数字逻辑芯片的自识别及检测

摘要：随着现代电子技术的迅速发展，芯片的应用越来越广泛。在实验室的学习案例中，74系列逻辑芯片的使用越来越频繁，保证芯片逻辑功能完好，才能确保实验结果准确。若对实验所需芯片的好坏进行检测，需核查芯片型号并逐一检测各个引脚，这往往需要耗费大量的时间和精力。针对74系列14和16引脚芯片，设计了一款基于STM32F103单片机的自识别及检测指示仪。

关键词：数字逻辑芯片；自识别；芯片检测

中图分类号：TM712 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）04-0130-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

数字芯片是数字电子实验中基础且关键的硬件[1]，芯片的完好程度直接影响实验结果的准确性。由于学生操作不规范或在存储过程中对芯片造成的损坏，可能导致芯片逻辑功能失效。同时，实验室采购的芯片无法频繁更换。因此，设计数字逻辑芯片检测仪非常有必要。本设计以实验室中常用的74系列14引脚和16引脚芯片为检测对象，支持检测的芯片型号包括：74LS00、74LS08、74LS20、74LS32、74LS54、74LS74、74LS86、74LS138、74LS151、74LS153、74LS161、74LS192等12种。该装置能够依据芯片的工作原理和内部逻辑功能特征，自动识别芯片型号并判断其逻辑功能是否完好[2]。通过优化检测程序，提高了芯片识别的速度和准确性，并将检测结果实时显示在LCD液晶屏上，便于用户直观地了解检测结果。

1 整体方案介绍

检验数字芯片的完好性，即检验其逻辑功能是否完整。该检测装置具备以下功能：1） 自适应检测14引脚和16引脚芯片；2） 自动识别芯片型号；3） 检测芯片逻辑功能是否完好。系统由主控模块、芯片检测接口模块、LCD液晶显示模块、电流检测模块、LED提示模块和电源模块组成。其整体测试框图如图1所示。

2 工作原理设计

2.1 多型号芯片处理原理

14引脚和16引脚芯片的VCC端均位于右上角第一个引脚，但14引脚芯片的GND端位于7引脚，而16 引脚芯片的GND端位于8引脚。为节约成本，采用16 引脚的IC底座，14引脚芯片可以顶端对齐放置。测试函数能够自适应地将7或8引脚置为低电平，使芯片处于工作状态[3]。IC底座与STM32单片机的连接方式如图2所示。

通过分析不同芯片的逻辑功能，封装测试任务中引脚模式切换的函数[4]。表1显示，大部分芯片的输入输出引脚状态一致，但74LS54芯片需要额外配置两个输入引脚作为输出，且仅有一个PA5引脚作为输入。而74LS20芯片则无须重新编写测试函数，因为PA2和PB5作为输入引脚时，不会产生逻辑信号冲突或短路问题。

由表2 可知，可将74LS151、74LS153 和74LS161 的测试函数按顺序排列编写，因其输入引脚大致相同，引脚状态转换时的工作量较小。其余型号芯片则根据其具体的逻辑功能进行对应的测试函数编写。

2.2 主控引脚预处理设计

本设计选用STM32F103单片机作为主控芯片，该芯片的最高时钟频率可达72 MHz，并集成了多种常用外设。由于单片机I/O口与数字逻辑芯片的电平不兼容，因此需要添加电平转换模块进行转换。为防止运行不同测试函数时，单片机引脚与待测芯片引脚之间导通产生过大电流而损坏芯片，在IC底座和电平转换模块之间添加限流电阻[5]。通过对比不同输入状态下的输出结果与真值表，可以识别出芯片型号。由于采用16引脚IC底座，STM32F103C8T6单片机需要配置15个I/O口引脚，第16个引脚连接电源正极。需要注意的是，不同型号芯片在IC底座同一位置的引脚输入输出状态不同。例如，74LS00 和74LS02 芯片中，74LS00芯片底座1端口为输入，而74LS02的1号端口为输出。因此，不同芯片的测试函数需要配置不同的引脚端口状态[6]。由于多数芯片需要较多的输入状态，暂时将STM32F103C8T6单片机所需的15个I/O口配置为推挽输出状态，并将配置过程封装成函数[7]。以74LS00为例，首先配置15个I/O口为推挽输出模式，将底座7引脚置为低电平使芯片开始工作。四组2输入与非门共有4个输出端口，需要配置4个输入引脚来接收芯片的输出信号。通过端口配置寄存器（GPIO_CRL 或GPIO_CRH） 可以重新配置I/O 口的输入输出状态。以74LS00的1Y输出端为例，将其连接至STM32单片机的PB7引脚时，需要将PB7引脚的推挽输出模式改为上拉输入模式。

