2019年11月25日 | 基于LabVIEW的集成电路测试分析仪

摘要：为满足高校实验室对数字集成芯片的测试需求，利用LabVIEW软件和单片机技术，设计实现了集成电路测试分析仪。与常见的集成电路测试仪相比，系统的特色在于依托LabVIEW强大的数据分析和图形显示功能，不仅能完成常规74系列芯片的功能测试，还提供了任意输入数据编辑和波形显示功能，有利于初学者准确掌握和深入理解芯片的逻辑功能。设计中利用SN754410设计了管脚上电电路，使用USB／串口转换电路实现上位机与控制器间通信。实验表明，系统功能测试正确，运行稳定，波形图显示直观便捷，为芯片测试和数字逻辑验证提供了有力工具。

0 引言
在高校电子类专业实验教学中，数字集成电路的使用十分频繁。学生每年在实验、课程设计和课外创新等实践活动中，需要使用大量的数字集成芯片，用以完成各种实验和设计任务。每次实验用过的芯片，只要未受损坏，原则上是可以再利用的，可以节省不少的实验成本。为使芯片能够重复使用，需要有效的工具检测芯片的好坏，因为故障芯片会给电路调试造成很大的麻烦，导致时间和精力上毫无意义的浪费。一般来说，芯片故障的测试可以选择以下3种方案，即专用集成电路测试仪，功能较强，但价格较贵，不利于普及；逻辑分析仪，操作复杂，使用不便；自制集成芯片测试仪，可以依据个性化需求定制系统功能，且成本较低，利于推广。通过比较，选择第3种方案，即自制集成芯片测试仪解决实验室芯片的测试问题。

根据多年数字电路教学和实验方面的经验，学生在不熟悉芯片性能，缺乏对芯片逻辑和时序关系的感性认识的前提下，设计和调试时往往会遇到不少困难，容易挫伤学习的信心。因此，在确定集成电路测试仪功能时，要求其不仅能完成常规逻辑和时序验证功能，而且要具有简单的逻辑分析功能，学生可以自由设计激励数据，通过波形图观察相应结果。整个测试与分析过程方便、快捷、直观，学生在测试芯片的同时，可以尝试各种输入观察其逻辑时序关系，验证与自己的预期设想是否一致，加深对芯片功能和数字电路理论的理解。

1 系统结构
系统由上位机和测试控制器两部分组成，结构如图1所示。上位机提供用户界面，用户在其上设置串口，输入芯片型号和封装信息，发送测试命令，查看测试结果。该界面还提供了数据编辑和波形显示功能。测试控制器接收上位机发来的配置信息，读取固化其内部的测试矢量或用户编辑的数据，完成测试任务，将结果返回给上位机。测试控制器与上位机间通过USB总线通信，有效避免了传统RS 232通信方式对上位机接口类型的限制，使系统具有更强的适用性。

2 测试控制器设计
2．1 硬件电路设计
硬件电路由单片机、通信电路和芯片接口电路组成，结构如图2所示。

2．1．1 单片机
单片机的主要任务是通信和测试控制，是测试控制器的核心部分，其性能优劣对整个系统有着至关重要的影响。对于较复杂的逻辑，尤其是时序逻辑，所需的测试矢量较多，测试时间也比较长，因而存储空间和处理速度是制约系统性能的关键因素。综合考虑成本和性能因素，选择STC12C5A60S2单片机作为控制核心。STC12C5A60S2指令代码完全兼容传统的8051，但速度快了8～10倍，内部FLASH空间达到60 KB，能很好地满足本设计的需求。 

2．1．2 芯片接口电路
集成电路测试的主要对象是实验室常用的74系列芯片。该类型芯片封装形式有DIP14和DIF16两种，需要设计芯片接口电路解决不同封装形式的电源和地管脚上电问题。由于不论是DIP14，还是DIP16封装，其电源和地引脚相对于芯片的位置都是固定的，因此可将测试插座的第8脚固定为地，对不同封装仅需确定电源管脚的位置。另外，由于故障芯片内部有短路的可能，芯片接口单元还要考虑过流保护问题，以防止短路故障损坏测试仪硬件。

综合上述需求，选择SN754410实现电源引脚的上电控制，其内部逻辑如图3所示。SN754410是TI公司的电机驱动芯片，输出电流可达1A，其4路输出驱动器分成2组，每组由同1路输入逻辑控制。每组输出由1个使能端控制，具有三态输出功能。设计中将第1组驱动器的输出“1Y”接至被测芯片插座第14脚，第2组驱动器的输出“3Y”接至第16脚。“1Y”和“3Y”分别由输入“1A”和“3A”控制。系统空闲时，单片机控制2个使能端均为低，将输出置为高阻，断开测试插座与电源的连接。收到上位机发来的封装信息后，如果是DIP14封装，则将“1A”置高，置位使能端“1，2EN”，“1Y”输出为高，给第14脚上电。反之，对DIP16封装，将“3A”置高，控制“3Y”为第16脚加电。

