毕业设计57单片机控制的数字IC故障测试系统Word下载.docx
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图2-1系统结构图
本系统主要用于对TTL74/54系列数字集成电路芯片的功能性故障检测，但也可以测试其他类型的芯片。
对数字集成电路芯片进行测试的基本方法是从输入端加上所需的激励信号，检测其相应的输出响应与预期的结果进行比较，由此来判断其是否存在故障。
在进行测试时，先将测试芯片插好并通过键盘输入被测芯片型号，然后启动测试运行键。
由监控测试程序分时分组送出芯片的测试集，并对测试结果数据进行分析处理之后通过LED显示出来。
若存有故障的芯片，则对故障进行定位，且送到显示测试结果电路，等待用户按键响应后，再继续进行测试，直到全部测试完毕为止。
根据原理图附录C所示。
AT89C51为控制核心，它有四个并行端口，分别为P0、P1、P2和P3。
P0口接扩展并行I/O接口芯片8155，8155有三个通用并行I/O接口PA、PB、PC。
其中PA口接4×
4键盘的行线，PA口设置为输出口，PB口接4×
4键盘的列线，PB口设置为输入口，PC口接LCM0825液晶显示电路。
P0、P1、P2接测试插座电路。
测试插座由74HC573锁存器、驱动模块DS75451、继电器控制电路、20脚的插座组成的。
AT89C51单片机的P3.5接测试开关，当开关闭合时，黄色的LED发黄光，表明系统进入测试状态。
P3.4接显示测试结果电路。
当芯片是好的，红色LED发红光；
反之，则绿色LED发绿光。
AT89C51单片机18、19脚接12MHZ的晶振电路,9脚接复位电路，P3.7/RD和P3.6/WR分别接8155的RD和WR，P2.4接8155的IO/M，P2.5接8155的片选端CE，ALE接8155的ALE脚和74HC573的锁存允许输出LE，高电平有效，P3.0/RXD和P3.1/TXD分别接RS232电路的DIN和ROUT。
工作过程可做如下分析：
首先在键盘上输入要被测试的芯片型号，系统的扫描程序会在LCM0825液晶显示屏上显示，以确定芯片输入是否正确。
根据芯片的型号，从AT89C51单片机的EPROM中调用此芯片真值表，或通过RS232电路，在计算机上运行相配套的应用软件，调用芯片的真值表。
由于不同品种即相同品种不同型号的芯片，它们的电源脚、地脚、I/O线的顺序都不同，所以P0口、P1口、P2口不能直接接到测试插座上，通过74HC573锁存器把锁存的测试芯片电源、地、I/O的位信号输入给DS75451来控制继电器，实现测试插座引脚的自动匹配。
系统一切就绪后，马上插入测试芯片，按下测试键对芯片进行测试，接在P3.5的黄色发光二级管发亮，以表示系统进入了测试状态，系统通过AT89C51的I/O口送输入信号给测试芯片，再读出输出信号跟芯片真值表进行多次节拍的比较，才能确定芯片的好坏，如果有一个节拍不对，则此芯片是坏的，接在P3.4的红色发光二级管发亮。
如果绿色的发光二级管点亮，表明此芯片是好的。
3AT89C51单片机简述
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
<
1>
主要特性
·
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
全静态工作：
0Hz-24Hz
三级程序存储器锁定
128*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路图3-1AT89C51单片机引脚图
2>
管脚说明
制造工艺为HMOS的系列单片机大都采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚排列如图3-1所示，40脚引脚按功能可分为三部分。
（一）电源及时钟引脚
此部分引脚包括电源引脚VCC、VSS及时钟引脚XTAL1、XTAL2。
电源引脚接入单片机的工作电源。
VCC（40脚）：
接+5V电源。
VSS（20脚）：
接地。
时钟引脚（18、19脚）：
外接晶体时与片内的反相器放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。
时钟引脚也可外接晶体振荡器。
XTAL1：
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，该放大器构成了片内的振荡器，可提供单片机的时钟控制信号。
该引脚也可接外部晶体振荡器的一个引脚，如果采用外部振荡器时，对HMOS单片机，引脚接地；
而对CHMOS单片机，此引脚作为驱动。
XTAL2：
在单片机内部，接至振荡器的反相输出端。
当采用外部振荡器时，对HMOS该引脚接收振荡器的信号，即把该信号直接接到内部时钟发生器的输入端；
对CHMOS工艺的，引脚悬浮。
（二）控制引脚
包括RESET、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP，这类引脚提供信号，有些具有复用的功能。
（1）RST/VPD：
当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平使单片机复位。
复位后应使此引脚电平保持在不高于0.5V的电平，以保证单片机正常工作。
掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM中的数据不丢失。
当VCC下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压内时，VPD就向内部RAM提供备用电源。
（2）ALE/PROG：
当单片机访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。
即使不访问外部存储器，ALE端有周期性正脉冲输出，基频率为振荡器频率的确1/6。
但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，艰险丢失一个ALE脉冲。
ALE端驱动8个LSTTL负载。
对于片内具有EPROM型的单片机，在EPROM编程期间，引脚用于输入编程脉冲PROG。
（3）PESN：
引输出为单片内访问外部程序存储器的读选通信号。
在从外部程序存储器取指令期间，每个机器周期均PSEN两次有效。
但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不会出现。
PSEN同样可以驱动8个LSTTL负载。
（4）EA/VPP：
当EA端保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
当EA端保持低电平时，则只访问外部程序存储器，而不管它是否有内部程序存储器。
但对8031来说，因为其无内部程序存储器，所以该引脚必须接地，只能选择外部程序存储器。
对于片内有EPROM型的单片机8751,在EPROM编程期间,此引脚用于施加编程电源Vpp.
