CN107422255A - 一种数字芯片故障检测***及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字芯片故障检测***，待测数字芯片的VDD引脚、GND引脚分别通过继电器模块与电源模块的+5V引脚和GND引脚连接，各输入引脚、输出引脚分别通过模拟选择开关与电源模块的+5V引脚和GND引脚连接。单片机通过控制继电器模块、模拟选择开关，使待测数字芯片的任一引脚与+5V电源、GND端中的任一指定位置连接。本发明还公开了一种数字芯片故障检测方法，通过流经VDD引脚和GND引脚的电流大小判断待测引脚是否存在短路、开路故障，根据待测数字芯片的逻辑输出判断待测数字芯片是否存在逻辑功能故障。本发明检测速度快、检测成本低、检测结果可靠。

Description

一种数字芯片故障检测***及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种数字芯片故障检测***及其检测方法。

背景技术

以74HC00、74HC32为代表的74系列数字芯片，在高校数字电路实验课程中被大量使用。日常教学过程中，由于数字芯片的使用周期长、重复使用率高、学生操作不规范等原因，数字芯片不可避免地会出现各类故障。如果学生使用到故障芯片，将严重影响其课程效果和学习进度。因此，实验课程的任课教师应当在课前剔除故障芯片。

传统的芯片故障检测方法是手工检测：检测人员对照数字芯片的逻辑真值表，依次检测待测芯片每一个逻辑门的功能。但是这种方法不但连线复杂，费时费力，而且检测结果的可靠性较低。如果每一个引脚都放置专门的检测电路，则14脚的数字芯片需要放置12个检测电路，每个检测电路都必须具备全部的检测功能，这将会导致PCB板面积占用较大、硬件成本花费较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种数字芯片故障检测***，解决现有技术中数字芯片故障检测接线复杂、检测结果可靠性不高、费时费力的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所提供的数字芯片故障检测***，包括单片机和电源模块；

所述电源模块的+5V引脚和GND引脚连接通过第一继电器模块与待测数字芯片的VDD引脚连接，通过第二继电器模块与待测数字芯片的GND引脚连接；

所述电源模块的+5V引脚和GND引脚还通过第一模拟选择开关与待测数字芯片的各输入引脚连接，通过第二模拟选择开关与待测数字芯片的各输出引脚连接；

所述待测数字芯片的VDD引脚上还连接有第一电流检测器，待测数字芯片的GND引脚上还连接有第二电流检测器；

所述第一继电器模块、第二继电器模块、第一模拟选择开关、第二模拟选择开关、第一电流检测器、第二电流检测器分别与单片机的相应引脚连接；

所述待测数字芯片的输出引脚还通过所述第二模拟选择开关与单片机连接；

单片机通过第一继电器模块、第二继电器模块、第一模拟选择开关、第二模拟选择开关选择待测数字芯片需要检测的引脚，根据第一电流检测器、第二电流检测器输出的电流，对照故障字典判断数字芯片的各引脚是否存在短路或开路故障；根据待测数字芯片的输出引脚的逻辑输出，对照真值表判断数字芯片是否存在逻辑功能故障。

第一电流检测器、第二电流检测器为霍尔电流传感器。

所述第一继电器模块、第二继电器模块均由两个单刀双掷继电器级联组成。

所述第一模拟选择开关、第二模拟选择开关分别由两个双通道模拟多路选择器组成，其中一个双通道模拟多路选择器的nZ端连接到另一个双通道模拟多路选择器的nZ端。

所述单片机上还连接有人机交互模块。

所述单片机上还连接有显示器。

所述数字芯片故障检测***还包括芯片插座，所述待测数字芯片固定于芯片插座上。

本发明还公开了一种数字芯片故障检测方法，其特征在于，

将电源模块的+5V引脚和GND引脚与待测数字芯片的待测引脚、以及待测数字芯片的VDD引脚、GND引脚对应连接；通过数字芯片的VDD引脚和GND引脚的输出电流判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚、GND引脚之间是否存在短路、开路故障，根据待测数字芯片的逻辑输出判断待测数字芯片是否存在逻辑功能故障。

判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚、GND引脚之间是否存在短路或开路故障的具体方法是：

将待测引脚接地，待测数字芯片的VDD引脚接+5V电源，将待测数字芯片VDD引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间是否存在短路故障的依据是：如果待测数字芯片的VDD引脚输出电压值高于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间存在短路故障，否则，待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间不存在短路故障；