对故障芯片内部可能存在的短路情况，系统具备双重保护功能，一是与2个电源管脚串接的限流电阻；二是SN754410自身具有热保护功能，当电流过大导致温升超出限度时会自动关断，保护芯片和电源不受损害。

2．1．3 通信电路
单片机系统与上位机传统上采用RS 232总线通信，但目前很多计算机尤其是笔记本电脑已不支持串口。如仍采用RS 232通信方式，则会给测试仪的应用带来极大的不便。为提高测试仪的适用性能，采用FT232设计了RS 232与USB的接口，为测试仪提供了即插即用和热插拔的良好特性。使用FT232与上位机连接前，需要事先安装相应的驱动程序。驱动装好后会在系统中产生一个虚拟串口，上位机软件可通过这个虚拟串口与测试仪建立连接。

测试仪上设计了可供选择的两路电源接口。一路通过外部稳压电源接入，另一路取自USB接口。一般情况下USB接口可以提供500 mA以下的电流，足够测试仪使用，可以免去外接电源。

2．2 测试软件设计
单片机软件采用C语言编写，以便于程序维护和扩展。软件流程图如图4所示。单片机上电后处于空闲等待状态，被测芯片插座与电源断开。当收到上位机发来的测试命令、芯片型号和封装等信息后，首先根据封装类型给对应电源管脚上电，再根据命令类型选择测试矢量来源(即决定使用固化的数据还是用户数据)。测试完毕后，如果先前命令是“功能测试”，仅将判别好坏的结果返回上位机，如果是“逻辑分析”，则需将响应矢量发回上位机，由上位机根据响应矢量数据生成波形图。

2．3 测试矢量与响应矢量设计
测试矢量和响应矢量是测试操作的基本数据结构。测试矢量是欲向芯片管脚施加的激励数据，响应矢量是单片机从芯片管脚读回的数据。两者均为16位，与芯片管脚一一对应。测试矢量的16位数据中对应于芯片输入管脚的那些数据位是激励位，对应于输出管脚的数据位是功能正确时的响应。对于功能测试，测试矢量预先根据真值表生成并存于单片机FLASH中。如果是逻辑分析，测试矢量由用户提供。响应矢量中仅对应于芯片输出管脚的那些数据位有意义，单片机通过读取芯片管脚状态获得响应矢量。

一个完整的测试过程包含施加测试矢量、读取响应矢量、响应矢量比较3个步骤。为了简化操作，单片机采用端口读写方式，这样一个16位的矢量只需2次8位读或写操作即可完成。需要注意的是，响应矢量与测试矢量的比较仅对其中的芯片输出位有意义，由于程序中采用字节比较方式，应采取措施屏蔽掉输入位对比较结果的影响。针对这个问题，设置了16位的屏蔽矢量，该矢量将对应于芯片输入管脚的数据位置“0”，对应于芯片输出管脚的数据位置“1”。在执行比较操作前，先将测试矢量和响应矢量分别与屏蔽矢量进行位与后再比较，从而消除了输入位对比较结果的影响。屏蔽输入位的流程如图5所示。

3 上位机软件设计
上位机软件提供了一个操作友好的人机界面，使用LabVIEW平台开发。LabVIEW是图形化编程工具，内置有各种仪器驱动程序和操作面板控件，非常适合测试与控制系统的设计。利用LabVIEW开发上位机软件需要重点解决2个问题：一是通信功能的实现；二是测试数据编辑和波形显示的实现。

LabVIEW中实现串行通信十分方便，仅需调用串口配置、串口写、串口读等函数，对函数参数简单设置即可，整个过程完全图形化操作，简便快捷。测试数据编辑和波形图显示是本设计的一个特色，利用LabVIEW中的数字数据(Digital Data)和数字波形图(Digital Wave Gragh)控件可以十分容易地实现这2个功能。数字数据控件类似于一张真值表，用户可以任意添加和删除数据。数字波形图将测试响应以图形的方式直观显示出来，横轴代表时间，纵轴代表信号，不同信号配以不同的颜色，便于识别与分析。开发的软件界面如图6所示。软件包括功能测试和逻辑分析2部分。功能测试位于界面左侧，用于快速判别芯片有无故障，用户仅需设置好芯片型号、封装类型、串口号等参数，按下“开始测试”按钮启动测试。如果功能正常，则会显示绿灯表明测试结果正确。反之显示红灯，指示芯片故障。界面右侧是逻辑分析部分，用户预先在数据窗口中编辑好测试向量，按下“发送数据”按钮启动测试，待测试完成后即可看到用波形图显示的响应结果。

4 结语
本设计利用LabVIEW开发平台和单片机系统，实现了一个性价比良好，界面美观，操作方便，体积小巧的集成电路测试分板仪。该仪器在传统功能测试的基础上加以扩展，增加了芯片逻辑分析功能，并辅以波形图的直观显示方式。经测试，系统功能正确，运行稳定，各项指标均达到要求，为数字电路实验教学和管理提供了有力工具，具有良好的推广与应用价值。