MCS-51單片機(jī)中軟時(shí)鐘設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法

0 引言
    隨著微電腦應(yīng)用的普及，以MCS-51單片機(jī)為核心的微機(jī)測控系統(tǒng)已隨處可見。為滿足用戶要求，這些系統(tǒng)通常都具有數(shù)碼顯示時(shí)鐘的功能。由于MCS-51內(nèi)部包含2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，通過采用將其中一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器用于軟時(shí)鐘設(shè)計(jì)的方法，可以大大節(jié)省硬件開銷。本文提出了如何提高軟時(shí)鐘的定時(shí)精度，以及在軟時(shí)鐘存在的情況下，如何提高以MCS-51單片機(jī)為核心的測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量的方法。

1 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器概述
    MCS-51單片機(jī)內(nèi)部包含2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器T0和T1，它們都是16位的加法計(jì)數(shù)器，既可用于定時(shí)，也可用于計(jì)數(shù)，在用于定時(shí)的情況下，計(jì)數(shù)脈沖由內(nèi)部提供，因此計(jì)數(shù)速率固定為CPU振蕩頻率的1／12；在用于計(jì)數(shù)的情況下，計(jì)數(shù)脈沖來自外部，外部計(jì)數(shù)脈沖通過MCS-51的引腳T0(第14腳)或T1(第15腳)輸入，在發(fā)生從1到0的跳變時(shí)計(jì)數(shù)加1。每個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器又有4種工作方式可供選擇：方式O構(gòu)成13位定時(shí)計(jì)數(shù)器，高3位未用；方式1構(gòu)成16位定時(shí)計(jì)數(shù)器；方式2構(gòu)成8位定時(shí)計(jì)數(shù)器，低位字節(jié)用于計(jì)數(shù)，高位字節(jié)存放初值；方式3只適合于T0，構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的8位定時(shí)計(jì)數(shù)器。在方式O、方式1及方式3時(shí)，初值不能自動(dòng)裝入，當(dāng)定時(shí)時(shí)間已到或計(jì)數(shù)次數(shù)已滿時(shí)，若要進(jìn)行下一次定時(shí)計(jì)數(shù)，必須利用軟件裝入初值，否則，系統(tǒng)會(huì)按上限自動(dòng)定時(shí)或計(jì)數(shù)，即以O(shè)初值進(jìn)行定時(shí)或計(jì)數(shù)；而在方式2時(shí)，初值可自動(dòng)裝入，只需向高位字節(jié)寫入一次初值，則當(dāng)?shù)臀蛔止?jié)定時(shí)時(shí)間到(或計(jì)數(shù)滿)時(shí)，高位字節(jié)的初值會(huì)自動(dòng)裝入低位字節(jié)，且高位字節(jié)的值保持不變。當(dāng)系統(tǒng)需用MCS-51單片機(jī)的串行接口進(jìn)行串行通信時(shí)，定時(shí)計(jì)數(shù)器T1被固定為波特率發(fā)生器，因此，在軟時(shí)鐘設(shè)計(jì)中，總是選擇T0作為定時(shí)器。

2 軟時(shí)鐘程序設(shè)計(jì)方法1——0．1 s計(jì)數(shù)法
    0．1 s計(jì)數(shù)法的基本原理如下，通過設(shè)置定時(shí)計(jì)數(shù)器O每經(jīng)過0．1 s請(qǐng)求一次中斷，中斷處理程序會(huì)令軟時(shí)鐘的基準(zhǔn)0．1 s單元增加1，而該單元每增加10次，再令軟時(shí)鐘的秒單元增加1，以此類推，按照時(shí)間進(jìn)位令分、時(shí)、日、月直至年單元增加1。設(shè)CPU所接晶體振蕩器的振蕩頻率為6 MHz，則1個(gè)機(jī)器周期為2μs，當(dāng)T0作為定時(shí)器工作時(shí)，定時(shí)器溢出，即中斷周期：T=2×TC×10-6 s，式中TC為時(shí)間常數(shù)。令中斷周期T=O．1 s，可得：TC=0．1／(2×10-6)=50 000=0C350H，此時(shí)間常數(shù)決定了T0必須為16位定時(shí)器，故設(shè)置為工作方式1。由于是加法計(jì)數(shù)器，初值IC應(yīng)為時(shí)間常數(shù)TC的補(bǔ)碼，所以IC=216-TC=10000H-0C350H=3CBOH，修正以后，取IC=3CB4H，有關(guān)程序段具體設(shè)計(jì)如下。
    初始化程序：
   
