单片机最小系统的测试

项目9单片机最小系统的测试•9．1．1项目内容•单片机系统规模较小，本身不具备自我开发和测试能力，正确选择单片机应用系统，判断其工作性能是设计开发前的一项重要工作，采用简易逻辑测试设备、逻辑分析仪等仪器，对单片机最小系统的功能进行测试，并对其配置和性能做出评价。9．1项目要求•9．1．2知识要求•掌握数字系统的特点、熟悉单片机应用系统的构成、了解数据域测试的基本方法、掌握简易逻辑测试设备、逻辑分析仪仪器的工作原理和测试方法。9．2相关知识•9．2．1数据域测试的概念•1、数据域测试特点被测信号持续时间短。被测信号故障定位难。被测信号的非周期性。信息传递方式多样化。外部测试点少。•2、数据域测试主要目标•数据域测试的目标，一是确定系统中是否存在故障，称为合格/失效测试，或称故障检测；二是确定故障的位置，称为故障定位。•3、数据域测试的方法•从输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一致表示系统有故障。一般有穷举测试法、功能测试法、结构测试法和随机测试法。•4、数据域测试的步骤测试系统总线测试程序输入计算机测试结果输出时钟发生器实效存储器逻辑比较器电平比较器参考电压被测电路图形发生器波形合成器驱动器图9.1LSI测试系统的简化框图•5、数据域测试主要设备•数据域测试的主要设备有：逻辑笔和逻辑夹、逻辑分析仪、特征分析仪、激励仪器、微机及数字系统故障诊断仪、在线仿真仪、数据图形产生器、微型计算机开发系统、印制电路板测试系统等。•9．2．1数据域测试的概念•1、失效和故障•当系统提供的服务违背了技术规范，或者偏离了其预定功能时，表示系统已失效。失效的根源是故障，但故障并不等于失效。•2、发生故障的原因•一类是由设计原因引起的，它包括设计规范有错误或含糊不清、设计人员进行了违背规范的设计等，这类故障主要依靠设计人员通过逻辑正确性验证来消除。•另一类故障是由物理原因引起的，称为物理故障。例如在制造期间焊点开路、接线开路和短路、管脚短路和断裂等；在存储期间由于温度、湿度和老化等因数引起的故障•3、故障特征的描述•（1）故障性质•是逻辑故障还是非逻辑故障。逻辑故障使电路中某一条引线的逻辑值变成其规定值的相反值。逻辑故障之外的其它故障统称为非逻辑故障。•（2）故障的值•对逻辑故障而言，某引线产生了一个固定的错误逻辑值或者是变化的错误逻辑值。•（3）故障的范围•只影响单条引线的故障是局部故障；影响多条引线的故障是分布式故障。•（4）故障的持续时间•永久性故障若不经修理是一直存在的；间歇性故障是有时出现，有时不出现的故障，大多数是由于参数临界或器件老化等原因引起的。•4、故障模型•（1）建立故障模型的作用•一是用结构测试代替功能的完全检查，以降低测试的复杂性。二是为了适应不同层次的测试要求。•（2）对故障模型的要求•故障模型不但要能精确地反映实际的物理故障，而且要能方便测试产生和评价。•（3）常见故障模型•①固定故障模型②晶体管故障模型•③门级故障模型④功能块级故障模型•⑤存储故障模型⑥可编程逻辑阵列故障模型⑦微处理器故障模型⑧临时故障模型•9．2．3逻辑电路的简易测试•简易逻辑电平测试设备常见的有逻辑笔和逻辑夹，它们主要用来判断信号的稳定电平、单个脉冲或低速脉冲序列。其中逻辑笔用于测试单路信号，逻辑夹则用于多路信号。•1、逻辑笔的基本组成•被测信号经过输入保护电路后同时加到高、低电平比较器，比较结果分别加到脉冲展宽电路，以保证测量单个窄脉冲时有足够时间点亮指示灯。被测信号输入高电平比较器低电平比较器高电平脉冲扩展低电平脉冲扩展高电平指示灯+5V低电平指示灯图9.2逻辑笔的基本组成输入保护电路指示驱动电路•2、逻辑笔的应用•逻辑笔可用于判断某一端点的逻辑状态。逻辑笔有两只指示灯，红灯指示逻辑“1”（高电平），绿灯指示逻辑“0”（低电平）。•9．2．4逻辑分析仪•1、逻辑分析仪的主要特点•（1）以荧光屏显示的方式表示出数字系统的运行情况，便于观察。•（2）有足够多的输入通道。