單片機定時器中斷時間誤差的分析及補償

１ 前言

單片機內(nèi)部一般有若干個定時器。如８０５１單片機內(nèi)部有定時器０和定時器１。在定時器計數(shù)溢出時，便向ＣＰＵ發(fā)出中斷請求。當ＣＰＵ正在執(zhí)行某指令或某中斷服務程序時，它響應定時器溢出中斷往往延遲一段時間。這種延時雖對單片機低頻控制系統(tǒng)影響甚微，但對單片機高頻控制系統(tǒng)的實時控制精度卻有較大的影響，有時還可能造成控制事故。為擴大單片機的應用范圍，本文介紹它的定時器溢出中斷與ＣＰＵ響應中斷的時間誤差、補償誤差的方法和實例。

２  誤差原因、大小及特點

產(chǎn)生單片機定時器溢出中斷與ＣＰＵ響應中斷的時間誤差有兩個原因。一是定時器溢出中斷信號時，ＣＰＵ正在執(zhí)行某指令；二是定時器溢出中斷信號時，ＣＰＵ正在執(zhí)行某中斷服務程序。

２．１． ＣＰＵ正在執(zhí)行某指令時的誤差及大小

由于ＣＰＵ正在執(zhí)行某指令，因此它不能及時響應定時器的溢出中斷。當ＣＰＵ執(zhí)行此指令后再響應中斷所延遲的最長時間為該指令的指令周期，即誤差的最大值為執(zhí)行該指令所需的時間。由于各指令都有對應的指令周期，因此這種誤差將因ＣＰＵ正在執(zhí)行指令的不同而不同。如定時器溢出中斷時，ＣＰＵ正在執(zhí)行指令ＭＯＶ  Ａ， Ｒｎ，其最大誤差為１個機器周期。而執(zhí)行指令ＭＯＶ  Ｒｎ,  ｄｉｒｅｃｔ時，其最大誤差為２個機器周期。當ＣＰＵ正在執(zhí)行乘法或除法指令時，最大時間誤差可達４個機器周期。在８０５１單片機指令系統(tǒng)中，多數(shù)指令的指令周期為１～２個機器周期，因此最大時間誤差一般為１～２個機器周期。若振蕩器振蕩頻率為ｆｏｓｃ,ＣＰＵ正在執(zhí)行指令的機器周期數(shù)為Ｃｉ，則最大時間誤差為Δｔｍａｘ１＝１２／ｆｏｓｃ×Ｃｉ(ｕｓ)。例如ｆｏｓｃ＝１２ＭＨＺ,ＣＰＵ正在執(zhí)行乘法指令（Ｃｉ＝４），此時的最大時間誤差為：
Δｔｍａｘ１＝１２／ｆｏｓｃ×Ｃｉ＝１２／（１２×１０６）×４＝４×１０－６(ｓ)＝４(μｓ)

２．２ ＣＰＵ正在執(zhí)行某中斷服務的程序時的誤差及大小

定時器溢出中斷信號時，若ＣＰＵ正在執(zhí)行同級或高優(yōu)先級中斷服務程序，則它仍需繼續(xù)執(zhí)行這些程序，不能及時響應定時器的溢出中斷請求，其延遲時間由中斷轉(zhuǎn)移指令周期Ｔ１、中斷服務程序執(zhí)行時間Ｔ２、中斷返回指令的指令周期Ｔ３及中斷返回原斷點后執(zhí)行下一條指令周期Ｔ４（如乘法指令）組成。中斷轉(zhuǎn)移指令和中斷返回指令的指令周期都分別為２個機器周期。中斷服務程序的執(zhí)行時間為該程序所含指令的指令周期的總和。因此，最大時間誤差Δｔｍａｘ２為：
Δｔｍａｘ２＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）１２／ｆｏｓｃ＝（２＋Ｔ２＋２＋４）１２／ ｆｏｓｃ＝１２（Ｔ２＋８）／ ｆｏｓｃ

若設ｆｏｓｃ＝１２ＭＨＺ，則最大時間誤差為：
Δｔｍａｘ２＝１２（Ｔ２＋８）／ ｆｏｓｃ ＝１２（Ｔ２＋８）／１２×１０６＝（Ｔ２＋８）×１０－６（ｓ）＝Ｔ２＋８（μｓ）。

由于上式中Ｔ２一般大于８，因此，這種時間誤差一般取決于正在執(zhí)行的中斷服務程序。當ＣＰＵ正在執(zhí)行中斷返回指令ＲＥＴＩ、或正在讀寫ＩＥ或ＩＰ指令時，這種誤差在５個機器周期內(nèi)。

２．３ 誤差非固定性特點

定時器溢出中斷與ＣＰＵ響應中斷的時間誤差具有非固定性特點。即這種誤差因ＣＰＵ正在執(zhí)行指令的不同而有相當大的差異。如ＣＰＵ正在執(zhí)行某中斷服務程序，這種誤差將遠遠大于執(zhí)行一條指令時的誤差。后者誤差可能是前者誤差的幾倍、幾十倍、甚至更大。如同樣只執(zhí)行一條指令，這種誤差也有較大的差別。如執(zhí)行乘法指令ＭＵＬ ＡＢ 比執(zhí)行ＭＯＶ  Ａ， Ｒｎ指令的時間誤差增加了３個機器周期。這種誤差的非固定不僅給誤差分析帶來不便，同時也給誤差補償帶來困難。

３ 誤差補償方法

由于定時器產(chǎn)生溢出中斷與ＣＰＵ響應中斷請求的時間誤差具有非固定性，因此，這種誤差很難用常規(guī)方法補償。為此，本文介紹一種新方法?，F(xiàn)介紹該方法的基本思路、定時器新初值及應用情況。