    由上述程序可知，作為16位定時(shí)器使用時(shí)，T0不能自動(dòng)裝入初值，每次進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，首先必須用程序裝入初值，下一次定時(shí)實(shí)際上是從裝入初值低位字節(jié)后開始的，所以在設(shè)定T0中斷為高優(yōu)先級(jí)以及CPU對(duì)T0中斷請(qǐng)求的響應(yīng)無等待延時(shí)的理想情況下，1個(gè)中斷周期所包含的實(shí)際時(shí)間t=初值到計(jì)數(shù)滿所需時(shí)間+入口引導(dǎo)時(shí)間+裝入初值低位字節(jié)時(shí)間。
    由于入口引導(dǎo)與裝入初值低位字節(jié)共占4個(gè)機(jī)器周期，所以為了使中斷周期等于O．1s基準(zhǔn)時(shí)間，上文對(duì)按理論推算出來的初值進(jìn)行了加4修正。盡管如此，按照方法1設(shè)計(jì)的時(shí)鐘程序與測控系統(tǒng)的其他程序有機(jī)聯(lián)接在一起運(yùn)行時(shí)，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定時(shí)也是十分困難的，因?yàn)樵趯?shí)用工業(yè)測控系統(tǒng)中常常不止1個(gè)中斷源，而是含有多個(gè)中斷源，存在著中斷優(yōu)先權(quán)的管理問題。要使上述軟時(shí)鐘能夠準(zhǔn)確定時(shí)，T0中斷必須設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)，這樣CPU對(duì)T0的定時(shí)中斷才有可能不受影響，確保每隔0．1 s執(zhí)行一次定時(shí)中斷服務(wù)程序。如果T0定時(shí)中斷被設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)，那么CPU對(duì)T0定時(shí)中斷的響應(yīng)就要受到影響。當(dāng)CPU正在執(zhí)行某一高優(yōu)先級(jí)中斷源的中斷服務(wù)程序時(shí)，T0計(jì)數(shù)滿會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，CPU必須等到當(dāng)前正在執(zhí)行的中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢之后，才能響應(yīng)T0中斷，這必將延長中斷間隔，使初值不能如期裝入，破壞定時(shí)的準(zhǔn)確性。由此可見，采用方法1設(shè)計(jì)的時(shí)鐘程序限制了系統(tǒng)設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)的靈活性，降低了設(shè)計(jì)效率。例如，某些以數(shù)碼管作為顯示器的測控系統(tǒng)，為了節(jié)省硬件開銷，通常采用對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行巡回掃描的方法進(jìn)行顯示輸出，為使顯示穩(wěn)定，且無抖動(dòng)現(xiàn)象，必須將數(shù)碼管顯示中斷設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)，以便保證掃描程序的執(zhí)行周期固定不變，這便與時(shí)鐘定時(shí)中斷對(duì)優(yōu)先級(jí)的要求發(fā)生了矛盾。為克服方法1的缺陷，在實(shí)際工程中，通過采用如下所述的方法2來設(shè)計(jì)時(shí)鐘程序，可獲得較好的效果。

3 軟時(shí)鐘程序設(shè)計(jì)方法2——中斷周期累加法
    方法2和方法1的程序結(jié)構(gòu)是完全相同的，只是在對(duì)秒以下時(shí)間的處理上有所不同。將方法1的中斷服務(wù)程序中“O．1 s單元增加1”程序段改為：
   
    通過對(duì)照容易看出，雖然兩個(gè)“O．1 s單元增加1”程序段所用指令不同，但效果是完全一樣的，可以互相替代。改動(dòng)后的程序?qū)?duì)0．1 s中斷周期的計(jì)數(shù)，變成了對(duì)O．1 s中斷周期的累加，由此引申，對(duì)任何小于秒的中斷周期都可以進(jìn)行累加，當(dāng)最高位有進(jìn)位時(shí)實(shí)施秒增1，同樣可以達(dá)到時(shí)鐘定時(shí)的目的。MCS-51單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器選擇工作方式1時(shí)為16位計(jì)數(shù)器，在上述假定條件下，當(dāng)初值為0時(shí)，T0的定時(shí)中斷周期T=0．131 072 s，131072定義為中斷周期常數(shù)，在中斷服務(wù)程序中對(duì)其進(jìn)行累加。以下是采用方法2設(shè)計(jì)的時(shí)鐘程序。
    定義中斷周期常數(shù)：
    CONST: DB 00H，13H，10H，72H
    初始化程序：
   
    方法2采用對(duì)中斷周期進(jìn)行累加的方法，令定時(shí)器滿量程計(jì)數(shù)，初值為O，計(jì)數(shù)滿后，自動(dòng)重新從0開始計(jì)數(shù)，不需用程序裝入初值，從根本上擺脫了裝入初值的困擾，當(dāng)然也就避免了對(duì)初值進(jìn)行修正的繁瑣過程。由于不需要裝入初值，CPU可在中斷周期的任意時(shí)刻，響應(yīng)定時(shí)器的中斷請(qǐng)求，只需保證下一次中斷請(qǐng)求到來之前將中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢即可，從而使定時(shí)器大大降低了對(duì)中斷優(yōu)先級(jí)的要求。因此方法2將定時(shí)器中斷設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)，而方法1則將其設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)。顯然，采用方法2不僅便于程序設(shè)計(jì)，而且提高了程序設(shè)計(jì)的效率。
    方法2中，當(dāng)定時(shí)器滿量程計(jì)數(shù)時(shí)，中斷周期不再是標(biāo)準(zhǔn)的0．1 s，因此中斷周期在累加過程中向秒單元的進(jìn)位，大多數(shù)發(fā)生在非整秒時(shí)刻，而且進(jìn)位間隔也不盡相同，具體來講，假設(shè)秒以下時(shí)間單元從0開始累加，那么向秒單元進(jìn)位第一次是在1．048 576 s時(shí)刻，第二次是在2．097 152 s時(shí)刻，第三次是在3．014 656 s時(shí)刻，…，第一次與第二次間隔為1．048 576 s，第二次與第三次間隔為0．917 504 s，……，進(jìn)位間隔有時(shí)候大于l s，有時(shí)候小于1 s，然而，對(duì)分、時(shí)、日、月這些長期時(shí)間過程來說，積累誤差可以認(rèn)為等于O，從這個(gè)意義上說，方法2大大提高了定時(shí)精度。

4 結(jié)語
    提出了采用MCS-5l內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器作為軟時(shí)鐘設(shè)計(jì)的方法，不僅節(jié)省了硬件開銷，而且提高軟時(shí)鐘的定時(shí)精度，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)際測試中，當(dāng)晶體振蕩器的振蕩頻率不是標(biāo)準(zhǔn)6 MHz時(shí)，通過調(diào)整中斷周期常數(shù)，以及必要時(shí)通過增加秒以下時(shí)間單元緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)，可使中斷周期常數(shù)準(zhǔn)確到所需精度。