簡易數(shù)字集成電路測試儀的設計與實現(xiàn)畢業(yè)論文.doc

本科畢業(yè)設計論文題 目 簡易數(shù)字集成電路測試儀的設計與實現(xiàn) 所 在 系 電氣與信息工程系 專 業(yè) 電子信息工程 班 級 電 信 xxx 學號 xxxxxxxx 學生姓名 xx xx xx 指導教師 xx xx xx 2010年6月摘 要摘 要隨著數(shù)字集成電路日益廣泛的應用，其相關的測試技術也顯得愈發(fā)重要。為了保證數(shù)字集成電路的功能和性能參數(shù)符合技術要求，在集成電路的設計驗證、產(chǎn)品檢驗以及現(xiàn)場維護等方面都需要對集成電路進行測試。而測試設備是必不可少的工具，因此研究它們的測試技術和開發(fā)測試設備具有重要的意義。本文所設計的集成電路測試儀采用MCS-51單片機為核心，構建數(shù)字集成電路的測試儀器，該儀器能夠通過單片機程序對數(shù)字集成芯片插座進行控制和測試，可以完成對TTL74/54、CMOS4000/4500系列芯片的測試。測試儀使用了串口通信方式的LCD漢字液晶顯示器，以便節(jié)省出更多的單片機接口供測試更多管腳的集成電路。針對不同型號的集成電路Vcc和GND位置不同，在電路中使用了P溝道CMOS管來作為Vcc切換開關。測試儀設計了總線標準接口RS-232，能夠實現(xiàn)與PC機的聯(lián)機。通過對大量的TTL、CMOS集成電路的分析，建立了測試數(shù)據(jù)庫。通過編寫測試程序，最終以速度快、準確率高的測試結果實現(xiàn)了測試TTL74/54、CMOS4000/4500系列芯片的任務。 論文第一章闡述此次設計的背景及意義、國內(nèi)外數(shù)字電路測試系統(tǒng)現(xiàn)狀、本文要解決的主要問題。第二章對系統(tǒng)總體方案進行描述。第三章詳細說明整個硬件系統(tǒng)的構成。第四章主要說明軟件測試的實現(xiàn)。第五章敘述測試結果。通過對實驗電路和程序進行測試和試運行，結果證明達到了設計要求。以MCS-51單片機為核心的數(shù)字集成電路測試儀，硬件電路簡單可靠，軟件測試精確快速。并且具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點。 關鍵詞：數(shù)字集成電路，功能測試，MCS-51單片機，LCDIABSTRACTABSTRACTWith the increasingly widespread application of digital integrated circuits, the related testing technology becomes increasingly important. To ensure the functions of digital integrated circuits and performance parameters meet the technical requirements, in integrated circuit design verification, product testing and on-site maintenance and other aspects need to test integrated circuits. The test equipment is essential to tools, test technology research and development of their test equipment is of great significance. This integrated circuit tester designed by MCS-51 microcontroller core, build digital integrated circuit testing equipment, the equipment is able to process the digital single chip control IC sockets and test, to be completed on TTL74/54, CMOS4000/4500 series of chip testing. Tester uses serial communication method character liquid crystal display LCD to save more of the MCU interface pins of the integrated circuit for testing more. Different types of IC GND and VCC different positions, the circuit used in the P-channel CMOS tube as the Vcc switch. Tester designed bus standard interface RS-232, can be achieved with PC-Online. Through a large number of TTL, CMOS integrated circuits analysis, the test database. By writing test procedures, which will eventually speed, high