（三）输入/输出引脚
输入/输出（I/O）口引脚包括P0口、P1口、P2口、P3口。
P0（P0.0~P0.7）是一个位三态双向I/O口,在不访问外部存储器时,作通用I/O口使用,用于传送CPU的输入/输出数据,当访问外部存储器时,此口地址线低8位及数据总线分时复用口.
P1（P1.0~P1.7）是一个位准双向I/O口,带有内部上拉电阻.
P2（P2.0~P2.7）是一个8位准双向I/O口,与地址线高8位复用.
P3（P3.0~P3.7）中一个8位准双向I/O口,带有内部上接电阻,双功能复用口,它的第二功能控制口，如表3.1.
表3.1P3口的第二功能对应表
P3口的位
第二功能
功能注释
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
串行数据发送口
P3.2
INT0
外部中断0输入
P3.3
INT1
外部中断定输入
P3.4
T0
计数器0计数输入
P3.5
T1
计数器1计数输入
P3.6
WR
外部RAM写信号
P3.7
RD
外部RAM读信号
3>
芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
4系统硬件设计
4.1单片机的并行I/O扩展
AT89C51共有四个8位I/O口（即P0、P1、P2、P3），由于P0、P1、P2要接测试插座，没有足够的并行I/O口去接键盘和显示电路了。
所以用8155作为并行扩展接键盘、显示电路的接口芯片。
8155主要由以下几部分组成的：
（1）AD0～AD7：
三态地址/数据总线。
单片机和8155之间的地址、数据、命令、状态信息是通过这总线口传送。
它与MCS-51的地址/数据总线相连，它的分时复用功能和MCS-51的P0口完全一致。
（2）三个通用并行I/O接口PA、PB、PC。
其中PC口可编程为联络信号线引出端，可使PA、PB口以带联络线的信号转变方式工作。
（3）1个14位的定时器/计数器。
它的二进制“减1”计数器作为分频器，可提供各种脉冲及方波信号。
TI：
定时器/计数器的计数脉冲输入端。
最高计数频率为4MHZ。
T0：
定时器/计数器的输出端。
此输出通过编程定时的方式可输出方波，又可输出脉冲。
CE：
选片信号、低电平有效。
IO/M：
I/O接口和存储器选择信号。
为低电平时选中存储器，为高电平是选中I/O接口。
RD：
读控制端。
在CE有效时，RD为低电平，AD0～AD7的缓冲器能动作。
如果IO/M输入端为低电平，8155中RAM的内容读出到AD总线，否则被选中的I/O接口内容读出到AD总线。
WR：
写控制端。
在CE有效时，WR为低电平，如果IO/M输入端为低电平，AD总线上的数据写入到8155的RAM，否则AD总线上的数据写入到被选中的I/O接口。
ALE：
ALE为地址锁存信号输入线。
图4-18155与AT89C51的接口逻辑
如图4-1所示：
AT89C51单片机P0口接8155的AD0～AD7，ALE、WR、RD接8155的ALE、WR、RD，p2.5连选片信号CS，P2.4连IO/M，所以8155的RAM的地址为E700～E7FH;
I/O寄存器地址分别为:
命令字/状态字寄存器地址为E800H，PA口地址为E801H，PB口地址为E802H，PC口地址为E803H，定时器/计数器低字节寄存器地址为E804H，定时器/计数器高字节寄存器地址为E805H。
4.2LCM0825液晶显示电路设计
液晶显示是一种极低功耗的显示器件。
LCD显示器件工作电流小、重量轻、功耗低、寿命长，字体清晰美观，在便携式仪表、低功耗应用的较高档仪器仪表中被广泛采用，在将来随着LCD显示器件价格的下降，人们会越来越多地用LCD取代LED器件。
