基于STC15單片機邏輯IC檢測器的設(shè)計與實現(xiàn)

車沛強, 馮志斌

(福建師范大學(xué) 閩南科技學(xué)院，福建 泉州 362332)

基于STC15單片機邏輯IC檢測器的設(shè)計與實現(xiàn)

車沛強, 馮志斌

(福建師范大學(xué) 閩南科技學(xué)院，福建 泉州 362332)

利用邏輯電平的輸入輸出非“0”即“1”的特點，采用51單片機，將其I/O口與邏輯芯片全部引腳相連，根據(jù)邏輯芯片的功能及真值表，使與邏輯芯片輸入端相連的I/O口，輸出相應(yīng)的邏輯電平，然后通過與邏輯芯片輸出相連的I/O口，獲取其相應(yīng)的輸出電平，再與真值表相比對，得出此邏輯芯片的功能好壞。選用增強型的51單片機，具有推挽的功能，能使其I/O口在輸出“1”或“0”時，可以流出或流入更大的電流，因此可直接用推挽模式的I/O口，給邏輯芯片提供電源，簡化了電路設(shè)計的難度。顯示部分，選用分辨率較高的中文液晶12864，能使操作使用更加直觀明了，同時因其是點陣式液晶，可加入顯示芯片管腳圖的功能，進(jìn)一步方便了使用者。

邏輯電平； 單片機； 真值表； 芯片檢測； 12864液晶

0 引 言

實驗是數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)與實踐的一個重要環(huán)節(jié)，數(shù)字芯片則是實驗的核心[1]。芯片邏輯功能的好壞直接影響了電路功能的實現(xiàn)。在各高校數(shù)字電于實驗室里，學(xué)生的每個實驗都要用到邏輯芯片。學(xué)生實驗前，因是沿用上組學(xué)生用過后的芯片，所以得先用最原始的方法確認(rèn)芯片的好壞。具體做法是：使用實驗箱，查看該芯片管腳定義圖，然后逐一無誤地接上每一根導(dǎo)線。接下來，依據(jù)真值表，逐一測試芯片的每一項邏輯功能是否正常。在耗費大量的時間與精力以確認(rèn)芯片無誤后，才能開始實驗。此方法太繁瑣，費時費力，影響教學(xué)。若芯片的類型與數(shù)量眾多，此問題則更為嚴(yán)重。另外，芯片因長期輪流使用，其表面標(biāo)明其型號的字跡，已模糊不清，難以識別，即使其功能是正常的，也導(dǎo)致無法使用，造成浪費。

本文的目的在于，去除繁瑣的檢測過程，無需借助其他器件，僅需安放好芯片后，通過按下少量按鍵(1～4個)就能快速地檢測出芯片功能的好壞與型號，并采用中文液晶作顯示，能起到更好的顯示效果，同時提供查閱芯片管腳圖的功能。

1 原理分析

在二值邏輯中，變量取值不是1就是0，沒有第三種可能。而且這里的0和1并不表示數(shù)值的大小，它們所代表的是兩種不同的邏輯狀態(tài)[2]。TTL邏輯芯片，輸入輸出信號就兩種狀態(tài)，不是邏輯“1”，就是邏輯“0”。51單片機的雙向I/O口，完全兼容TTL電平[3]，可輸出“1”，也可輸出“0”，并且可以檢測某個I/O口接收的是“1”還是“0”。所以利用51單片機的I/O口，與邏輯芯片的所有輸入、輸出端一一相連，按照邏輯芯片的真值表，通過編程，使單片機的I/O口輸出不同的邏輯電平至待測芯片的輸入端，然后檢測待測芯片的輸出信號，與真值表比對，從而得出待測芯片的好壞。將所需檢測的所有邏輯芯片的真值表，編寫成程序燒錄到單片機后，就能實現(xiàn)檢測的功能。檢測的速度，可快至毫秒級別。

本設(shè)計采用STC15[4]系列增強單片機，其I/O口，新增強推挽模式，選擇強推挽模式，每個口的輸出電流可達(dá)到20 mA[5]。因此，可將待測芯片的電源引腳，也直接在單片機的I/O口上，并設(shè)置為推挽模式，給芯片提供電源。