accuracy test results to achieve the test TTL74/54, CMOS4000/4500 series chip task. The first chapter described the background and significance of this design, digital circuit test system at home and abroad, this paper to solve the main problem. The second chapter describes the overall programs of the system. The third chapter details the composition of the entire hardware system. Fourth chapter explains the implementation of software testing. Chapter V describes the test results. Through the experimental circuit and procedures for testing and trial operation, the results prove to the design requirements. With MCS-51 microcontroller as the core digital IC tester, the hardware circuit is simple and reliable, precise and rapid software testing. And small size, light weight and low cost. KEY WORDS: Digital IC,Functional test, MCS-51 single-chip microcomputer,LCDIII目 錄目 錄摘 要IABSTRACTIII1 緒論11.1 課題的研究背景及意義11.2 國內(nèi)外數(shù)字電路測試系統(tǒng)現(xiàn)狀11.3 本設計所要解決的主要問題31.4 研究內(nèi)容和章節(jié)安排32 測試儀的總體方案52.1 測試儀的方案選擇52.2 總體方案構成62.3 硬件組成72.4 軟件任務73 硬件系統(tǒng)設計93.1 單片機外圍電路設計93.1.1 單片機MCS-5193.1.2 時鐘電路的設計103.1.3 復位電路的設計123.2 LCD液晶顯示電路的設計143.2.1 液晶顯示模塊的要求及選擇143.2.2 液晶顯示電路的設計163.3 鍵盤電路的設計183.4 PC機與單片機串行通信通道的設計203.4.2 單片機與PC串行通信的實現(xiàn)203.4.1 TTL/RS-232電平轉換及其接口電路213.5 20管腳測試芯片插座電路224 軟件系統(tǒng)設計254.1 方案選擇254.2 軟件主程序流程圖254.3 LCM12232液晶顯示電路和鍵盤電路的軟件設計264.4 測試模塊的軟件設計325 PCB板的設計與系統(tǒng)的調試355.1 PROTEL99SE的介紹與PCB板的設計355.2 系統(tǒng)調試365.2.1 調試系統(tǒng)的介紹365.2.2 調試結果366 設計總結39致 謝41參考文獻43V緒論1 緒論1.1 課題的研究背景及意義集成電路是二十世紀發(fā)展起來的新型高技術產(chǎn)業(yè)之一，也是二十一世紀全面進入信息化社會的必要前提和基礎。自1958年德克薩斯儀器公司制造出第一款集成電路以來，集成電路產(chǎn)業(yè)一直保持著驚人的發(fā)展速度，在數(shù)字化，信息化時代的今天，數(shù)字集成電路的發(fā)展以及應用顯得尤為引人注目。從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路，發(fā)展到當今市場主流的專用集成電路，乃至現(xiàn)處于飛速發(fā)展階段的系統(tǒng)及芯片，數(shù)字集成電路始終沿著速度更快、集成度更高、規(guī)模更大的方向不斷發(fā)展。到目前為止，集成電路仍然基本上遵循著摩爾定律發(fā)展，即集成度幾乎每18個月增長一倍。隨著集成規(guī)模的進一步擴大，集成電路的應用領域日益擴大，無論是在軍事方面的高科技應用，還是在人們?nèi)粘Ｉ罘矫娴钠胀☉茫瑪?shù)字集成電路都發(fā)揮著舉足輕重的作用，因此，數(shù)字集成電路的可靠性顯得越來越重要。為了保證數(shù)字集成電路的功能和性能參數(shù)符合技術要求，發(fā)揮其在整個電路系統(tǒng)中的重要作用，在集成電路的設計驗證、產(chǎn)品檢驗以及現(xiàn)場維護等方面都需要對集成電路進行測試，測試技術已經(jīng)成為謀求集成電路生存與發(fā)展的一門支撐技術。無論是元件還是電路和系統(tǒng)，由于制造工藝的限制、使用壽命以及工作條件等影響，故障的產(chǎn)生是不可避免的，所以數(shù)字集成電路的測試便成為亟需解決的問題。尤其是在教學過程中，學生要熟悉并掌握某些型號集成電路芯片的邏輯功能及使用方法，就必須要反復進行實驗，在經(jīng)過大量的實驗以后，芯片肯定會由于各種原因而產(chǎn)生故障，若是更換新的芯片，會過于浪費，因此這勢必會成為教學過程中的障礙。