可同时检查32、64路甚至更多路信号。•（3）具有多种灵活的触发方式，确保对被观察数据流的准确定位。•（4）具有记忆功能，可以观测单次及非周期性数据信息，并可诊断随机故障。•（5）具有限定功能，可对数据进行挑选，删除无关数据。•（6）具有多种显示方式。•（7）具有可靠的毛刺检测能力。•2、逻辑分析仪的分类•逻辑分析仪按其工作特点，可分为逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪两大类。这两类分析仪的基本结构是相同的，二者的主要区别在于显示方式和定时方式不同。•逻辑状态分析仪主要用于检测数字系统的工作程序。并用字符“0”和“1”、助记符或映射图等来显示被测信号的逻辑状态，以便对系统进行状态分析。•逻辑定时分析仪用定时图方式显示状态信息，与示波器显示方式类似，即水平轴代表时间，而垂直轴代表电压幅度。它可显示各通道的逻辑波形，特别是各通道之间波形的时序关系。主要用于数字系统的硬件测试。•3、逻辑分析仪与传统示波器的比较•4、逻辑分析仪基本组成被测数据数据存储时钟选择外时钟内时钟CRT数据捕获部分数据显示部分图9.4逻辑分析仪的基本组成输入变换电路数据显示电路触发产生•5、逻辑分析仪的触发方式•（1）组合触发•（2）手动触发•（3）延迟触发•（4）序列触发•（5）限定触发•（6）计数触发•（7）毛刺触发••现代逻辑分析仪还有其它一些触发方式，随着数字系统及微机系统的发展，对逻辑分析仪的触发方式将提出了越来越高的要求，新的触发方式也会出现。在使用时，应注意正确选择触发方式。•（4）序列触发•（5）限定触发•限定触发是对设置的触发字加限定条件的触发方式。如有时选定的触发字在数据流中出现较为频繁，为了有选择地捕捉、存储和显示特定地数据流，可以附加一些约束条件。这样，只要数据流中未出现这些条件，即使触发字频繁出现，也不能进行有效地触发。••限定条件与门数据流触发识别限定条件触发信号图9.7限定触发信号产生•6、逻辑分析仪的显示方式•（1）状态表显示（2）反汇编显示••6、逻辑分析仪的显示方式•(3)定时图显示•(4)图解显示•6、逻辑分析仪的显示方式•（5）影射图显示（6）分解模块显示•高层次的逻辑分析仪•可设置多个显示模式。•6、逻辑分析仪的显示方式•（6）分解模块显示•7、逻辑分析仪的基本应用•（1）逻辑定时仪的面板和主要控键•7、逻辑分析仪的基本应用•（2）逻辑分析仪的基本应用•▲数字系统软件测试•是在跟踪数据流时，设置正确的触发字和触发方式，建立合适的数据显示窗口，有选择地捕获有效数据。•7、逻辑分析仪的基本应用•（2）逻辑分析仪的基本应用•▲微处理器测试•逻辑分析仪可同时将微处理器的数据总线、地址总线和控制总线的信息进行采集、显示，分析其时序关系。•▲数字集成电路测试•将数字集成电路接入逻辑分析仪中，通过选择适当的显示方式，得到具有一定规律得图形。如果显示不正常，可以通过显示过程中不正确的图形，找出逻辑错误的位置。•▲数字系统故障诊断•要查找并确定数字系统产生错误的原因，把测试数据加到被测电路中并由逻辑分析仪测量其响应。逻辑故障使用工具范围从专用协议分析仪到通用的图形发生器和可进行复杂设计的分析仪。9．3项目实施•9．3．1所需实验设备和附件•1、被测51单片机最小系统实验板1块•2、逻辑笔1只•3、UT56数字多用表1台•4、LA2116逻辑分析仪1台•5、测试连接线若干•9．3．2实施步骤•1、实验原理•(1)单片机系统及性能描述•单片机本身是一个集成芯片，集成了CPU、存储器、基本的I/O接口以及计时器/计数器。按照单片系统的扩展与配置的复杂程度情况分，单片机应用系统可以分为最小系统、典型应用系统和增强型应用系统。•单片机最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置系统，对于片内有EPROM的单片机，只要配上晶振复位电路和电源就可以构成最小应用系统；片内无EPROM的单片机，需要扩展外部程序存储器。