2 設(shè)計方案

2.1方案要求

(1) 能手動選取某個型號的芯片檢測程序進(jìn)行檢測。

(2) 單片機復(fù)位后，能停留在是否運行上次選擇的芯片型號的檢測程序界面。此舉能提高相同型號芯片的檢測效率。

(3) 加入“自動”檢測模式，即不用選擇型號，按下“自動”按鍵后，能直接識別功能完好的芯片，顯示其型號。

(4) 能顯示每個芯片的管腳圖。

2.2硬件設(shè)計

(1) 選用STC15系列單片機作主控。增強型8051CPU，1T，單時鐘/機器周期，速度比普通8051快8～12倍[6]。高達(dá)60 KB片內(nèi)Flash程序存儲器[7]，能夠存儲更多型號的檢測程序。

(2) 待測芯片用20P的IC鎖緊座來安放，即檢測芯片的針腳數(shù)包括20P、18P、16P、14P等的芯片。

(3) 使用4個按鍵完成所有的功能。

(4) 顯示采用LCD12864中文液晶屏，能直觀引導(dǎo)使用者操作，并加入芯片管腳圖顯示功能。

(5) 設(shè)計一個燒錄接口，實現(xiàn)程序的燒錄及調(diào)試程序使用。

所需單片機I/O口數(shù)量計算：以上硬件占用I/O口經(jīng)計算后得知，需要37個。本設(shè)計選取STC15F2K60S2，此款MCU有38個I/O口，符合要求。

單片機時鐘頻率的選擇：STC15是1T的高速單片機，但受限于LCD12864響應(yīng)時長及不同邏輯門電路從信號輸入到穩(wěn)定輸出需要一定的時間[8]，本設(shè)計采用22.118 4 MHz無分頻至16分頻的可變時鐘頻率，在保證了檢測準(zhǔn)確性的同時，也極大地縮小了檢測的時間。硬件原理圖如圖1所示。

圖1 硬件原理圖

圖1中的單片機I/O口，僅與燒寫器連接的I/O口，限定為P31、P30，其他都沒有限定(其中與LCD12864液晶連接的DB0-DB7的8個I/O口，應(yīng)選用某P口完整的8個I/O口，如P0、P1、P2等，方便程序的編寫)，可以在制作電路設(shè)計PCB時，根據(jù)走線的需要，具體定下來。

3 編程思路

3.1程序的流程

(1) 首先把所需檢測的每個芯片的檢測程序，獨立寫成一個函數(shù)。對于集成多個門電路的芯片，每個門電路功能的好壞，也要求能分別顯示出來。

(2) 通過4個按鍵，依據(jù)屏幕顯示的引導(dǎo)，可具體選取某個檢測程序來檢測。

(3) 在使用“自動”檢測功能時，把不同型號芯片的每個檢測程序都執(zhí)行過去，期間遇到某個(也僅有一個)型號芯片的檢測程序檢測出結(jié)果正確，顯示出該型號的信息。若每個檢測程序都檢測錯誤，則顯示芯片損壞的信息。這種采用逐一比較的方法，檢測時間較長，故在運行每個檢測程序時，一旦遇到其中一項的真值表不對時，通過編程，立即跳過本程序后面的真值表驗證，直接跳往下一個檢測程序。此舉可極大地縮小使用“自動”功能時的檢測時間。

(4) 要實現(xiàn)在復(fù)位后，單片機能運行上一次選擇的檢測程序的方法：利用單片機內(nèi)部的E2PROM[9]。

程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程圖

3.2檢測芯片的編程

以檢測型號為74LS00的芯片為例，說明下編程的做法。74LS00是一個具有兩輸入、一輸出，且內(nèi)部集成了4個相同與非門電路的芯片。其管腳圖[10]與真值表，如圖3與圖4所示。

圖3 74LS00管腳圖

圖4 真值表

因為芯片的每個管腳，包括電源管腳，都分別與單片機的I/O口一一相連。進(jìn)入本檢測函數(shù)時:

(1) 首先把與74LS00第7腳、第14腳連接的I/O口，設(shè)置為推挽模式，同時將與第7腳相連的I/O口，設(shè)置輸出為低電平，與第14腳相連的I/O口，設(shè)置輸出為高電平。至此，完成芯片電源腳的設(shè)置。

