基于攝像頭及單片機邏輯芯片檢測器設計*

沈楨宇，賴義漢，楊秋忠，高 瑞，李 峙

(龍巖學院 物理與機電工程學院,福建 龍巖 364012)

0 引言

在各類大中專院校電子信息類專業中均開設有電子技術課程,在課程的實驗、實訓等活動中,學生會使用大量的數字集成邏輯芯片。由于循環使用次數較多,或學生操作不當導致芯片損壞率比較高,部分芯片使用時間較長,芯片表面的標識符字跡模糊不清,無法識別其具體型號[1]。由于故障芯片會給實驗和電路調試造成很大的麻煩,會導致時間和精力上毫無意義的浪費[2-3],因此,每次實驗前都需要對芯片進行功能檢測。為能快速檢測芯片的型號及邏輯功能,設計了一款以STC15系列單片機和OpenMV攝像頭來實現集成邏輯芯片自動檢測,具有芯片型號自動識別和芯片故障自動檢測等功能,能顯示芯片管腳圖,實驗無需查看手冊,其結構簡單、檢測速度快、操作方便的檢測器,在數字邏輯電路實踐教學和數字系統設計中有良好的應用推廣價值。

1 系統總體框架及設計思路

集成邏輯芯片檢測器主要由OpenMV攝像頭識別模塊和單片機檢測系統組成,單片機檢測系統由20腳IC緊鎖座、過流檢測電路、液晶顯示模塊、報警電路等組成,系統框圖如圖1所示。

圖1 系統方框圖

首先,OpenMV攝像頭模塊讀取被測邏輯芯片上的標識符信息,并通過圖像識別算法識別芯片型號,通過串口發送給單片機檢測系統。單片機通過串口接收OpenMV攝像頭模塊發送來的芯片型號信息,并根據被測芯片型號產生對應的邏輯測試信號給被測芯片,并讀取被測芯片的輸出邏輯值,與事先設定好的邏輯真值表進行對比,如果符合該芯片的真值表功能,則說明芯片功能正常,芯片沒有損壞,否則說明芯片已損壞。當被測芯片表面標識符模糊攝像頭無法識別時,系統自動采用 “盲檢”模式,即把不同型號芯片的檢測程序逐一運行,若遇到某個型號芯片的檢測程序檢測出正確結果,則芯片正常,顯示出該芯片型號的信息。若每個檢測程序都檢測錯誤,則表示無此芯片或芯片損壞。

2 模塊電路設計

2.1 單片機檢測系統

系統控制器采用STCl5F2K60S2系列增強型單片機,其I/O口設置為推挽輸出模式,每個I/O口輸出電流最大可達到20 mA[4],其高電平電壓為5 V,低電平電壓接近0 V,由于被測集成邏輯芯片的工作電壓一般為5 V,單片機的I/O口可直接與被測邏輯芯片的輸入輸出口連接。電路原理圖如圖2所示。

圖2 單片機控制電路原理圖

由于大部分數字集成邏輯芯片電源端VDD和GND腳分布在芯片的對角上,即電源在芯片的最右上腳,GND在芯片的最左下腳,為解決不同管腳芯片電源和地分布不同問題,在檢測時,將所有芯片統一往緊鎖座的頂部靠齊,則芯片的最右上端即為緊鎖座的第20腳,固定接正電源,不同管腳的邏輯芯片只是接地不同,在設計時只要將單片機連接待測芯片的接地端的I/O口輸出低電平即可。

2.2 OpenMV攝像頭模塊

OpenMV攝像頭模塊是一個成本低、功能強大的機器視覺模塊,它以STM32單片機為核心,集成了OV7725攝像頭芯片;提供了UART、I2C以及GPIO等接口[5];內置了一些圖像處理功能,用C語言或Python語言等可以高效地實現核心機器視覺算法,可以直接調用已經封裝好的圖像處理函數;在圖像識別時,幀率可達85～90幀,速度快。在采用OpenMV攝像頭進行識別時,首先要對所有的邏輯芯片進行模型學習訓練,建立模型庫,才能正常識別芯片的型號[6]。

