一種單片機(jī)系統(tǒng)板的硬件電路故障分析

魯杰爽

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北孝感，432000）

0 引言

在“新工科”理念的引領(lǐng)下，高校在工程教育創(chuàng)新改革中更加注重大學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐技能[1]。單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)是高職電子信息類專業(yè)、自動(dòng)化類專業(yè)必修的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在智能控制中應(yīng)用廣泛[2~3]。在教學(xué)過(guò)程中，我們采用基于項(xiàng)目制作導(dǎo)向的教學(xué)模式，教學(xué)做一體化，教師邊做邊講，學(xué)生邊做邊學(xué)，學(xué)生在制作實(shí)踐中掌握單片機(jī)開(kāi)發(fā)的綜合專業(yè)技能。

單片機(jī)制作項(xiàng)目采用模塊化電路設(shè)計(jì)，將項(xiàng)目分成多個(gè)功能獨(dú)立的子模塊，每個(gè)獨(dú)立的電路模塊功能相對(duì)獨(dú)立、特性明確、界面清晰。模塊化設(shè)計(jì)具有獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立組裝、獨(dú)立調(diào)試、便于故障分析檢測(cè)，大大降低了電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的難度，提高了電路的電氣性能。為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生的硬件電路裝調(diào)和故障分析能力，也可以采用在洞洞板上焊接電子元件和連接導(dǎo)線來(lái)制作這些模塊電路板，這樣能夠顯著提升學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐技能。

單片機(jī)系統(tǒng)板是制作項(xiàng)目中核心的模塊電路板。在制作過(guò)程中如果單片機(jī)系統(tǒng)板出現(xiàn)故障，因?yàn)闆](méi)有專門的檢測(cè)儀器，板子上也沒(méi)有LED燈之類的各種故障狀態(tài)指示信號(hào)，往往無(wú)法直接判斷出故障原因。只能針對(duì)不同電路結(jié)構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)板，采取不同的檢測(cè)方案，來(lái)進(jìn)行故障的分析與排除。

1 單片機(jī)系統(tǒng)板模塊電路的故障檢測(cè)原理

下面以一種典型的單片機(jī)系統(tǒng)板為例，如圖1所示，介紹其故障檢測(cè)的基本原理，當(dāng)它不能正常工作時(shí)，該如何進(jìn)行故障的分析和排除。

圖1 一種典型的單片機(jī)系統(tǒng)板模塊電路

模塊電路板檢測(cè)的基本依據(jù)就是看它是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的獨(dú)立功能。

該單片機(jī)系統(tǒng)板，一方面通過(guò)P0 口分時(shí)復(fù)用地向外輸送8 位數(shù)據(jù)信號(hào)，從而形成單片機(jī)與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)的8位雙向數(shù)據(jù)總線。為了提高數(shù)據(jù)總線上能夠“掛接”外部設(shè)備的數(shù)量，該數(shù)據(jù)總線經(jīng)過(guò)了雙向功率驅(qū)動(dòng)器74LS245 與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，以提高數(shù)據(jù)總線的輸出功率。

另一方面P0 口分時(shí)復(fù)用，也通過(guò)地址鎖存器芯片74LS373，向外部輸送外RAM 存儲(chǔ)單元的低8 位地址信號(hào)，連同P2 口送出的外RAM 存儲(chǔ)單元高8 位地址信號(hào)，共同構(gòu)成單片機(jī)與外部設(shè)備的16 位地址信號(hào)總線。該模塊單元還將P2 口的高3 位地址信號(hào)，經(jīng)譯碼器74LS138 譯碼后可以形成8 個(gè)外部設(shè)備片選信號(hào)C0、C1 等，從而可以連接數(shù)量更多的外部設(shè)備，方便系統(tǒng)的擴(kuò)展。

該單片機(jī)系統(tǒng)板還對(duì)外提供了常用的讀信號(hào)、寫信號(hào)等控制信號(hào)。

單片機(jī)系統(tǒng)板是否工作正常，就是要通過(guò)檢測(cè)電路板輸出的地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)等是否正常來(lái)加以判斷。

2 單片機(jī)系統(tǒng)板的測(cè)試與故障分析

根據(jù)該單片機(jī)系統(tǒng)板的功能，主要對(duì)其輸出的高8 位地址信號(hào)、低8 位地址信號(hào)、8 位數(shù)據(jù)信號(hào)、讀出/寫入控制信號(hào)進(jìn)行逐步的測(cè)試和故障分析。

為了測(cè)試這三類信號(hào)，編寫了下面的綜合測(cè)試程序，下載到單片機(jī)系統(tǒng)板中運(yùn)行，然后用示波器檢查這三類信號(hào)是否正常，來(lái)分析判斷故障所在。

（1）檢查單片機(jī)輸出的高8 位地址信號(hào)