本論文將設計一種簡易測試集成電路芯片的儀器，根據(jù)其邏輯功能的真值表，測試其功能，判斷其是否能正常工作，據(jù)此還可進行對已損壞芯片進行維修。這不僅能解決集成電路芯片教學過程中的有關問題，節(jié)約成本，更能在測試過程中使學生更加深刻了解集成電路相關知識。1.2 國內(nèi)外數(shù)字電路測試系統(tǒng)現(xiàn)狀目前有兩種集成電路測試系統(tǒng)，一種是整板測試，稱板級測試系統(tǒng)。另一種是對單個芯片測試稱芯片級測試系統(tǒng)。電路板的測試可分為帶微處理器的電路板的測試和不帶微處理器的電路板的測試，即CPU板和普通電路板的測試。芯片級測試又分在線測試和離線測試。所謂在線測試是指對焊接在電路板上的各種芯片做邏輯測試和故障診斷；而離線測試是對脫離電路板的芯片進行測試和故障判斷。在單個芯片測試系統(tǒng)中，有專門用來測試芯片的儀器，此類儀器設計較為復雜，技術含量高，操作也要求比較專業(yè)。另一種測試系統(tǒng)是在使用過程中將測試芯片作為輔助功能的。目前國內(nèi)有一款儀器就屬于這種類型，它是南京西爾特公司生產(chǎn)的型號為SUPERPRO/3000U的通用編程器，如圖1-1所示。編程器是一個把可編程的集成電路寫上數(shù)據(jù)的工具,編程器主要用于單片機（含嵌入式）/存儲器(含BIOS)之類的芯片的編程（或稱刷寫）。 圖1-1 SUPERPRO/3000U的通用編程器基本配置48腳萬能驅動電路。所選購的適配器都是通用的（插在DIP48鎖緊座上）,即支持同封裝所有類型器件,48腳及以下DIP器件無需適配器直接支持。在主機上以PEP3000驅動擴展器替換標準DIP48驅動模塊后萬能驅動電路路數(shù)達到100,則直至100腳的器件均可使用通用適配器（有些器件也可選用專用適配器,直接插在DIP48插座上,則無需換裝PEP3000）。通用適配器保證快速新器件支持。I/O電平由DAC控制,直接支持低達1.5V的低壓器件。更先進的波形驅動電路極大抑制工作噪聲,配合IC廠家認證的算法,無論是低電壓器件、二手器件還是低品質器件均能保證極高的編程良品率。編程結果可選擇高低雙電壓校驗,保證結果持久穩(wěn)固。在其編寫程序的主要功能的基礎上，還可測試SRAM、標準TTL/COMS電路,并能自動判斷型號。通過向被測芯片發(fā)送信號檢驗其輸出電平，再根據(jù)事先存入資源庫的芯片邏輯功能真值表來判斷其型號。SUPERPRO/3000U通用編程器另外一個重要特點是具有管腳接觸不良檢測功能。平時鎖緊座處于懸空狀態(tài)，放入任何IC都不會因為原有的電壓造成短路或者燒壞IC。當進行編程等操作時，通用編程器首先采用獨特的專用總線，利用微弱的信號檢測管腳接觸狀況。只有接觸良好才施加所需電壓，并且判斷器件的ID代碼，只有ID代碼正確后才進行編程操作；如果接觸不良，立刻連續(xù)圖形顯示接觸不良狀況（UP-48系列產(chǎn)品特有的功能），直到接觸良好才進行操作。在圖形顯示器件接觸不良的時候，可以形象的看到器件每一個管腳的接觸狀況。特別是器件有一些管腳處于接觸良好與接觸不良之間的狀態(tài)，如果不用連續(xù)的圖形顯示，例如僅僅一次的數(shù)字顯示，是不能很好地發(fā)現(xiàn)問題的，UP-48遇到這種情況，與管腳相應的圖形會不斷閃爍，并提示“接觸不良”字樣。同時通用編程器特有的管腳接觸不良檢測功能，有效防止了因為器件放反、部分管腳短路、接觸不良等原因所造成的損失。1.3 本設計所要解決的主要問題本測試儀屬于芯片級數(shù)字集成電路邏輯功能測試系統(tǒng)，主要采用功能驗證測試法產(chǎn)生測試矢量，離線完成20腳以下TTL74/54，COMS4000/4500等系列芯片的測試。為此，在本文中要解決的問題主要有：(1)測試自動化，20腳測試插座固定，測試范圍不受被測器件的輸入、輸出、電源和地的位置的限制。(2)同型號大批量器件測試簡捷方便，效率很高。(3)能測試TTL74/54、COMS4000/4500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)整機電源電壓為+5V，供電方式為直流穩(wěn)壓電源。(6)可脫機工作，攜帶方便，輕巧美觀。綜上所述，我們將從測試系統(tǒng)工作原理出發(fā)，借鑒一些成熟的經(jīng)驗，查閱了大量的資料，經(jīng)過分析比較，確立了總體方案和構建硬件系統(tǒng)；通過對大量TTL、CMOS集成電路的統(tǒng)計和分析，利用功能驗證測試算法建立了測試數(shù)據(jù)庫，編制了測試程序，最終完成整個儀器的設計。1.4 研究內(nèi)容和章節(jié)安排在本論文中，研究的主要內(nèi)容有四個方面：一是單片機測試平臺的構成；二是單片機與PC機的串行通信的實現(xiàn)；三是測試數(shù)據(jù)庫的建立；四是測試系統(tǒng)軟件的編制及調試。具體章節(jié)按排如下：第1章將從課題的研究背景及意義、國內(nèi)外數(shù)字電路測試系統(tǒng)現(xiàn)狀、本文要解決的主要問題、研究內(nèi)容和章節(jié)安排四個方面入手，對本課題的目的、價值、方法、結果做以簡單的說明介紹。第2章主要完成對系統(tǒng)總體的描述，先交待系統(tǒng)的任務和性能指標，然后闡述系統(tǒng)總體方案的確定、測試過程及原理，最后對硬件、軟件進行分工。