该步骤需要执行的代码如下：

GPIOB ->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=8<<28。其中GPIOB ->CRL&=0X0FFFFFFF这个操作是清除 CRL 中引脚7的相关位设置。8的二进制表示为1000，因此MODE[1：0]两位为00，配置引脚为输入模式；CNF[1：0]两位为10，配置引脚为上拉输入模式，最终将GPIO_Pin_7引脚配置为上拉输入模式。同理可以将上拉输入模式配置为推挽输出模式。

2.3 逻辑芯片型号和功能检测

检测开始时，将所有引脚置为高电平，并添加高精度电流传感器（MAX4080SASA） 来检测芯片是否插反。电流检测模块的输出电压由STM32F103内置的12位ADC进行采集，若芯片插反，引脚底座的VCC端口会产生较大电流，此时系统会自动将7或8引脚置为高电平，防止其持续处于短路状态。同时，LCD1602显示屏会显示相应的提示信息。

测试函数首先会查询支持自检测型号芯片的真值表[8]，并以任务遍历的形式逐一执行测试函数。以74LS00（四组2输入与非门） 为例，说明14引脚芯片的测试方法，如图3所示。

当执行到74LS00的测试函数时，根据以下四个电平状态组合进行测试：1A=高电平，1B=高电平；1A= 高电平，1B=低电平；1A=低电平，1B=高电平；1A=低电平，1B=低电平（2A2B、3A3B和4A4B同理） 。分别测试1Y、2Y、3Y和4Y的输出结果，若检测通过，则将对应标志位置为高电平。如果至少有三个与非门的标志位被置为高电平，则确认芯片为74LS00型号。确认芯片型号后，进一步判断其逻辑功能是否完整。如果任意一个与非门的标志位未置为高电平，则认为该芯片功能出现故障。

以74LS161（同步四位二进制计数器） 为例说明16 引脚芯片的测试方法，如图4所示。

当执行到74LS161 测试函数时，首先测试清零端。将引脚底座1端口置为高电平，检测Q0、Q1、Q2 和Q3是否为低电平，若检测结果正确则将对应标志位置为高电平。接着测试预置数功能。将D0、D1、D2 和D3设置为1101，设置延时等待一个上升沿，检测Q0、Q1、Q2和Q3是否为1101，若结果正确则将对应标志位置为高电平，进位输出端和计数控制端的测试方法类似。最后将4个标志位进行与运算，若结果为“真”则表示芯片功能正常。

3 硬件电路设计

3.1 主控芯片介绍

STM32F103C8T6 的芯片工作电压范围在2.0～3.6V，最佳工作电压在3.3V。芯片具有上电/断电复位（POR/PDR）和可编程电压检测器。芯片可以外接4～16MHz外部晶体振荡器，通过内部PLL倍频，最高可达72 MHz。内部有经过出厂调校的40kHz RC振荡器，以及带有校准功能的32kHz RTC振荡器。具有低功耗模式，包括睡眠、停机和待机模式。STM32F103 系列具有2个12位模数转换器，1微秒转换时间，最多支持16个输入通道。基于以上特性，本次设计选择STM32F103C8T6作为主控芯片。

3.2 电源模块

考虑到此仪器的便携性，选择18650锂电池作为供电电源[9]。使用两个18650锂电池配合LM2596S稳压模块，为芯片测试提供5V 供电电压；同时，通过AMS1117降压模块将电压降至3.3 V，为STM32F103C8T6主控芯片供电。

3.3 芯片检测接口模块

由于STM32F103单片机与数字逻辑芯片的逻辑电平不同，需要使用双向电平转换器进行电平匹配。本次设计选用TXS0108E高速全双工8路电平转换模块。该模块支持双向电平转换，适用于常见的3.3V与5V电平之间的转换。

3.4 LED 提示模块

LED提示模块用于直观显示数字逻辑芯片检测仪的工作状态。三个LED灯分别为红灯、绿灯和黄灯。上电后，黄灯亮起表示检测插座未插入芯片。插入芯片后，黄灯熄灭。若绿灯亮起，表示芯片逻辑功能完好；若红灯亮起，则表示芯片功能已损坏。