将待测引脚接+5V电源，待测数字芯片的VDD引脚接地，将待测数字芯片VDD引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间是否存在开路故障的依据是：如果待测数字芯片的VDD引脚输出电压值低于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间存在开路故障，否则，待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间不存在开路故障；

同理：

将待测引脚接地，待测数字芯片的GND引脚接+5V电源，将待测数字芯片GND引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的GND引脚之间是否存在短路故障的依据是：如果待测数字芯片的GND引脚输出电压值高于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的GND引脚之间存在短路故障，否则，待测引脚与数字芯片的GND引脚之间不存在短路故障；

将待测引脚接+5V电源，待测数字芯片的GND引脚接地，将待测数字芯片GND引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的GND引脚之间是否存在开路故障的依据是：如果待测数字芯片的GND引脚输出电压值低于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的GND引脚之间存在开路故障，否则，待测引脚与数字芯片的GND引脚之间不存在开路故障。

判断待测数字芯片是否存在逻辑功能障碍的方法是：

对照数字芯片的真值表，如果待测数字芯片的实际响应与理论响应一致，则不存在逻辑故障，否则，存在逻辑故障。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、本发明除了可以检测数字芯片的逻辑功能故障外，还可以基于故障字典原理检测数字芯片各引脚与数字芯片VDD端、GND端是否存在短路、开路等故障，并可确定具体的故障引脚与故障类型；

2、通过单刀双掷继电器模块、模拟选择开关进行数字芯片的引脚选择，避免繁琐的接线操作，在不影响检测功能的基础上极大地节省了硬件电路的面积占用和器件开销；

3、采用单片机进行引脚选择，故障检测耗时短，检测数字芯片的逻辑功能故障和短路、开路故障所需的时间不超过0.2秒；

4、故障检测结果和详细检测信息可通过显示器显示，相比单一的LCD液晶屏，可以展示更为详细的检测结果信息，并可加以保存用于芯片生产的故障分析。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述。

图1是单片机的电路图；

图2是第一继电器模块、第二继电器模块与继电器驱动单元连接的电路图；

图3是电源模块的电路图；

图4是SN74HC32型14P数字芯片的引脚图；

图5是应用于SN74HC32型14P数字芯片故障检测的模拟选择开关的电路图；

图6是显示器的引脚图；

图7是人机交互模块的电路图；

图8是用于连接单片机与上位机的MAX232串口的电路图；

图9本发明提供的数字芯片故障检测方法的流程图；

图10是判断数字芯片是否存在短路或开路故障的流程图；

图11是判断数字芯片是否存在逻辑功能障碍的流程图。

具体实施方式

本发明提供的数字芯片故障检测***，包括单片机和电源模块。

待测数字芯片的VDD引脚通过第一继电器模块与电源模块的+5V引脚和GND引脚连接，待测数字芯片的GND引脚通过第二继电器模块与电源模块的+5V引脚和GND引脚连接。待测数字芯片的各输入引脚通过第一模拟选择开关与电源模块的+5V引脚和GND引脚连接，待测数字芯片的各输出引脚通过第二模拟选择开关与电源模块的+5V引脚和GND引脚连接。第一继电器模块、第二继电器模块、第一模拟选择开关、第二模拟选择开关分别与单片机的相应引脚连接。单片机通过程序控制第一继电器模块、第二继电器模块、第一模拟选择开关、第二模拟选择开关，使得待测数字芯片的任意一个引脚可以与+5V电源、GND端中的任意一个指定位置连接。

待测数字芯片的VDD引脚上还连接有第一电流检测器，待测数字芯片的GND引脚上还连接有第二电流检测器。

单片机通过第一电流检测器获取待测数字芯片VDD引脚上的电流值，通过第二电流检测器获取待测数字芯片GND引脚上的电流值，进而判断待测引脚是否发生短路或开路故障。为了能够对待测数字芯片输出引脚的逻辑功能进行检测，待测数字芯片的各输出引脚还通过第二继电器模块与单片机连接。

如图1所示，是单片机的电路图，单片机型号优选MSP430F169，具有超低功耗、价格低、功能丰富等优点。单片机的XOUT、XIN引脚接8MHz的外部石英晶振，X2OUT、X2IN引脚接32768Hz的外部石英晶振，RST引脚接复位电路。

