微处理单元电路的设计与实现

1.微处理单元的选择

为了减小系统功耗和体积，围绕测试仪器设计的三大原则：集成化、微型化、微功耗，设计时选用了Silicon Laboratories公司的高集成度的混合集成芯片C8051F040单片机，C8051F040单片机是C8051F系列单片机中功能较为齐全、构架较经典的最具有代表性的一款单片机。该款单片机采用流水线处理技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效率。它具有内部集成A-D转换器、集成CAN2.0控制器等功能，是一种混合型高集成度芯片，它能够完成多路数据的采集、判断处理，以及数据的传输等功能，如此使整个系统由一个单片机就控制起来了，这样使整个仪器的体积和功耗达到了微型化，功耗也大大降低了。C8051F040单片机采用Flash ROM技术，集成JTAG，支持在线编程。该款单片机具有诸多优点和优越性，是测控系统设计的首选单片机。

2.C8051F040单片机在本设计中的功能应用

（1）方波输出驱动红外光源。热释电红外探测器的信号输出需要红外光源的调制才能得到。通过上面的分析可知，红外光源调制的原始驱动是由单片机供给的。单片机正常工作时输出一个频率为3Hz的方波来驱动红外光源。

（2）数据采集A-D转换器的应用。热释电红外探测器将包含浓度信息的模拟信号输入单片机，这其中包括两路信号：探测器参考通道信号、探测器对比通道信号，这两路信号经过A-D转换器调理后，信号的幅度满足单片机的输入范围。随后单片机对得到的数字信号进行计算和处理，将最终计算的浓度值通过数码管显示出来。

对于经过信号的处理、放大提取以后，得到与检测气体浓度有关的有用信号：参考通道信号、气体通道信号、温度信号等。这几路信号经过调理以后，信号幅度范围都在0～3.3V，满足单片机的输入信号范围，几路信号接单片机的单断输入通道，进12位A-D转换器。选择的单片机的内置A-D转换器为12位的，各输入通道通过软件设计，进行开关配置，实现多路数据A-D的采集通道切换功能。

（3）多路数据采集时模拟多路开关的应用。模拟多路器可以从4个外部模拟输入引脚（AIN0.0～AIN0.3）、P3口引脚（可以被配置为模拟输入引脚）、高压差分放大器或片内温度传感器中选择去ADC的模拟信号。可以将AMUX输入对编程为工作在差分或单端方式。根据需要，对每个通道可选择最佳的测量技术，甚至可以在测量过程中改变方式。在系统复位后AMUX的默认方式为单端输入。有3个与AMUX相关的寄存器：通道选择寄存器AMX0SL、配置寄存器AMX0CF和端口引脚选择寄存器AMX0PRT。PGA对AMUX输出信号的放大倍数由ADC0配置寄存器ADC0CF中的AMP0GN2～0确定。PGA增益可以用软件编程为0.5、1、2、4、8或16，复位后的默认增益为1。(www.xing528.com)

对微红外传感检测器的多路信号可以通过模拟多路选择器来控制、选择数据采集的时序关系，这些都可以通过软件的设计来操作，所以使用方便灵活。

（4）其他功能如下：

1）数码显示模块的驱动：完成浓度计算后，通过驱动数码管来达到显示浓度值的目的；

2）声光报警模块：当甲烷的浓度超过报警阈值时，通过中断程序启动LED发光二极管和蜂鸣器进行声光报警。

3）JTAG串行接口：C8051F040单片机提供了JTAG串行接口，通过该接口可与片内调试支持电路通信。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器。