第3章詳細說明整個硬件系統(tǒng)的構建思想、選擇原則、每一環(huán)節(jié)的具體實現(xiàn)方法、手段及所采用的部件的功能、性能、使用方法。主要從以下三個部分進行說明。第一部分是以單片機為核心的測試平臺。該測試平臺主要由中心控制單元單片機、IC電源自動控制電路、接口電路、外設單元和電源組成。第二部分是PC機與單片機串行通信通道的建立。通道主要由串行總線接口、電平轉換電路組成。第三部分是20管腳測試芯片插座。為了使測試范圍不受被測器件的輸入、輸出、電源和地的位置的限制，實現(xiàn)測試自動化。第4章主要闡述測試數(shù)據(jù)庫的建立思想、建立方法、構成及測試流程、測試程序的分析及實現(xiàn)。第5章敘述測試結果，并展望IC測試技術的未來發(fā)展趨勢，再對該測試儀的不足之處加以改進。第6章對在整個設計過程中給予作者很大幫助的老師、同學及朋友致以崇高的敬意，感謝他們所提出的寶貴建議?？傊ㄟ^以上六個方面的闡述說明，將科學地對本測試儀的組成、測試原理及各部分的任務及執(zhí)行過程進行描述，使讀者對該測試儀有一個清晰全面的識。3測試儀的總體方案2 測試儀的總體方案2.1 測試儀的方案選擇目前所用的測試集成電路芯片的方法有很多，常用的簡易測試方法有以下幾種：1、電壓測量法主要是測出各引腳對地的直流工作電壓值；然后與標稱值相比較，依此來判斷集成電路的好壞。用電壓測量法來判斷集成電路的好壞是檢修中最常采用的方法之一，但要注意區(qū)別非故障性的電壓誤差。2、在線直流電阻普測法這一方法是在發(fā)現(xiàn)引腳電壓異常后，通過測試集成電路的外圍元器件好壞來判定集成電路是否損壞.。由于是斷電情況下測定阻值，所以比較安全，并可以在沒有資料和數(shù)據(jù)而且不必要了解其工作原理的情況下，對集成電路的外圍電路進行在線檢查，在相關的外圍電路中，以快速的方法對外圍元器件進行一次測量，以確定是否存在較明顯的故障。3、電流流向跟蹤電壓測量法此方法是根據(jù)集成電路內(nèi)部的外圍元件所構成的電路，并參考供電電壓，即主要測試點的已知電壓進行各點電位的計算或估算，然后對照所測電壓電否符合，來判斷集成塊的好壞，本方法必須具備完整的集成塊內(nèi)部電路圖和外圍電路原理圖。4、在線直流電阻測量對比法此方法是利用萬用表測量待查集成電路各引腳對地正反向直流電阻值與正常數(shù)據(jù)進行對照來判斷好壞。這一方法需要積累同一機型同型號集成電路的正常可靠數(shù)據(jù)，以便和待查數(shù)據(jù)相對比。5、非在線數(shù)據(jù)與在線數(shù)據(jù)對比法所謂非在線數(shù)據(jù)是指集成電路未與外圍電路連接時，所測得的各引腳對應于地腳的正反向電阻值。非有線數(shù)據(jù)通用性強，可以對不同機型、不同電路、集成電路型號相同的電路作對比。本設計方案要實現(xiàn)對已知型號20腳以內(nèi)的TTL系列、CMOS系列雙列直插封裝數(shù)字集成電路邏輯功能的自動測試。然而，上述幾種方法都不能較好達到要求。因此，本設計采用了以單片機為核心的自動測試方案，能較好地完成測試任務。測試儀的基本工作原理是：首先將待測芯片插好，然后通過鍵盤選擇被測芯片的型號，再啟動確定鍵，由監(jiān)控測試程序分時分組送出被測芯片的測試集，并對測試結果數(shù)據(jù)進行分析處理之后通過LCD顯示出來。好的芯片顯示“正確”，壞的芯片顯示“錯誤”。若需要了解某種型號芯片的邏輯功能時，可以進入查閱模式，通過鍵盤選擇所要查閱的芯片，其邏輯功能也會通過LCD顯示出來。如果測試系統(tǒng)與PC機連機工作，則通過串行通信，可以在PC機上對新增IC進行編程，并將數(shù)據(jù)存入程序庫中。這樣，根據(jù)集成電路的發(fā)展及時改變測試數(shù)據(jù)庫，可以滿足更多的芯片測試，最大限度地擴大測試范圍，滿足不同使用者的各種需要。2.2 總體方案構成 根據(jù)測試系統(tǒng)要完成的任務和技術指標的要求，從測試系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，構建該系統(tǒng)的總體方案如圖2-1所示。該自動測試儀的硬件主要是建立測試平臺和通信網(wǎng)絡，因此，應選擇單片機作為電路核心，通過可編程I/O接口與20管腳集成芯片插座相連。由于不同型號芯片的電源和地端的管腳位置不同，所以對20管腳集成芯片插座要進行電源和地端的自動控制，可將地端固定，只改變電源端位置，為測試各種集成芯片提供硬件基礎。因為待測芯片的型號不同，調動的測試集不同，這就需要由鍵盤選擇芯片的型號和啟動確定鍵下達測試命令，同時要比較詳細的顯示芯片內(nèi)某個門或管腳的測試結果，為此就必須配置相應的鍵盤和LCD顯示器。另外，該系統(tǒng)要與PC機連機工作，需通過串行總線口進行通信但因串行總線接口的電平與微處理器的邏輯電平不一致，必須使用邏輯電平轉換芯片來完成電平的轉換任務。圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖2.3 硬件組成根據(jù)測試系統(tǒng)的總體方案可知，系統(tǒng)的硬件組成主要有三部分。第一部分是以單片機為核心的測試平臺。該測試平臺主要由中心控制單元單片機、鍵盤控制電路、IC電源自動控制電路、接口電路、LCD顯示電路組成。第二部分是PC機與單片機串行通信通道的建立。通道主要由串行總線接口、電平轉換電路組成。