬件。

綜合上述需求，選擇SN754410實現電源引腳的上電控制，其內部邏輯如圖3所示。SN754410是TI公司的電機驅動芯片，輸出電流可達1A，其4路輸出驅動器分成2組，每組由同1路輸入邏輯控制。每組輸出由1個使能端控制，具有三態輸出功能。設計中將第1組驅動器的輸出“1Y”接至被測芯片插座第14腳，第2組驅動器的輸出“3Y”接至第16腳。“1Y”和“3Y”分別由輸入“1A”和“3A”控制。系統空閑時，單片機控制2個使能端均為低，將輸出置為高阻，斷開測試插座與電源的連接。收到上位機發來的封裝信息后，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DIP16封裝，將“3A”置高，控制“3Y”為第16腳加電。

對故障芯片內部可能存在的短路情況，系統具備雙重保護功能，一是與2個電源管腳串接的限流電阻；二是SN754410自身具有熱保護功能，當電流過大導致溫升超出限度時會自動關斷，保護芯片和電源不受損害。

2．1．3 通信電路

單片機系統與上位機傳統上采用RS 232總線通信，但目前很多計算機尤其是筆記本電腦已不支持串口。如仍采用RS 232通信方式，則會給測試儀的應用帶來極大的不便。為提高測試儀的適用性能，采用FT232設計了RS 232與USB的接口，為測試儀提供了即插即用和熱插拔的良好特性。使用FT232與上位機連接前，需要事先安裝相應的驅動程序。驅動裝好后會在系統中產生一個虛擬串口，上位機軟件可通過這個虛擬串口與測試儀建立連接。

測試儀上設計了可供選擇的兩路電源接口。一路通過外部穩壓電源接入，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，足夠測試儀使用，可以免去外接電源。

2．2 測試軟件設計

單片機軟件采用C語言編寫，以便于程序維護和擴展。軟件流程圖如圖4所示。單片機上電后處于空閑等待狀態，被測芯片插座與電源斷開。當收到上位機發來的測試命令、芯片型號和封裝等信息后，首先根據封裝類型給對應電源管腳上電，再根據命令類型選擇測試矢量來源（即決定使用固化的數據還是用戶數據）。測試完畢后，如果先前命令是“功能測試”，僅將判別好壞的結果返回上位機，如果是“邏輯分析”，則需將響應矢量發回上位機，由上位機根據響應矢量數據生成波形圖。

2．3 測試矢量與響應矢量設計

測試矢量和響應矢量是測試操作的基本數據結構。測試矢量是欲向芯片管腳施加的激勵數據，響應矢量是單片機從芯片管腳讀回的數據。兩者均為16位，與芯片管腳一一對應。測試矢量的16位數據中對應于芯片輸入管腳的那些數據位是激勵位，對應于輸出管腳的數據位是功能正確時的響應。對于功能測試，測試矢量預先根據真值表生成并存于單片機FLASH中。如果是邏輯分析，測試矢量由用戶提供。響應矢量中僅對應于芯片輸出管腳的那些數據位有意義，單片機通過讀取芯片管腳狀態獲得響應矢量。

一個完整的測試過程包含施加測試矢量、讀取響應矢量、響應矢量比較3個步驟。為了簡化操作，單片機采用端口讀寫方式，這樣一個16位的矢量只需2次8位讀或寫操作即可完成。需要注意的是，響應矢量與測試矢量的比較僅對其中的芯片輸出位有意義，由于程序中采用字節比較方式，應采取措施屏蔽掉輸入位對比較結果的影響。針對這個問題，設置了16位的屏蔽矢量，該矢量將對應于芯片輸入管腳的數據位置“0”，對應于芯片輸出管腳的數據位置“1”。在執行比較操作前，先將測試矢量和響應矢量分別與屏蔽矢量進行位與后再比較，從而消除了輸入位對比較結果的影響。屏蔽輸入位的流程如圖5所示。

3、上位機軟件設計

上位機軟件提供了一個操作友好的人機界面，使用LabVIEW平臺開發。LabVIEW是圖形化編程工具，內置有各種儀器驅動程序和操作面板控件，非常適合測試與控制系統的設計。利用LabVIEW開發上位機軟件需要重點解決2個問題：一是通信功能的實現；二是測試數據編輯和波形顯示的實現。

LabVIEW中實現串行通信十分方便，僅需調用串口配置、串口寫、串口讀等函數，對函數參數簡單設置即可，整個過程完全圖形化操作，簡便快捷。測試數據編輯和波形圖顯示是本設計的一個特色，利用LabVIEW中的數字數據（Digital Data）和數字波形圖（Digital Wave Gragh）控件可以十分容易地實現這2個功能。數字數據控件類似于一張真值表，用戶可以任意添加和刪除數據。數字波形圖將測試響應以圖形的方式直觀顯示出來，橫軸代表時間，縱軸代表信號，不同信號配以不同的顏色，便于識別與分析。開發的軟件界面如圖6所示。軟件包括功能測試和邏輯分析2部分。功能測試位于界面左側，用于快速判別芯片有無故障，用戶僅需設置好芯片型號、封裝類型、串口號等參數，按下“開始測試”按鈕啟動測試。如果功能正常，則會顯示綠燈表明測試結果正確。反之顯示紅燈，指示芯片故障。界面右側是邏輯分析部分，用戶預先在數據窗口中編輯好測試向量，按下“發送數據”按鈕啟動測試，待測試完成后即可看到用波形圖顯示的響應結果。

4、結語

本設計利用LabVIEW開發平臺和單片機系統，實現了一個性價比良好，界面美觀，操作方便，體積小巧的集成電路測試分板儀。該儀器在傳統功能測試的基礎上加以擴展，增加了芯片邏輯分析功能，并輔以波形圖的直觀顯示方式。經測試，系統功能正確，運行穩定，各項指標均達到要求，為數字電路實驗教學和管理提供了有力工具，具有良好的推廣與應用價值。責任編輯：gt