第一电流检测器、第二电流检测器均选用霍尔电流传感器，本发明选用的霍尔电流传感器由深圳市厚施科技有限公司生产，产品型号为HBC-LSP 6A。HBC-LSP系列单电源霍尔电流传感器是应用霍尔效应原理开发的闭环霍尔电流传感器，能在电隔离条件下测量穿过器件中心通孔的直流电流值。霍尔电流传感器的检测结果以电压的形式输出，霍尔电流传感器的输出端连接到MSP430F169单片机的片上ADC模块，ADC模块可以检测霍尔电流传感器的输出电压值。HBC-LSP 6A采用5V直流供电，测量量程为6A，当霍尔电流传感器中心通孔内无电流通过时，霍尔电流传感器的输出电压Vout为2.5V，当霍尔电流传感器中心通孔内存在电流时，霍尔电流传感器输出电压Vout与通过中心通孔的电流值之间的计算公式为Vout＝2.5+I/Ip，Ip为测量量程，电流I可以是负值，取决于电流方向。

第一继电器模块、第二继电器模块均由两个单刀双掷继电器级联组成，单刀双掷继电器的型号为HK4100F-DC，由于MSP430F169单片机的普通I/O口驱动能力不够，难以驱动继电器工作，因此本发明需要使用高耐压、大电流复合晶体管集成芯片ULN2003。ULN2003是由7个硅NPN复合晶体管构成的大电流、耐高压复合晶体管阵列。ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。如图2所示，是第一继电器模块、第二继电器模块与继电器驱动单元连接的电路图。

电源模块负责提供稳定的5V和3.3V直流电源。如图3所示，是电源模块的电路图。

第一模拟选择开关、第二模拟选择开关分别由两个双通道模拟多路选择器组成，其中一个双通道模拟多路选择器的nZ端连接到另一个双通道模拟多路选择器的nZ端，用于控制多路不同的信号导通到特定引脚。

如图6所示，是显示器的引脚图，本发明中显示器选用LCD12864型显示模块，单片机通过并行电路与显示器传递数据，用于显示检测结果。

如图7所示，是人机交互模块的电路图，按键S1用于选择芯片型号，按键S2用于确定芯片型号，指示灯，用于指示电源模块的工作状态，若灯正常亮起，则供电模块处于工作状态。

如图8所示，是用于连接单片机与上位机的MAX232串口的电路图。

为了便于对更换待测数字芯片，本发明设计了一种用于安装待测数字芯片的芯片插座，进行故障检测时将待测数字芯片固定于芯片插座上即可，本发明提供的检测***。

下面以SN74HC32型14P数字芯片为例，对本发明提供的数字芯片故障检测***作进一步详细描述。

图4是SN74HC32型14P数字芯片的引脚图，包括VDD引脚、GND引脚、A端(0A，1A，2A，3A)、B端(0B，1B，2B，3B)和Y端(0Y，1Y，2Y，3Y)，共计14个引脚。双通道模拟多路选择器选用74HC4052型双4通道模拟多路选择器，A端、B端首先分别连接一个双4通道模拟多路选择器，实现四路输入信号选择一路信号输出，然后再将双4通道模拟多路选择器的nZ端连接到另一个双4通道模拟多路选择器的nZ端，实现一路输入信号输出到四路通道中的特定某一路。如图5所示，是应用于SN74HC32型14P数字芯片故障检测的模拟选择开关的电路图。

本发明还提供了一种数字芯片的故障检测方法，该方法是采用上述故障检测***实现的。如图9所示，用户下达检测命令之后，***依次对数字芯片进行短路检测、开路检测和逻辑功能检测。在检测过程中，一旦发现芯片存在某种故障，为确保安全，立刻取消后续的检测流程，***停止检测并显示检测结果。具体检测方法为：

将电源模块的+5V引脚和GND引脚与待测数字芯片的待测引脚、以及待测数字芯片的VDD引脚、GND引脚对应连接；通过数字芯片的VDD引脚和GND引脚的输出电流判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚、GND引脚之间是否存在短路、开路故障，根据待测数字芯片的逻辑输出判断待测数字芯片是否存在逻辑功能故障。

如图10所示，判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚、GND引脚之间是否存在短路或开路故障的具体方法是：

将待测引脚接地，待测数字芯片的VDD引脚接+5V电源，将待测数字芯片VDD引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间是否存在短路故障的依据是：如果待测数字芯片的VDD引脚输出电压值高于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间存在短路故障，否则，待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间不存在短路故障。

将待测引脚接+5V电源，待测数字芯片的VDD引脚接地，将待测数字芯片VDD引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间是否存在开路故障的依据是：如果待测数字芯片的VDD引脚输出电压值低于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间存在开路故障，否则，待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间不存在开路故障。