液晶显示器从显示的形式上可分为段式、点阵字符式和点阵图形式。
段式LCD显示器显示字型的笔画与LED显示器相同，也有a～g七个段选位，另外小数点和其他一些符号，也可以作为一个电极出现。
同样，它也有一个公共端COM。
其显示方式也有静态显示方式和动态显示方式。
静态显示方式需加直流电，动态显示方式需加交流电。
但由于液晶分子在长时间的单向电流作用下容易发生电解，这将使LCD的寿命减少，因此液晶的驱动很少采用需直流电的静态驱动方式，而是通常采用动态驱动方式。
且因液晶在高频交流电作用下也不能很好地显示，故一般采取125～150HZ的方波来驱动液晶。
本文介绍是LCM08258位8段的数显液晶显示模块。
1.LCM0825显示模块特征及功用
LCM8025为8位8段液晶显示模块，3-4线串行接口，可与任何单片机、接口芯片相接，低功耗特性：
显示状态50Ua（典型值），省电模式＜1Ua,工作电压2.7～5.2V,视角对比度可调,显示清晰,稳定可靠,使用编程简单.
其功用是用来被测显示芯片型号，以确定输入的芯片是否正确。
2.引脚说明
如表4.1所示。
它说明LCM0825的引脚功能。
表4.1LCM0825引脚说明
引脚
符号
说明
输入/输出
1
/CS
模块片选,内部上拉,必须接!
输入
2
/RD
模块数据读出控制,内部上拉
3
/WR
模块数据/指令写入控制线,内部上拉,必须接!
4
DATA
数据输入/输出,内部上拉,必须接!
5
GND
负电源,接地线,必须接!
6
VLCD
LCD屏工作电压调整,可调整视角对比度,必须接
7
VDD
正电源,必须接!
8
/INT
WDT/定时器输出,集电极开路输出,不用可不接
输出
9
BZ
压电陶瓷蜂鸣片驱动+极
10
/BZ
压点陶瓷蜂鸣片驱动-极
3.LCM0825与单片机的接口设计
LCM0825与单片机的接口设计图如图4-2所示：
用三线接口即可：
CS、WR、DATA。
VDD为2.7-3.3V时VLCD与VDD短接.
由于LCM0825内部有上拉电阻,为保证低功耗,每次送数据之后,CS、RD、WR、DATA必须接高电平或悬空。
根据采用的MCU不同，就采用不同方式接口，不必使用分压电阻。
如果MCU与LCM0825工作电压相同，可直接相接。
它也可以接8155接口芯片。
图4-2LCM0825与单片机的接口设计图
4.LCM0825读/写格式及指令
①读格式：
只读显示RAM
格式：
1100A4A3A2A1A0共9位
模式RAMADDR
读出：
DATA：
D0D1D2D3
②写命令：
格式:
100C7C6C5C4C3C2C1C00
模式命令代码
③写数据：
1010A4A3A2A1A0D0D1D2D3共13位
模式RAMADDRDATA
8位显示字符左起为第1位，右止为第8位
5.模块使用注意事项
（1）模块上电后,软件初始化模块,延时200ms以上再送命令.第一写入模块专用初始化命令10000101001定义模块.第二10000011000定义内部RC振荡方式或10000010100定义外部晶体振荡方式（模块必须焊32768晶体）第三10000000001开振荡器.第四10000000011开显示.以上四步完成后在送其他命令或显示数据.对显示的数据正确与否,可选用读RAM方式进行校验.为实现低功耗方式,每次读/写命令或数据之后,应将CS、RD、WR、DATA置高位电平或悬空。
（2）LCM0825显示RAM对应8位字符为左到右,RAM表数据位为1则显示,为0则灭.
（3）VLCD必须接!
当模块工作电压为3.3V以下时,VLCD脚与VDD直接相接,当模块工作电压>
3.3V时,VLCD脚与VDD间接一个电位器50K调节,参考值:
5V/36
（4）模块掉电再上电时,则马上上电延时,对/CS进行几个10us以上的高电平脉冲.