第三部分是20管腳測試芯片插座。為了使測試范圍不受被測器件的輸入、輸出、電源和地的位置的限制，實現(xiàn)測試自動化。2.4 軟件任務該系統(tǒng)軟件要完成的任務是：1、測試數(shù)據(jù)庫。根據(jù)集成電路器件手冊上芯片的真值表建立被測芯片的測試碼數(shù)據(jù)集。2、主要完成對已知型號芯片的測試及與PC機的通信。當有芯片需要測試時，通過測試電路對被測芯片的施加測試碼信號，每施加一組測試碼就測回一組芯片的輸出狀態(tài)，一直到該芯片的測試碼集施加完為止，然后根據(jù)電路響應值進行分析、判斷和處理，且把測試結果顯示出來。測試系統(tǒng)與PC機連機工作，則通過串行通信，可以在PC機上對新增IC進行編程，并將數(shù)據(jù)存入程序庫中，而且可以根據(jù)需要隨時更改測試程序，以提高測試速度和效率。7硬件系統(tǒng)設計3 硬件系統(tǒng)設計3.1 單片機外圍電路設計單片機構成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)，且應用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。還具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)。在電路中采用多支可編程I/O接口與測試插座相連，由于所用插座為雙排20管腳，所測試的IC芯片管腳不盡相同，而電路設計時的插座引腳一經(jīng)接好就不能變動，為了保證每一芯片都能在設計好的20管腳芯片插座上進行測試，并且芯片的地端位置都相同，因此，將地端引腳固定，改變電源引腳的位置來適應不同型號的芯片。為了保證單片機輸出的信息能更有效的傳送到被測IC芯片的輸入端，同時還要保證單片機能因被測IC芯片的型號不同而有效更改輸入輸出引腳的位置，因此只有使用可編程接口芯片才能完成這一功能。單片機的40個接口除了要與插座相連之外，還要控制鍵盤電路和顯示器，若顯示器采用并行通信方式，單片機的接口顯然是不夠用的，為了解決這一問題，于是就采用了LCD的串行通信方式，只需用單片機的3個接口即可控制。具體設計方案如下。3.1.1 單片機MCS-51 MCS-51是指由美國INTEL公司生產(chǎn)的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括了好些品種，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等。MCS-51含有豐富的硬件資源，提供靈活、高效、多方面的控制應用。內(nèi)部集成有8位CPU，片內(nèi)振蕩電路，4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、21個特殊功能寄存器，32個I/O通道、可尋址各64K的外部數(shù)據(jù)、程序存儲器空間，兩個16位定時器計數(shù)器，5個中斷源、兩個優(yōu)先級結構以及1個全雙工串行接口，有專用位處理機功能，適于布爾處理。現(xiàn)在分別加以說明：中央處理器： 中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協(xié)調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器(RAM) 內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。程序存儲器(ROM)：共有4096個8位ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時/計數(shù)器(ROM)：有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉向。并行輸入輸出(I/O)口：共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串口中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。MCS-51共有4個I/O口，在本測試系統(tǒng)中分配如下：1. P0.0P0.3連接鍵盤，P0.4P0.6連接LCD的控制端。其中，P0.4接CLK，P0.5接SID，P0.6接CS。2. P1.0P1.7和P2.0P2.7這16個接口連接插座，用于測試時的信號傳送。3. P3.4和P3.5通過兩個P溝道MOS管接到插座其余的兩個管腳，而P3.6和P3.7則直接接到這兩個管腳。P3.4P3.7這四個接口用于控制測試芯片時電源端的切換。4. RXD和TXD用于連接MAX232，控制串口，與PC機進行通信。XTAL1 和XTAL2連接外部時鐘震蕩電路。3.1.2 時鐘電路的設計單片機雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。MCS-51的時鐘產(chǎn)生有兩種形式：內(nèi)部電路震蕩方式和外部時鐘輸入方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。圖中，電容器C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在5-30pF。