3.5 电流检测模块

MAX4080 是一款高精度检流放大器，具有极低的输入失调电压（VOS）。在 25°C 时，其最大输入失调电压为 ±0.6 mV；在 -40°C 至 +125°C 的整个工作温度范围内，最大输入失调电压为 ±1.2 mV。MAX4080 电流检测模块通过 16 引脚与底座连接，用于实时监测引脚电流[10]。如果检测到较大电流，可能是待测芯片插反。此时，模块会触发保护机制，通过单片机将底座的 7 引脚或 8 引脚置为高电平，从而切断电路，防止待测芯片因短路而损坏。

3.6 电路保护模块

在电平转换模块与IC底座之间的每个引脚串联一个1KΩ的限流电阻，此做法是防止运行不同测试函数时，单片机引脚与待测芯片引脚之间导通产生较大电流从而烧坏芯片。经过电路实际测试，添加限流电阻后不会对输出高低电平的状态产生影响，且当引脚之间导通时的电流大小为2.62mA不会导致芯片烧坏。

4 软件设计

系统的软件设计流程图如图5所示。当系统进行上电或复位后，首先会对系统时钟、定时器以及LCD1602液晶显示屏进行初始化。初始化完毕后，进入基础页面，LED提示模块亮黄灯表示无芯片插入。插入待检测的数字逻辑芯片后，系统会对数字芯片的12或14个引脚的输入状态进行组合，并将输出结果与真值表进行比较。完成对芯片具体型号的检测后，在LCD1602液晶显示屏的第一行实时显示型号，再检查其逻辑功能是否完好。若完好，则在LCD1602液晶显示屏第二行实时显示“Chip intact”，若芯片功能有误，则显示“Chip damage”。

5 系统测试

测试开始前，首先确认待测芯片的正反，再将待测芯片插入到IC底座上。如果待测芯片在底座上插反，则电流模块上检测的电流值会过大。此时，单片机会将PA6或PA7引脚拉高以防止其一直处于短路状态。须注意的是，14引脚的待测芯片须顶格插入IC 底座。待测芯片正常工作后，根据已编写的测试函数进行任务遍历测试。在测试完一个型号后，进行下一个型号测试之前，会重新配置引脚端口的状态。本次实验总共测试了100个正常芯片和30个故障芯片，其统计结果如表3所示。

6 结论

针对数字电子技术实验课程中常见的74系列芯片损坏和重复使用率低的问题，本文设计了一种数字逻辑芯片检测仪。该仪器能够根据芯片的工作原理和内部特征自动识别型号，并判断其逻辑功能是否完好。通过对检测程序进行优化，提升了芯片识别的速度和准确性，并实时将检测结果显示在LCD液晶屏上，方便用户直观地了解检测结果。

参考文献：

[1] 华国环，董文锋，费敬敬，等.基于模拟选择开关和故障字典的数字芯片检测系统[J].仪表技术与传感器，2018（7）：77-80.

[2] 杨恒敏.74HC595芯片对单片机IO口的扩展原理与应用[J].信息与电脑（理论版），2020，32（4）：120-122.

[3] 黄晓宗.ESD保护器件研究及其在电路协同设计中的应用[D].成都：电子科技大学，2017.

[4] 徐银霞“. 数字逻辑” 课程教学方法探讨[J].中国电力教育，2013（28）：104-105.

[5] 董文锋.基于ESD保护电路的数字逻辑芯片检测系统[D].南京：南京信息工程大学，2019.

[6] 牛恩涛.模拟集成电路的测试技术研究[D].北京：华北电力大学，2015.

[7] 刘潇.一种数字电子实验常用芯片检测指示仪的研究[J].电脑开发与应用，2013，26（10）：66-67.

[8] 胡晓进.数字电子技术的实验教学分析[J].电子技术（上海），2023，52（4）：268-269.

[9] 蔡妍娜.基于多核心的便携式多线检测仪的设计与实现[J].电子技术，2017，46（9）：43-45.

[10] 罗颖，谢小军，朱才溢，等.基于霍尔传感器的直流电能计量装置设计[J].中国检验检测，2020（6）：7-12.

【通联编辑：光文玲】