4.3键盘电路设计
在单片机应用系统中为了控制系统的工作状态以及向系统输入数据，应用系统应设置键盘或者按键，实现简单的人机会话。
键盘是一组按键的集合，键通常是一种常开型按钮开关，平时键的两个触点处于断开（开路）状态，按下键时它们才闭合（短路）。
从键盘的结构来分类键盘可以分为独立式和矩阵式两类，每一类按其识别方法又都可分为编码和未编码键盘两种。
键盘上闭合键的识别有专用的硬件译码器实现并产生编码或键值的称为编码键盘，靠软件识别的称为未编码键盘。
本系统采用的是4*4键盘未编码键。
键盘如图2-4所示。
图中键盘的行线与列线的交叉处不相连，而是通过一个按键来联通，列线通过电阻接+5V。
当键盘上没有键闭合时所有的行线和列线都断开，则列线都呈高电平。
当键盘上某一个键盘闭合时，则该键所对应的行线和列线被短路。
键盘的行线接8155的PA口，PA口设置为输出口，键盘的列线接8155的PB口，PB口设置为输入口。
键盘扫描过程：
根据如图4-3可知：
8155的PA口的地址:
E801H,PB口的地址:
E802H
（1）首先使PA=00H,在读出PB口的数据是否有零信号,以确定是否有键闭合.如有零信号，表明有键盘按下。
如没有，则没有键盘按下。
（2）如有键盘按下，则调用消抖程序，消除键盘抖动。
（3）再使PA=0F7H行扫描初值，然后进行一行一列的循环扫描。
直到扫描完毕。
（4）扫描完毕后，从8155的RAM中读到单片机的P0口，存入累加器。
图4-3键盘电路与液晶显示电路图
键输入接口与软件应可靠而快速地实现键信息输入与执行键功能任务。
无论是按键或键盘，大部分是利用机械触点的合、断作用。
机械触点由于弹性作用的影响，在闭合及断开瞬间均有抖动过程，从而使用的电压信号也出现抖动，如图4-4所示:
图4-4按键闭合及断开的电压波动
所示抖动时间的长短与开关的机械特征有关，一般为5~10毫秒。
按键的稳定闭合时间，由操作人员的按键动作所确定，一般为十分之几秒。
为了确保CPU一次闭合，仅作一次键盘输入处理，必须消除抖动的影响。
消除抖动影响的措施通常可通过硬件和软件两种方法实现。
软件消抖的方法是：
如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，常采用软件的方法进行消抖。
在第一次检测到的键盘按下时，执行一段延时20mS的子程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭状态电平，则确认真正有键盘按下，从而消除了抖动的影响。
本文是采用了软件消抖的方法，消抖程序如下：
KEYIN：
MOVR7，#60；
消除抖动
D1:
MOVR6，#248
DJNZR6，$
DJNZR7，D1
它是利用循环执行指令的方法，而达到延时来消除键盘抖动。
4.4测试插座接口电路设计
由图4-5所示。
测试插座接口电路由74HC573锁存器、驱动模块DS75451、继电器控制电路、20脚的插座组成的。
74HC573的D0~D5接到单片机的P0口，Q0~Q6接到驱动芯片DS75451的输入端，为继电器提供信号，LE引脚接到单片机ALE（地址锁存允许）。
当单片机根据芯片的型号从P0口输出测试插座的接地和接电源位信号存入74HC573，再从ALE（地址锁存允许）输出一个信号把74HC573中的信号输出给DS75451来控制继电器，实现待测插座引脚的自动匹配。
在TTL74系列中,有许多不同品种不同型号的数字芯片,如有通用电路、译码电路、数据选择电路、触发器、计数器等芯片。
而不同品种即相同品种不同型号的芯片，它们的电源脚、地脚、I/O线的顺序都不同。
由于这样，把测试插座与单片机的CPU的I/O口连接固定起来，那它只能测试一部分电源、地、I/O线相同的芯片，而不能测试不同品种不同型号的芯片。
所以P0口、P1口、P2口不能直接接到待测插座上。
本文采用的插座接口电路,不同的芯片插到同一个插座上,电源线、地线和I/O线不相同，所以我们必须进行芯片的电源引脚，地引脚和I/O线的统计。
再根据表3-3对74系列235种数字IC芯片的统计，可以知道那些脚位接地、接电源。
图4-5测试插座接口图
表4.274系列235种IC芯片引脚的统计表格
14引脚
出现的GND\VCC的情况
芯片数目
对应于20插座的GND/VCC
7\14
103
10/17
11\4
5
14/7
10\5
4
13/8
16引脚
8\16
90
10/18
5\12
6
7/14
20引脚
10\20
27
10/20
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