晶振頻率的典型值為11.0592MHz，采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘情號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖3-1所示。圖3-1 內(nèi)部振蕩方式外部振蕩方式是把外部已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。這種方式適宜用來使單片機的時鐘與外部信號保持同步。由圖可見，外部振蕩信號由XTAL2引入，XTAL1接地。為了提高輸入電路的驅勸能力，通常使外部信號經(jīng)過一個帶有上拉電阻的TTL反相門后接入XTAL2。外部振蕩方式的外部電路如圖3-2所示。圖3-2 外部振蕩方式該系統(tǒng)采用的是內(nèi)部震蕩方式。MCS-51中有一個用于構成內(nèi)部震蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1、C2雖沒有嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容30pF+10pF，而使用陶瓷諧振器推薦電容40pF+10pF。本文采用11.0592MHz晶振和30pF電容，在MCS-51引腳XTALl和XTAL2外接晶體和電容后，與其內(nèi)部高增益反相放大器一起構成了自激振蕩器，在MCS-51內(nèi)部產(chǎn)生了時鐘。3.1.3 復位電路的設計無論用戶使用哪種類型的單片機,總要涉及到單片機復位電路的設計。而單片機復位電路設計的好壞,直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設計完單片機系統(tǒng),并在實驗室調試成功后,在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象,這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。單片機系統(tǒng)的基本復位方式有：上電復位和手動按鈕復位。 1.上電復位一般的MCS-51的上電復位電路如圖3-3所示，只要在RST復位輸入引腳上接一電容至Vcc端，下接一個電阻到地即可。對于CMOS型單片機，由于在RST端內(nèi)部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至1F。上電復位的工作過程是在加電時，復位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著Vcc對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位，RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時，Vcc的上升時間約為10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為10MHz，起振時間為1ms；晶振頻率為1MHz，起振時間則為10ms。在圖3-3的復位電路中，當Vcc掉電時，必然會使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位，則程序計數(shù)器PC將得不到一個合適的初值，因此，CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。圖3-3 上電復位2.手動按鈕復位手動按鈕復位需要人為在RST端施加大于兩個機器周期（24個振蕩周期）的高電平，使單片機完成內(nèi)部的復位工作。一般采用的方法是在RST端和電源Vcc之間接一個按鈕。本設計采用的是手動復位，電路如圖3-4所示。當不按按鍵時，電容處于充電狀態(tài)，當人為地按下按鍵時，電容開始放電，與200歐姆的電阻組成一個RC回路，整個過程產(chǎn)生一個高電平脈沖，這個脈沖遠大于兩個機器周期，因此，人的動作再快也會使按鍵保持接通達數(shù)十毫秒，完全能夠滿足復位的時間要求。R6是為了保證按鍵按下后RST端為高電平。圖3-4 手動按鈕復位3.2 LCD液晶顯示電路的設計3.2.1 液晶顯示模塊的要求及選擇液晶顯示模塊目前很多電子設備必不可少的重要組成部分，它是實現(xiàn)人機對話的重要平臺。液晶顯示器的種類有很多，常用的有LCD1602和LCD12864。LCD1602功耗低、體積小、使用方便，但是只能顯示數(shù)字和大小寫字母，不能滿足本設計要求；LCD12864顯示功能強大，既能顯示漢字，又能夠顯示圖形，并且一次可顯示較多漢字與圖形，從這一點上講，LCD12864非常適合本次設計。然而，此顯示器由兩個半屏組成，各由一個接口控制，在交界處顯示漢字及圖形要單獨設計，編寫程序較為復雜，控制也不夠方便。在本次設計中，為了要既能比較詳細的顯示芯片內(nèi)某個門或管腳的測試結果，并且在作為電子手冊查閱時更加具體地顯示芯片邏輯功能，又能保證設置界面直觀、操作方便，因此選擇了具有漢字顯示功能的液晶屏LCM12232。它是一款帶中文字庫的圖形點陣模塊，由動態(tài)驅動方式驅動12232點陣顯示。低功耗，供應電電壓范圍寬。由一整塊液晶屏構成，內(nèi)含多功能的指令集，操作簡易。采用 COB 工藝制作，結構穩(wěn)固，使用壽命長。對LCM12232的模塊主要硬件構成說明如下： 1. PSB腳 2. 忙標志（BF） 表示當前與 MPU 接口電路的運行狀態(tài)。