这种系统硬件电路构成简单、功能取决于单片机内部集成的功能、成本低廉，常常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制、时序控制等。•一般情况下，根据一个实际的应用系统选择单片机时，应对单片机系统的性能进行判定，主要项目包括：•▲单片机系统是否具有适应性。主要指所选用的单片机能否完成应用系统的控制任务，或通过增加一些外围集成电路能够完成系统任务。•▲单片机的CPU是否具有合适的处理能力。主要表现在CPU的位数、运行速度、指令功能、指令周期的长短、中断能力以及堆栈大小等指标。•▲单片机是否具有系统所需的IO端口数。•▲单片机是否具有系统所需的的中断源和定时器。•▲单片机是否具有系统所需的外围接口。•▲单片机的极限性是否满足要求。•(2)LA2116逻辑分析仪简介•LA-2116/128K是连接台式计算机或笔记本电脑的便携式逻辑分析仪，它有16个通道，每通道有100Mbt/s采样速率和128K的存储深度，具有多种触发功能，能进行时序和状态分析，软件运行在Win95/98/2000/xp平台下。•①硬件安装•②软件安装•③主界面及控制菜单•④仪器初始化•④仪器显示界面•2、实验步骤（参看教材）•3、结果显示和分析（定时图）•3、结果显示和分析（状态图）9．4扩展知识•9．4．1模块化的逻辑分析仪•现代逻辑分析仪的测量部分采用灵活的模块结构，插槽可插入各种模块插件以完成要求的测试任务。如HP16500A具有5个插槽，如果5个插槽全部插入逻辑分析仪插件，可构成400通道的逻辑分析仪；全部插入示波器插件，可作为8通道的示波器使用。这样，现代逻辑分析仪既是逻辑分析仪，也可以是示波器。•每个模块可单独执行测量任务，同时模块之间还可进行交互测量，交互测量可完成单个模块难以完成的测量。模块的更换和交互测量为逻辑分析仪提供了更强的功能。•9．4．2误码仪•1、误码及误码率概念•通常，衡量一个数字通信系统传输的快慢用码率或传码率来描述，定义为每秒钟传送码元的数目，单位是“波特”，通常用“B”表示。•当发送端发送的是二进制数字“1”码时，接收端得到的确是“0”码；在发送端发送“0”码时，接收端得到的是“1”码。这种收发信的不一致，就叫做误码，常用误码性能参数来衡量误码对传输质量的影响大小。•造成误码的原因有系统内部噪声及定位抖动，此外还有色散引起的码间干扰等。工程上常采用长期平均误码率(BER)来表示误码性能。•BER是指在一段相当长的测试时问内(24小时)出现的误码个数与传输的总码元数的比值，可表示为•BER=误码个数/传输的总码元数•2、误码仪的工作原理图9.23误码仪工作原理框图开关比特误码检测输出错误脉冲码型发生发生器（图案选择）同步检测（b）误码仪接收部分原理图（a）误码仪发送部分原理图时钟信号发生器误码插入接口电路码型发生发生器（图案选择）输入信号•3、误码仪的主要技术指标•（1）发送机••比特率：内部时钟的比特率。••精度：≤±2×10-6（在室温下）••偏差：可发送±100×10-6的频偏。••码型图案：包括伪随机序列、人工码和零码插入。••插入误码：指bit或码字误码。••输出码：CMI、RZ、NRZ、AMI、HDB3码。••抖动调制：包括调制频率和灵敏度。•（2）接收机••比特率：内部时钟的比特率。••时钟输入：外部输入。••码型图案：包括伪随机序列、人工码和零码插入。••误码测量：包括测量方式和测量项目。如方式有比特误码、码组误码、码块误码等；测量项目则有误码率、误码计数、误码秒、不误码秒等••状态显示：通常有无信号、失步、AIS、100误码等4种显示。••抖动测量：包括测量范围和测量内容。•3、误码仪的使用•3、误码仪的使用•（1）误码率测量•（2）光接收灵敏度的测试（3）光接收机动态范围的测量图9.25误码仪测试连线图误码仪发送部分被测系统误码仪接收部分（a）远端测试连线图误码仪发送部分误码仪接收部分被测系统自环（b）近端测试连线图图9.26光接收机灵敏度测试原理图误码分析仪数字光发送机光功率机S光可变衰减器R数