同理：

将待测引脚接地，待测数字芯片的GND引脚接+5V电源，将待测数字芯片GND引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的GND引脚之间是否存在短路故障的依据是：如果待测数字芯片的GND引脚输出电压值高于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的GND引脚之间存在短路故障，否则，待测引脚与数字芯片的GND引脚之间不存在短路故障。

将待测引脚接+5V电源，待测数字芯片的GND引脚接地，将待测数字芯片GND引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的GND引脚之间是否存在开路故障的依据是：如果待测数字芯片的GND引脚输出电压值低于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的GND引脚之间存在开路故障，否则，待测引脚与数字芯片的GND引脚之间不存在开路故障。

如图11所示，判断待测数字芯片是否存在逻辑功能障碍的方法是：

对照数字芯片的真值表，如果待测数字芯片的实际响应与理论响应一致，则不存在逻辑故障，否则，存在逻辑故障。

下面同样以SN74HC32型14P数字芯片为例，对本发明方法作进一步详细描述：

单片机通过程序判断数字芯片某一引脚是否存在短路、开路和逻辑功能故障的函数分别是Judge_short()、Judge_open()和Judge_logic()，检测芯片整体是否存在短路、开路和逻辑功能故障的函数分别是Detect_short()、Detect_open()和Detect_logic()。以检测数字芯片短路为例，函数Judge_short()可以检测待测芯片某一引脚与待测芯片的VDD端或GND端是否存在短路故障，而函数Detect_short()通过多次调用函数Judge_short()来实现对芯片所有引脚的短路检测。检测***对芯片引脚的开路检测和逻辑功能检测也是基于相同的参数设定方法，这样可以极大地减少程序的代码量，减少软件开发时间，并提高代码的可读性。

由于函数Judge_short()会被多次调用来检测不同引脚的短路故障，因此函数原型必须选择适合的参数，以方便被其他语句在for循环语句中反复调用。

下面以短路检测为例子说明本发明中检测程序的参数设定方式：判断数字芯片某一引脚是否存在短路故障的函数int Judge_short()，其原型是int Judge_short(ucharway,uchar ab,uchar vg)，该函数一共有三个unsigned char型参数：way、ab和vg。

如表1所示，参数way和ab表示待测引脚的编号，way可以取0，1，2，3四种值，ab可以取0，1，2三种值，分别对应A、B、C；vg用于表示另一被测端是VDD还是GND，vg可以取0和1两种值，分别对应VDD和GND。

表1数字芯片检测函数参数表

下面以Judge_short(2,1,0)为例做进一步的解释：由于参数way等于2，参数ab等于1，参数vg等于0，所以这个函数的作用是检测待测芯片引脚2B与芯片VDD端是否存在短路故障。

在Judge_short()函数编写完成之后，Detect_short()函数只需要多次调用Judeg_short()函数，即可实现对整个待测数字芯片的短路检测。由于待测数字芯片在检测过程中需要多次将待测数字芯片的VDD端、GND端置于非正常工作环境下，因此在检测完成之后，将待测数字芯片的VDD端和GND端全部悬空，避免待测数字芯片长时间处于非正常工作状态而出现不必要的损坏。

单个引脚的短路检测函数Judege_short()和单个引脚的开路检测函数Judge_short()都有way、ab和vg三个参数。短路检测前，需要先对硬件电路中所有的74HC4052芯片进行适当的配置，让模拟通道开关工作在所需状态，使得待测数字芯片的特定引脚与指定位置导通。

首先根据变量way确定74HC4052芯片的导通通道，即确定74HC4052芯片的Y端与Y0、Y1、Y2、Y3中的哪一个通道导通，A端、B端也是如此；接着，根据变量ab使能指定的74HC4052芯片，并将其余的74HC4052芯片置于不工作的状态，以避免对被测引脚造成不必要的干扰，如果要检测A端某一引脚的功能，***就会使能A端4052芯片，而将B端和Y端的4052芯片置于不工作状态；然后，通过片上ADC获得霍尔电流传感器检测到的电压值；最后，将电压变化幅度与通过故障字典设定的阈值进行比较，以判定芯片是否存在路障。在短路检测时，电压变化幅度超过设定阈值则被判定为短路故障；而在开路检测时，电压变化幅度低于设定阈值则被判定为开路故障。本发明的短路检测和开路检测在起初的大多数步骤都是一致的，只在最后的故障判定上存在部分的差异。逻辑功能检测不需要使用霍尔电流传感器，只需对照真值表判断数字芯片的实际输出是否与正确输出一致。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种数字芯片故障检测***，其特征在于，包括单片机和电源模块；