BUSY1 表示正在處理上一次 MPU 發(fā)來的指令和數(shù)據(jù)，此時不再接受 MPU訪問。BUSY0表示已經(jīng)準備好接受訪問。 3. 中文字型產(chǎn)生 ROM（CGROM）及半寬字型 ROM（HCGROM） LCM12232的字型產(chǎn)生 ROM 通過 8192 個 1616 點陣的中文字型，以及 126 個 168 點陣的西文字符，它用 2個字節(jié)來提供編碼選擇，將要顯示的字符的編碼寫到 DDRAM上，硬件將依照編碼自動從 CGROM中選擇將要顯示的字型顯示再屏幕上。 4. 字型產(chǎn)生 RAM（CGRAM） LCM12232的字型產(chǎn)生 RAM提供用戶自定義字符生成（造字）功能，可提供 4組 1616點陣的空間，用戶可以將 CGROM中沒有的字符定義到 CGRAM中。 5. 顯示 RAM（DDRAM） 顯示 RAM 提供 642 字節(jié)的空間，最多可以控制 4 行 16 字的中文字型顯示。當寫入顯示資料 RAM時，可以分別顯示 CGROM，HCGROM及 CGRAM的字型。 三種字型的選擇： 1) 顯示半寬字型 將一個字節(jié)的編碼寫入 DDRAM中，范圍是 027FH 2) 顯示 CGRAM字型 將2個字節(jié)的編碼寫入 DDRAM中，共有 0000H，0002H,0004H及 0006H四種編碼 3) 顯示中文字型將2字節(jié)的編碼寫入 DDRAM中，先寫高8位，后寫低 8位，范圍是 A140HD75FH(BIG5),A1A0HF7FFH(GB)。6. ICON RAM（IRAM） 提供 240 點的 ICON 顯示，它由 15 個 IRAM 單元組成，每個單元有 16 位，每寫入一組 IRAM時，需先寫入 IRAM地址，然后連續(xù)送入 2個字節(jié)的數(shù)據(jù)，先高 8位（D15D8），后低 8位（D7DD）。 7. 繪圖 RAM（GDRAM） 提供 6432個字節(jié)的空間（由擴充指令設定繪圖 RAM地址），最多可以控制 25664 點陣的二維繪圖緩沖空間，在更改繪圖 RAM是，由擴充指令設置 GDRAM地址先垂直地址后水平地址（連續(xù) 2 個字節(jié)的數(shù)據(jù)來定義垂直和水平地址），再 2 個字節(jié)的數(shù)據(jù)給繪圖 RAM（先高 8 位后低8位）。 其基本指令及擴充指令如表3-1和表3-2所示。表3-1 基本指令及擴充指令1表3-2 基本指令及擴充指令23.2.2 液晶顯示電路的設計本設計采用LCM12232液晶顯示屏的串口通訊模式，當PSB腳接低電位（模塊背面S/P的短路電阻在“S”側），模塊將進入串行模式。串行模式下顯示器與單片機連接的電路如圖3-5所示。圖3-5 LCM12232與單片機的接口電路在串行模式下將使用二條傳輸線作串行資料的傳送，主控制系統(tǒng)將配合傳輸同步時鐘（CLK）與接收串行數(shù)據(jù)線（SID）來完成串行傳輸?shù)膭幼?。其中，CLK腳具有串行同步時鐘的功能，在其上升沿時讀取SID的數(shù)據(jù)；SID是串行通訊的輸入口；CS腳是在高電壓情況下的模塊片選段。這三個管腳分別與單片機的P0.4，P0.5，P0.6接口連接。設計電路中，V0用于液晶模塊對比度的調節(jié)，BLK,BLA用于液晶模塊背光度的調節(jié)。LCM12232的串口通訊方式時序如圖3-6所示。圖3-6 LCM12232串口通訊方式時序圖在片選CS 設為高電位時，同步時鐘線（CLK）輸入的訊號才會被接收，另一方面，當片選（CS）設為低電位時，模塊的內(nèi)部串行傳輸計數(shù)與串行資料將會被重置，也就是說在此狀態(tài)下，傳輸中的資料將被終止清除，并且將待傳輸?shù)拇匈Y料計數(shù)重設回第一位。 LCM12232中的同步時鐘線（CLK）具有獨立的操作，但是當有連續(xù)多個指令需要被傳輸，必須確實等到一個指令完全執(zhí)行完成才能傳送下一筆資料，因為模塊內(nèi)部并沒有傳送/接收緩沖區(qū)。從一個完整的串行傳輸流程來看，一開始先傳輸起始位，它在起始位元組需先接收到五個連續(xù)的“1”（寫指令前導碼），此時傳輸計數(shù)將被重置并且串行傳輸將被同步，再跟隨的兩個位分別指定傳輸方向位（RW）及暫存器選擇位（RS），最后第八位則為“0”。 在接收到起始位元組后，每個指令/數(shù)據(jù)將分為兩組接收：高4位元（DB7DB4）的指令資料將會被放在第一組LSB部分，而低4位元（DB3DB0）的指令資料則會被放在第二組的LSB部分，至于相關的另外四位則都為0。3.3 鍵盤電路的設計鍵盤是計算機不可缺少的輸入設備，是實現(xiàn)人機對話的紐帶。鍵盤的結構形式通常有兩種，即矩陣式鍵盤和獨立式鍵盤。矩陣式鍵盤（編碼式）常用于按鍵個數(shù)較多的場合，它的按鍵位于行、列的交叉點上。案件的作用只是相應接點接通或斷開，被按按鍵在行列中所在的接點配合相應程序可產(chǎn)生鍵碼。矩陣式鍵盤的硬件電路簡單，較為常用。常用44矩陣式鍵盤電路如圖3-7所示。鍵盤的工作方式一般有編程掃描方式和中斷掃描方式兩種。編程掃描工作方式是利用CPU在完成其它工作的空余掃描子程序，來響應鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU不再響應鍵輸入要求。中斷工作方式。