本設計使用了OpenMV模塊的串口 4根引腳,VCC與GND分別接入+3.3 V與GND,其串口通信接口分別與單片機的RXD、TXD連接,波特率配置為115200bps,通過串口把檢測到的芯片型號發送給單片機。

2.3 OLED顯示模塊

顯示屏采用OLED顯示模塊,其分辨率為128×64點陣,可顯示漢字及英文字母等信息,其主要功能顯示芯片的型號、功能、狀態及相關提示信息等。單片機與OLED顯示屏之間采用4針接口,主要有VCC、GND、SCL、SDA,其中SCL和SDA為IIC串行通信接口,單片機通過模擬IIC協議與OLED進行通信,發送相關的顯示數據。

2.4 過流檢測模塊

在芯片檢測時,為防止被測芯片不小心插反或者芯片內部已擊穿時電流過大燒毀其他芯片及電路,電路需增加過流檢測及報警電路。過流檢測電路是在外部電源接口與被測芯片電源VDD端之間串接了一個十幾歐姆的保護電阻,從而將電流信號轉換成電壓信號,通過單片機內部ADC模塊檢測待測芯片電源端的電壓值,在芯片正常工作時,其工作電流較小,電源電壓接近VDD,當芯片插反或短路時,電流較大,保護電阻的壓降增大,芯片的電源電壓會變小,此時系統產生報警,提醒用戶芯片插反或芯片擊穿。

3 軟件設計與測試

3.1 軟件設計總體思路

軟件設計部分主要包括攝像頭識別模塊及單片機檢測模塊,當攝像頭成功讀取芯片標識符時,通過串口發送至單片機,若攝像頭無法識別,則發送0xAA信號,攝像頭工作流程圖如圖3所示。單片機接收到發送來的芯片型號,啟動相應芯片的檢測函數,若接收到0xAA信號,則系統采用“盲檢”方式,逐一調用預存的所有芯片檢測函數,直到返回邏輯“1”或者執行完所有檢測函數為止。若所有函數執行后,仍然得不到正確的結果,則OLED液晶屏顯示“芯片已壞”或“無此芯片”,在檢測過程中,若過流檢測電路電流過大,則系統會產生聲音報警,提醒用戶更換芯片,單片機檢測系統工作流程如圖4所示。

圖3 OpenMV攝像頭工作流程圖

圖4 單片機檢測系統工作流程圖

3.2 系統測試

檢測器結構如圖5所示,為提高芯片的識別效果,OpenMV攝像頭采用長焦鏡頭,首先要對所有待測芯片進行學習訓練,形成模型庫,在識別過程中,檢測相似度在85%以上為識別成功,圖6是對74LS161、74LS86和74LS20等芯片進行的相似度測試,總體相似度都在89%以上。

圖5 檢測器結構圖

圖6 74LS161、74LS86等芯片OpenMV識別相似度

在過流保護電路測試中,對74LS112等芯片進行了測試,芯片外部電源電壓為5.06 V,當被測芯片正常放置和插反時,測量其電源端的電壓及電流的大小,其數據如表1所示,正常工作時,電源電流一般低于20 mA,若插反時,芯片的電流都比較大,一般都會超過50 mA以上。

表1 74LS112正插與反插芯片電源端電壓與電流

系統對部分組合邏輯芯片和時序邏輯芯片的功能及故障進行綜合測試,測試結果如表2所示,檢測器都能很好地識別芯片的功能及芯片的工作狀態。

表2 部分組合邏輯和時序邏輯芯片檢測情況表

4 結語

系統主要采用單片機與OpenMV攝像頭模塊的有機組合,通過圖像識別技術和單片機的檢測技術,能夠快速地檢測邏輯芯片的功能及狀態;對74LS系列和CC4000等系列邏輯芯片進行了測試,效果良好,成功率達99%以上。若要增加新的檢測邏輯芯片,只要更新單片機中的函數庫即可,硬件電路簡單,操作方便,該檢測儀可適用于絕大部分的邏輯芯片的功能及故障檢測。