對(duì)電路原理圖進(jìn)行分析，可以計(jì)算出該電路板輸出的外部設(shè)備片選信號(hào)C0、C1、C2、C3 的地址分別為0x00XX，0x20XX、0x40XX、0x60XX（X 表示該位信號(hào)可以任意）。單片機(jī)向外部設(shè)備讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，一般需要經(jīng)過(guò)輸出外部設(shè)備地址信號(hào)、輸出讀/寫控制信號(hào)、讀出/寫入數(shù)據(jù)等3 個(gè)階段，因此可以讓單片機(jī)分別向這幾個(gè)外部設(shè)備地址發(fā)送寫數(shù)據(jù)指令，經(jīng)過(guò)指令的解釋執(zhí)行，就會(huì)分別輸出這幾個(gè)外部設(shè)備地址，從而輸出C0、C1、C2、C3 的片選信號(hào)。

丘吉爾有句名言，我寧可失去一個(gè)印度，也不愿失去一位莎士比亞。其中的深刻之處，正在于指出了歷史文化不僅是一個(gè)民族無(wú)法割舍的血脈基因，更蘊(yùn)含著破解各種難題的鑰匙。”文化是一所高校賴以生存、發(fā)展的根基和血脈，高校校園文化對(duì)學(xué)生成長(zhǎng)有著潛移默化、耳濡默染的效應(yīng)，可以教化、培育和提高人的知識(shí)、素質(zhì)和技能，從而推動(dòng)人的全面發(fā)展。因此，高職輔導(dǎo)員要時(shí)刻牢記高職教育目的與職能，自覺(jué)承擔(dān)培育學(xué)生文化自信的責(zé)任，通過(guò)創(chuàng)建具有高職特色的文化，浸潤(rùn)、教化具有高職特質(zhì)的專門人才。

據(jù)此原理編寫了上述測(cè)試程序，將它下載到單片機(jī)中運(yùn)行，如果運(yùn)行正常，就可以用示波器檢測(cè)到C0、C1、C2、C3 信號(hào)的輸出波形。如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)輸出的高8 位地址信號(hào)波形圖

如果沒(méi)有信號(hào)輸出，則表明電路存在故障，需要進(jìn)行故障的檢測(cè)與排除。故障檢測(cè)的基本步驟是從輸出級(jí)向輸入級(jí)逐級(jí)單元進(jìn)行排除。每一級(jí)單元都分別以各核心芯片或元件為中心，判斷某級(jí)芯片是否有故障的基本方法，是依次檢查周圍電路提供給該芯片的各輸入信號(hào)是否都正常，如果某個(gè)輸入信號(hào)不正常，則應(yīng)逆序向前檢查與其相連接的上一級(jí)單元電路的輸出信號(hào)是否正常。如果該級(jí)芯片所有的輸入信號(hào)都檢測(cè)正常，但其輸出信號(hào)不正常，則可以斷定是該芯片已經(jīng)損壞，更換芯片就可以正常工作。

據(jù)此方法，從74LS138 譯碼器芯片查起，檢查其各種輸入信號(hào)是否正常（包括VCC 和E3 引腳是否有+5V 電壓，和GND 引腳是否接地，A、B、C 引腳是否有連續(xù)方波信號(hào)輸入）。如果這些輸入信號(hào)都正常，則可以判定是譯碼器芯片已經(jīng)損壞，更換即可。如果某個(gè)輸入信號(hào)不正常，則如A 引腳沒(méi)有方波信號(hào)輸入，則應(yīng)逆向檢查與其相連接的上一級(jí)單片機(jī)芯片是否正常工作。如果單片機(jī)工作正常，則表明單片機(jī)芯片的P25 引腳與譯碼器的A 引腳的連接線不通，通常情況是這2 個(gè)引腳虛焊、連接線焊接錯(cuò)誤、連接線斷開(kāi)、與其他連接線短路等原因造成的，可以通過(guò)萬(wàn)用表的歐姆檔很容易就可以查找到問(wèn)題所在。

還有另外一種可能，那就是單片機(jī)芯片可能存在故障而沒(méi)有正常工作，自然也就沒(méi)有輸出P25 地址信號(hào)。單片機(jī)是否正常工作，可以通過(guò)檢查其ALE 引腳是否有方波信號(hào)輸出（其頻率大概是晶振頻率的六分之一）來(lái)加以判定。如果ALE 沒(méi)有信號(hào)輸出，則表明單片機(jī)沒(méi)有正常工作。此時(shí)，可以依次檢查單片機(jī)芯片的VCC 和引腳是否有+5V 電壓、GND 引腳是否接地、RESET 引腳的復(fù)位信號(hào)是否正常（在開(kāi)機(jī)通電瞬間，RESET 引腳有一個(gè)電壓沖高回落過(guò)程，這一點(diǎn)用指針式萬(wàn)用表可以很容易觀察得到）、XTAL2 晶振引腳（18 號(hào)引腳）是否有振蕩脈沖信號(hào)輸出。如果這些信號(hào)都正常，那就可以斷定是單片機(jī)芯片損壞了，需要進(jìn)行更換。

實(shí)踐中，往往在查找分析這些信號(hào)時(shí)，就找到了故障問(wèn)題所在，如線路虛焊、斷開(kāi)、短路、元件損壞等。

（2）檢查單片機(jī)輸出的低8 位地址信號(hào)