３．１ 基本思路

為使定時器溢出中斷與ＣＰＵ響應中斷實現(xiàn)同步，該方法針對中斷響應與中斷請求的時間誤差，對定時器原有的計數(shù)初值進行修改，以延長定時器計數(shù)時間，從而補償誤差。在該方法中，當定時器溢出中斷得到響應后，即停止定時器的計數(shù)，并讀出計數(shù)值。該計數(shù)值是定時器溢出后，重新從ＯＯＨ開始每個機器周期繼續(xù)加１所計的值。然后，將這個值與定時器的停止計數(shù)時間求和。若在定時器原計數(shù)初值中減去這個和形成新計數(shù)初值，則定時器能在新計數(shù)初值下使溢出中斷與ＣＰＵ響應中斷實現(xiàn)同步，從而達到誤差的補償要求。

３．２ 定時器新計數(shù)初值

若定時器為計數(shù)方式，操作方式為１，則計數(shù)器初值Ｘ０＝２１６－ｔ０×ｆｏｓｃ／１２。式中ｆｏｓｃ為振蕩器的振蕩頻率。ｔ０為需要定時的時間，也為中斷的間隔時間。Ｘ０為定時器原計數(shù)初值。在對定時器溢出中斷與ＣＰＵ響應中斷時間誤差進行補償時，定時器的新計數(shù)初值Ｘ１為：
Ｘ１＝２１６－ｔ３× ｆｏｓｃ／１２
ｔ３＝ｔ０＋ｔ１＋ｔ２

式中ｔ０為中斷間隔時間。ｔ１為定時器停止計數(shù)時間，該時間為定時器停止計數(shù)到重新啟動計數(shù)之間所有程序指令周期數(shù)的總和。ｔ２為定時器溢出中斷后，重新從ＯＯＨ開始直至計數(shù)器停止時計的值。在誤差補償中，若將定時器計數(shù)初值Ｘ１取代Ｘ０，則可使定時器下次的溢出中斷與ＣＰＵ響應中斷實現(xiàn)同步。

３．３ 實例

要求補償定時器每１ｍｓ產(chǎn)生一次溢出中斷時的中斷響應延遲的誤差。若振蕩器振蕩頻率ｆｏｓｃ＝１２ＭＨＺ，定時器工作在計數(shù)方式，工作模式為１，則補償中斷響應時間誤差時的定時器新初值Ｘ１為：
    Ｘ１＝２１６－ｔ３× ｆｏｓｃ／１２＝２１６－（ｔ０＋ ｔ１）－ ｔ２＝２１６－（１０００＋ １３）－ ｔ２

誤差補償程序為：
……
０    ＣＬＲ   ＥＡ                     ；關(guān)ＣＰＵ中斷
１    ＣＬＲ   ＴＲｉ                     ；停止定時器計數(shù)
２    ＭＯＶ   Ｒ０，  ＃ＯＯＨ             ；Ｒ０清零
３    ＭＯＶ   Ｒ０，  ＃ＬＯＷ（２１６）       ；定時器最大計數(shù)值的低８位送Ｒ０
４    ＭＯＶ   Ａ，   Ｒ０
５    ＳＵＢＢ   Ａ，   ＃ＬＯＷ（１０００＋１３）   ；２１６的低８位減去（ ｔ０＋ ｔ１）的低８位送累加器Ａ
６    ＳＵＢＢ   Ａ，   ＴＬｉ               ；２１６的低８位減去（ ｔ０＋ ｔ１＋ ｔ２）的低８位送ＴＬｉ
７    ＭＯＶ  ＴＬｉ，   Ａ                
８    ＭＯＶ  Ｒ０，   ＃ＯＯＨ              ；Ｒ０清零
９    ＭＯＶ  Ｒ０，   ＃ＨＩＧＨ（２１６） ；２１６ 的高８位送Ｒ０
１０   ＭＯＶ  Ａ，    Ｒ０                      
１１   ＳＵＢＢ  Ａ，    ＃ＨＩＧＨ（１０００＋１３）  ；２１６的高８位減去（ ｔ０＋ ｔ１）的高８位送Ａ
１２   ＳＵＢＢ  Ａ，    ＴＨｉ      ；２１６的高８位減去（ ｔ０＋ ｔ１ ＋ｔ２）的高８位送Ａ
１３   ＭＯＶ  ＴＨｉ，   Ａ
１４ ＳＥＴＢ  ＴＲｉ   ；重新啟動定時器
     ……

在上式和上段程序中，由于ｆｏｓｃ＝１２ＭＨＺ，中斷間隔時間為１ｍｓ，因此ｔ０的機器周期數(shù)為１０００。由于第１條指令到第１４條指令的指令周期的機器周期數(shù)之和為１３，因此，ｔ１為１３個機器周期。ＣＰＵ雖在執(zhí)行第一條指令ＣＬＲ  ＴＲｉ后停止定時器計數(shù)，但在ＴＬｉ、ＴＨｉ中分別保存了ｔ２的低位數(shù)據(jù)和高位數(shù)據(jù)。

４ 結(jié)束語

由于本文介紹的誤差補償方法能對定時器溢出中斷與ＣＰＵ響應中斷的非固定性時間誤差進行有效補償，因此，該方法對于提高高頻控制系統(tǒng)實時控制精度和擴大單片機應用范圍都有較高的實用價值。

參考文獻
[１]曹巧媛，單片機原理及應用，電子工業(yè)出版社，１９９７、５
[２]汪吉鵬等，微機原理及接口，高等教育出版社，２００１、７