所述电源模块的+5V引脚和GND引脚连接通过第一继电器模块与待测数字芯片的VDD引脚连接，通过第二继电器模块与待测数字芯片的GND引脚连接；

所述电源模块的+5V引脚和GND引脚还通过第一模拟选择开关与待测数字芯片的各输入引脚连接，通过第二模拟选择开关与待测数字芯片的各输出引脚连接；

所述待测数字芯片的VDD引脚上还连接有第一电流检测器，待测数字芯片的GND引脚上还连接有第二电流检测器；

所述第一继电器模块、第二继电器模块、第一模拟选择开关、第二模拟选择开关、第一电流检测器、第二电流检测器分别与单片机的相应引脚连接；

所述待测数字芯片的输出引脚还通过所述第二模拟选择开关与单片机连接；

单片机通过第一继电器模块、第二继电器模块、第一模拟选择开关、第二模拟选择开关选择待测数字芯片需要检测的引脚，根据第一电流检测器、第二电流检测器输出的电流，对照故障字典判断数字芯片的各引脚是否存在短路或开路故障；根据待测数字芯片的输出引脚的逻辑输出，对照真值表判断数字芯片是否存在逻辑功能故障。

2.根据权利要求1所述的数字芯片故障检测***，其特征在于，第一电流检测器、第二电流检测器为霍尔电流传感器。

3.根据权利要求1所述的数字芯片故障检测***，其特征在于，所述第一继电器模块、第二继电器模块均由两个单刀双掷继电器级联组成。

4.根据权利要求1所述的数字芯片故障检测***，其特征在于，所述第一模拟选择开关、第二模拟选择开关分别由两个双通道模拟多路选择器组成，其中一个双通道模拟多路选择器的nZ端连接到另一个双通道模拟多路选择器的nZ端。

5.根据权利要求1所述的数字芯片故障检测***，其特征在于，所述单片机上还连接有人机交互模块。

6.根据权利要求1所述的数字芯片故障检测***，其特征在于，所述单片机上还连接有显示器。

7.根据权利要求1所述的数字芯片故障检测***，其特征在于，还包括芯片插座，所述待测数字芯片固定于芯片插座上。

8.采用权利要求1~6任一项所述的数字芯片故障检测***的数字芯片故障检测方法，其特征在于，

将电源模块的+5V引脚和GND引脚与待测数字芯片的待测引脚、以及待测数字芯片的VDD引脚、GND引脚对应连接；通过流经数字芯片VDD引脚、GND引脚的电流大小判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚、GND引脚之间是否存在短路或开路故障，根据待测数字芯片的逻辑输出判断待测数字芯片是否存在逻辑功能故障。

9.根据权利要求8所述的数字芯片故障检测方法，其特征在于，判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚、GND引脚之间是否存在短路或开路故障的具体方法是：

将待测引脚接地，待测数字芯片的VDD引脚接+5V电源，将待测数字芯片VDD引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间是否存在短路故障的依据是：如果待测数字芯片的VDD引脚输出电压值高于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间存在短路故障，否则，待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间不存在短路故障；

将待测引脚接+5V电源，待测数字芯片的VDD引脚接地，将待测数字芯片VDD引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间是否存在开路故障的依据是：如果待测数字芯片的VDD引脚输出电压值低于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间存在开路故障，否则，待测引脚与数字芯片的VDD引脚之间不存在开路故障；

同理：

将待测引脚接地，待测数字芯片的GND引脚接+5V电源，将待测数字芯片GND引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的GND引脚之间是否存在短路故障的依据是：如果待测数字芯片的GND引脚输出电压值高于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的GND引脚之间存在短路故障，否则，待测引脚与数字芯片的GND引脚之间不存在短路故障；

将待测引脚接+5V电源，待测数字芯片的GND引脚接地，将待测数字芯片GND引脚输出的电压值与故障字典设定的阈值进行比较，判断待测引脚与数字芯片的GND引脚之间是否存在开路故障的依据是：如果待测数字芯片的GND引脚输出电压值低于设定故障字典设定的阈值，则待测引脚与数字芯片的GND引脚之间存在开路故障，否则，待测引脚与数字芯片的GND引脚之间不存在开路故障。

10.根据权利要求8所述的数字芯片故障检测方法，其特征在于，判断待测数字芯片是否存在逻辑功能障碍的方法是：

对照数字芯片的真值表，如果待测数字芯片的实际响应与理论响应一致，则不存在逻辑故障，否则，存在逻辑故障。