類似于單片機(jī)輸送高8 位地址信號(hào)的過(guò)程，可以讓單片機(jī)分別向這幾個(gè)外部設(shè)備地址（0x0055，0x20AA，0x4055，0x60AA）發(fā)送寫數(shù)據(jù)指令，經(jīng)過(guò)指令的解釋執(zhí)行，就會(huì)讓低8 位地址總線（A0~A7）中的每個(gè)信號(hào)線不停地循環(huán)輸出高電平和低電平，從而形成圖3 所示的輸出信號(hào)波形。

圖3 單片機(jī)輸出的低8 位地址信號(hào)

運(yùn)行上述測(cè)試程序時(shí)，繼續(xù)用示波器檢查圖中A0、A1、A2、A3 信號(hào)。運(yùn)行正常時(shí)，應(yīng)有圖3 所示的波形輸出（A4、A5、A6、A7 信號(hào)也是這樣檢查），如果沒(méi)有這樣的波形則表明相關(guān)電路有故障。

類似的，查找故障的方法，也是從地址鎖存器芯片74LS373 開(kāi)始，檢查VCC 引腳是否+5V 電壓、GND 引腳是否接地、引腳是否接地，LE 引腳是否有振蕩脈沖信號(hào)輸入，如果這些信號(hào)都正常，此時(shí)再檢查74LS373 的D0-D3 引腳是否有類似上圖的波形信號(hào)輸入，如果有則表明該地址鎖存器芯片損壞而需要更換，如果沒(méi)有這種波形信號(hào)輸入，同樣應(yīng)該順著該信號(hào)去查找上一級(jí)單片機(jī)芯片對(duì)應(yīng)的輸出引腳。

（3）檢查單片機(jī)輸出的8 位數(shù)據(jù)總線信號(hào)

檢測(cè)數(shù)據(jù)總線信號(hào)的方法，是讓單片機(jī)循環(huán)地向數(shù)據(jù)總線D0~D7 輸出0x55 和0xAA，從而讓數(shù)據(jù)總線中的每個(gè)數(shù)據(jù)線上循環(huán)地輸出高電平和低電平，從而形成連續(xù)方波的輸出。運(yùn)行上述測(cè)試程序時(shí)，繼續(xù)用示波器檢查圖中8 位數(shù)據(jù)信號(hào)D0-D7。運(yùn)行正常時(shí)，應(yīng)有圖4 所示的波形輸出。

圖4 單片機(jī)輸出的8 位數(shù)據(jù)信號(hào)波形圖

同樣地，如果檢測(cè)不到上面的波形輸出，則首先應(yīng)檢查雙向功率驅(qū)動(dòng)芯片74LS245 的輸入信號(hào)：VCC 引腳是否接+5V，GND 引腳是否接地，引腳是否接地，DIR 引腳是否有振蕩脈沖輸入，檢查完這些引腳的輸入信號(hào)正常，再檢查芯片74LS245 的輸入信號(hào)A0-A7，如果這些信號(hào)不正常，則同樣地也要順著這些信號(hào)查找其上一級(jí)芯片對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)是否正常。例如如果DIR 引腳沒(méi)有振蕩脈沖輸入的話，那就要用示波器檢查其上一級(jí)單片機(jī)芯片的讀信號(hào)（17號(hào)）引腳是否有振蕩脈沖的輸出。

（4）檢查單片機(jī)輸出的控制信號(hào)

本單片機(jī)系統(tǒng)板對(duì)外輸出的控制信號(hào)就是寫信號(hào)L2 和讀信號(hào)L3。讓單片機(jī)運(yùn)行上述測(cè)試程序，使單片機(jī)循環(huán)地對(duì)外部設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，如前所述，單片機(jī)將循環(huán)地輸出寫信號(hào)，然后用示波器直接檢查單片機(jī)的寫信號(hào)的輸出波形，如果能夠檢測(cè)到連續(xù)的振蕩脈沖波形，則說(shuō)明工作正常，否則就可以采用本文前面所述的單片機(jī)芯片檢測(cè)方法。讀信號(hào)的檢查方法類似，不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)系統(tǒng)板是最重要的模塊電路板，故障檢測(cè)的基本依據(jù)就是通過(guò)設(shè)計(jì)并運(yùn)行針對(duì)性的測(cè)試程序，檢查它是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的獨(dú)立功能，包括輸出地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)。故障檢測(cè)的基本步驟是從輸出級(jí)向輸入級(jí)逐級(jí)單元進(jìn)行排除，判斷某級(jí)芯片是否有故障的基本方法，是依次檢查周圍電路提供給該芯片的各輸入信號(hào)是否都正常，不正常則逆序檢查其上一級(jí)單元對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，直至查找到故障并加以排除。本文介紹的單片機(jī)系統(tǒng)板的故障測(cè)試程序的編寫和故障的檢測(cè)分析方法，能夠有效幫助大學(xué)生在單片機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中檢測(cè)排除故障，培養(yǎng)過(guò)硬的專業(yè)實(shí)踐技能。