(2) 依據(jù)真值表，共4個檢測項目。把與每個門電路兩個輸入端相連的I/O口，設(shè)置輸出為00，01，10，11這4種狀態(tài)，同時通過與輸出端連接的I/O口，分別讀取這4種狀態(tài)下，各個輸出端的電平高低狀況。若檢測到輸出分別是1，1，1，0，則結(jié)果全部滿足真值表，說明此芯片是良好的。若其中某個狀態(tài)不符合，則表明芯片是損壞的，具體為內(nèi)部對應(yīng)的門電路是損壞的。

其他型號的芯片檢測程序，可依照上述的步驟，先設(shè)置好芯片的電源腳，再依據(jù)其真值表的所有測試選項，寫出相應(yīng)的檢測程序，然后獲取對應(yīng)的輸出，與真值表逐一比對，最終得出檢測結(jié)果。

3.3128×64點陣式液晶

點陣式LCD不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示圖形、曲線及漢字，并能夠?qū)崿F(xiàn)多種動畫顯示效果，使人機界面更加友好，使用操作更加靈活方便[11]。

12864液晶使用ST920控制器，5V電源驅(qū)動，帶背光，內(nèi)置8192個16x16點陣、128個字符(8x16點陣)及64x256點陣顯示RAM(GDRAM)[12]。

液晶繪圖顯示坐標(biāo)如圖5所示。

圖5 液晶繪圖顯示坐標(biāo)

12864液晶可看做是兩個1602液晶[13]縱向拼接的結(jié)果，所以分上半屏與下半屏。上半屏與下半屏的垂直地址皆為0x80+0x00至0x80+0x1F，每個半屏都是32個地址。水平地址，上半屏的地址為0x80+00至0x80+0x07，下半屏的地址為0x88+00至0x88+0x07，各有8個地址。

舉例，比如想點亮屏幕的第一行與最后一行，做法是：① 關(guān)閉繪圖顯示功能；② 先寫第一行的垂直地址，地址為0x80+0x00；③ 再寫此行的水平地址，地址為0x80+0x00；④ 寫入16個字節(jié)的數(shù)據(jù)，因是點亮，所以數(shù)據(jù)都是0xFF(水平每個地址，需寫入兩個字節(jié)[14])；⑤ 寫最后一行的垂直地址，地址為0x80+0x1F；⑥ 寫此行的水平地址，地址為0x88+0x00；⑦ 寫入16個字節(jié)的數(shù)據(jù)，因是點亮，所以數(shù)據(jù)都是0xFF；⑧ 打開繪圖顯示功能[15]。

通過以上步驟，在液晶屏的第一行與最后一行，會顯示兩條寬高為128×1像素的線條。

了解了以上的知識點后，想要顯示芯片的管腳圖，可以使用簡單的畫圖軟件比如Windows自帶的畫圖板來繪制。打開畫圖板，把畫板調(diào)整為128×64像素。然后利用工具，畫出每個芯片的管腳圖，保存為BMP格式的圖片。再利用取字模軟件，打開此圖片，期間可再次修改圖片直至滿意為止，然后取模。最后將取模后的數(shù)據(jù)，復(fù)制至編程軟件里使用。圖6所示為畫圖板工具繪制的74LS00芯片管腳圖。

圖6 畫圖板工具繪制的管腳圖

3.4編程時的注意事項

(1) 單片機上電復(fù)位后，與20P鎖緊座相連的所有I/O口，全部設(shè)置為弱上拉模式，防止損壞單片機。

(2) 運行某個芯片檢測程序后，若檢測出芯片是損壞的，得取消I/O口的推挽模式，防止因故障的芯片可能造成過大的電流流入或流出單片機，造成單片機的損壞。

(3) 使用“自動”模式檢測芯片時，當(dāng)切換到另一個檢測程序時，也得注意設(shè)置取消上個檢測程序IO的推挽模式，以更好地保護(hù)單片機。

4 結(jié) 語

針對高校數(shù)電實驗室，學(xué)生使用繁瑣的方法檢測邏輯芯片功能是否正常這一現(xiàn)象，提出了本設(shè)計[16]。本設(shè)計較好地解決了這一問題，具有使用簡單(僅需按動1至4個按鍵)、操作直觀明了(中文菜單引導(dǎo))、快速檢測(檢測時長毫秒級別)、制作成本低廉、電路小巧方便攜帶或集成等特點，同時加入芯片管腳圖顯示的功能，更加方便了使用者。適用于高校的學(xué)生、實驗管理人員或質(zhì)檢單位等人群。

[1] 孫 航，李 耀，馬利業(yè).數(shù)電實驗常用芯片檢測指示儀簡析[J].山西科技，2010(4):42-43.