即只有在鍵盤有鍵按下時，發(fā)中斷申請，CPU相應中斷請求后，轉中斷服務程序，進行鍵盤掃描，識別鍵碼。圖3-7 44矩陣式鍵盤電路獨立式鍵盤（非編碼式）硬件電路如圖3-8所示。當按下鍵盤時產(chǎn)生一個電平變化（通常為低電平），向CPU申請中斷，或通過I/O口采用程序查詢方式，檢測按鍵是否按下；當CPU確認鍵盤按下時，程序轉向執(zhí)行按鍵功能。這種鍵盤的各個按鍵相互獨立，狀態(tài)互不影響；該鍵盤使用方便，編程簡單，但在按鍵較多時硬件電路復雜，占用CPU的資源較多，因此常用于按鍵個數(shù)較少的場合。按鍵屬于電平開關，在按按鍵時會有抖動。因此，在按鍵抖動期間CPU掃描鍵盤必然會得到錯誤信息，常用的解決辦法是：在硬件方面可在按鍵兩端加濾波電容（如圖3-7中的0.1uF電容）或選用邏輯開關；在軟件方面可設置一定的延時（通常20ms左右），使按鍵按下延時穩(wěn)定后CPU再讀入鍵值。圖3-8 獨立式鍵盤電路根據(jù)本測試儀的要求，待測或要查閱的芯片的型號需要由鍵盤選中，測試程序啟動命令需要由鍵盤鍵入。由于本設計只是簡易測試數(shù)字集成電路，對鍵盤個數(shù)要求不多，因此采用獨立式鍵盤，共設置4個按鍵（S1，S2，S3，S4），分別由P0.0，P0.1，P0.2，P0.3控制。每個按鍵接4.7K的上拉電阻，起限流保護作用。當有鍵按下時為低電平，無鍵按下時則為高電平。同時，為了防止按鍵時產(chǎn)生抖動，在四個按鍵兩端都加了0.1uF的濾波電容。電路如圖3-8所示。3.4 PC機與單片機串行通信通道的設計串行通信因信號線少，成本低，有多種可供選擇的傳送速率，又有調制/解調功能而特別適合距離較遠，通信點較多的場合。采用PC機作為上位機是因為PC機軟硬件資源豐富，人機交互能力好，通用性強。此外，由于目前PC機使用的WindowsXP操作系統(tǒng)也提供了一個強大的軟件開發(fā)平臺。單片機與PC機通過串行口連接，操作簡便，易用性強。此外，通過主機提供的軟硬件資源，提供給用戶的是測試儀的交互界面，使人機對話方便、直觀、智能化，改善了用戶的操作環(huán)境，加強了測試儀的工作必能。用戶可通過菜單控制測試儀的工作狀態(tài)：完成激勵文件、控制文件的裝載，響應結果的回傳以及對測試結果的最終處理。3.4.2 單片機與PC串行通信的實現(xiàn)單片機和PC機行的串行通信一般采用RS-232、RS-422或RS-485總線標準接口。但由于PC機有現(xiàn)成的RS-232標準串行口，所以本測試系統(tǒng)選擇采用RS-232總線標準接口。單片機有一個全雙工串行口，但它不是標準的RS-232串行口，RS-232總線標準接口規(guī)定的電平和一般微處理器的邏輯電平不一致，必須進行電平轉換，因此在本測試系統(tǒng)中采用MAX232進行RS-232C電平與TTL電平的相互轉換。為保證通信的可靠，在選擇接口時必須注意。1.通信的速率；2.通信距離；3.抗干擾能力；4.組網(wǎng)方式。根據(jù)本測試系統(tǒng)的要求，本文采用RS-232C串行總線接口與單片機通信的方法。RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA在40年前為公共電話網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信而制定的串行通信標準，由于RS-232C的發(fā)送和接收是“對地”而言的，采用非平衡模式傳輸，存在共地噪聲，所以其最大傳輸距離和速率在標準中被限定為15米和192500bit。從電氣特性而言，RS-232C總線的邏輯電平與TTL電平完全不兼容，總線中的任何一條信號線的電平均為負邏輯關系，邏輯“0”規(guī)定為+5V+15V之間，邏輯“1”規(guī)定為一5V一15V之間，噪聲容限為2V。即要求接收器能識別低至-3V的信號作為邏輯“0” ，高到+3V的信號作為邏輯“l(fā)” 。從機械特性而言，RS-232包括標準的25針及其簡化的9針引腳排列。在實際應用中，RS-232C的25條引線中有許多是很少使用的，在計算機與終端通訊中一般只使用39條引線。表3-3為常用的9針接口各引腳的信號功能。表3-3 RS-232 9針接口各引腳的信號功能引腳名稱功能信號方向1DCD載波信號檢測DCE-DTE2RXD接受DCE-DTE3TXD發(fā)送DCE-DTE4DTRDTE準備就緒DCE-DTE5GND信號地6DSRDCE準備就緒DCE-DTE7RTSDTE請求發(fā)送數(shù)據(jù)DCE-DTE8CTSDCE清除發(fā)送DCE-DTE9RI振鈴指示DCE-DTE注：DTE指數(shù)據(jù)終端設備如單片機和PC機。DCE指數(shù)據(jù)通信設備。3.4.1 TTL/RS-232電平轉換及其接口電路RS-232規(guī)定的電平和一般微處理器的邏輯電平不一致，必須進行電平轉換。MCl488和MCl489芯片為早期的RS-232至TTL邏輯電平的轉換芯片，采用該芯片的主要缺點是電路需要+12V電壓，不適合用于低功耗的系統(tǒng)。MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的，包含兩路驅動器和接收器的RS-232轉換芯片，單一電源供電，電壓值從+3.0V+5.5V均可正常工作。芯片內(nèi)部有一個電壓轉換器，可以把輸入的+5V電壓轉換為RS-232接口所需的+10V電壓，尤其適用于沒有+12V的單電源系