[2] 余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京:高等教育出版社,2006: 2.

[3] 劉 瀟.一種數(shù)字電子實驗常用芯片檢測指示儀的研究[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2013(10):66-67.

[4] 徐愛鈞.STC15增強型8051單片機C語言編程與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[5] 姚偉鵬，劉安枕，孫 帥.基于STC15系列單片機的游戲機設(shè)計與實現(xiàn)[J].西安航空學(xué)院學(xué)報，2016(1):65.

[6] 晶宏科技.TC15系列單片機器件手冊[EB/OL].http://www.stcmcu.com/datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC15.pdf.

[7] 李志遠(yuǎn)，劉小平，張南賓,等.邊練邊學(xué)51單片機：基于STC15系列[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2016.

[8] 馮 雪.對組合邏輯電路中競爭與險象的分析[J].黑龍江科技信息，2013(16):84

[9] 百度文庫.51單片機EEPROM的讀寫[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/6ad55dfdb9d528ea80c7791d.html?re=view.

[10] Texas instruments inc.The Data Sheet of sn74ls00[EB/OL].[2003-10-1].http:/ /www.ti.com.cn/product/cn/sn74ls00.

[11] 白 云，石 巖.基于SPCE061A單片機的MGLS12864液晶顯示模塊的應(yīng)用設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012(13):166.

[12] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009:42-43.

[13] 于志贛，劉國平，張旭斌.液晶LCD1602模塊的應(yīng)用[J].機電技術(shù)，2009(3):21-23

[14] 胡洪坡，梁書劍，張愛民,等.基于ST7920的12864液晶的使用方法研究[J].山西電子技術(shù)，2011(6):82-83.

[15] 深圳飛陽公司.J12864中文字庫型液晶模塊使用說明書.

[16] 車沛強.一種改進(jìn)型邏輯芯片檢測器:中國.ZL 201520921615.8[P].2016-06-01.

·名人名言·

天才的最基本的特性之一——是獨創(chuàng)性或獨立性，其次是它具有思想的普遍性和深度，最后是這思想與理想對當(dāng)代歷史的影響，天才永遠(yuǎn)以其創(chuàng)造開拓新的、未之前聞，或無人預(yù)料的現(xiàn)實世界。

——別林斯基

DesignandImplementationofLogicICDetectorBasedonSTC15MCU

CHEPeiqiang，F(xiàn)ENGZhibin

(Min’nan Science and Technology Institute，F(xiàn)ujian Normal University，Quanzhou 362332，F(xiàn)ujian, China)

By using the input/output logic level of "0" or "1", I/O outputs and logic chip pins of the 51 single-chip microcomputer are linked together.According to its function and the logic truth table, logic chip input is connected to the I/O port, the corresponding logic level is outputted, and then connecting the I/O port with the output logic chip, the corresponding output level is obtained.Comparing with the truth table, it can be concluded that the function of the logic chip is good or bad.The enhanced 51 MCU has the function of push pull model, hence, it can provide power for logic chip, and thus simplifies the complexity of the circuit design.For the display section, we choose the high resolution of LCD 12864, which can make the operation more intuitive and clear.Because of the dot-matrix LCD, the function of the chip pin diagram can be added, it will be further convenient for the user.

logic level; microcomputer; truth table; chip detection; 12864 liquid crystal

TN 431.2

A

1006-7167(2017)10-0100-04

2017-01-09

福建省教育廳中青年教師教育科研項目(JAT160674)

車沛強(1977-)，男，福建南安人，實驗師，主要研究方向：電子技術(shù)與單片機的應(yīng)用。Tel.：13600720170; E-mail：116225194@qq.com