單片機(jī)定時(shí)器中斷時(shí)間誤差的解決方案

1 前言

單片機(jī)內(nèi)部一般有若干個(gè)定時(shí)器。如8051單片機(jī)內(nèi)部有定時(shí)器0和定時(shí)器1。在定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出時(shí)，便向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。當(dāng)CPU正在執(zhí)行某指令或某中斷服務(wù)程序時(shí)，它響應(yīng)定時(shí)器溢出中斷往往延遲一段時(shí)間。這種延時(shí)雖對(duì)單片機(jī)低頻控制系統(tǒng)影響甚微，但對(duì)單片機(jī)高頻控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制精度卻有較大的影響，有時(shí)還可能造成控制事故。為擴(kuò)大單片機(jī)的應(yīng)用范圍，本文介紹它的定時(shí)器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷的時(shí)間誤差、補(bǔ)償誤差的方法和實(shí)例。

2 誤差原因、大小及特點(diǎn)

產(chǎn)生單片機(jī)定時(shí)器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷的時(shí)間誤差有兩個(gè)原因。一是定時(shí)器溢出中斷信號(hào)時(shí)，CPU正在執(zhí)行某指令;二是定時(shí)器溢出中斷信號(hào)時(shí)，CPU正在執(zhí)行某中斷服務(wù)程序。

2.1. CPU正在執(zhí)行某指令時(shí)的誤差及大小

由于CPU正在執(zhí)行某指令，因此它不能及時(shí)響應(yīng)定時(shí)器的溢出中斷。當(dāng)CPU執(zhí)行此指令后再響應(yīng)中斷所延遲的最長(zhǎng)時(shí)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(shí)間。由于各指令都有對(duì)應(yīng)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(shí)器溢出中斷時(shí)，CPU正在執(zhí)行指令MOV A， Rn，其最大誤差為1個(gè)機(jī)器周期。而執(zhí)行指令MOV Rn, direct時(shí)，其最大誤差為2個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)CPU正在執(zhí)行乘法或除法指令時(shí)，最大時(shí)間誤差可達(dá)4個(gè)機(jī)器周期。在8051單片機(jī)指令系統(tǒng)中，多數(shù)指令的指令周期為1～2個(gè)機(jī)器周期，因此最大時(shí)間誤差一般為1～2個(gè)機(jī)器周期。若振蕩器振蕩頻率為fosc,CPU正在執(zhí)行指令的機(jī)器周期數(shù)為Ci，則最大時(shí)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(shí)的最大時(shí)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(wù)的程序時(shí)的誤差及大小

定時(shí)器溢出中斷信號(hào)時(shí)，若CPU正在執(zhí)行同級(jí)或高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序，則它仍需繼續(xù)執(zhí)行這些程序，不能及時(shí)響應(yīng)定時(shí)器的溢出中斷請(qǐng)求，其延遲時(shí)間由中斷轉(zhuǎn)移指令周期T1、中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)間T2、中斷返回指令的指令周期T3及中斷返回原斷點(diǎn)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(gè)機(jī)器周期。中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間為該程序所含指令的指令周期的總和。因此，最大時(shí)間誤差Δtmax2為：

Δtmax2=(T1+T2+T3+T4)12/fosc=(2+T2+2+4)12/ fosc=12(T2+8)/ fosc

若設(shè)fosc=12MHZ，則最大時(shí)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(shí)間誤差一般取決于正在執(zhí)行的中斷服務(wù)程序。當(dāng)CPU正在執(zhí)行中斷返回指令RETI、或正在讀寫(xiě)IE或IP指令時(shí)，這種誤差在5個(gè)機(jī)器周期內(nèi)。

2.3 誤差非固定性特點(diǎn)

定時(shí)器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷的時(shí)間誤差具有非固定性特點(diǎn)。即這種誤差因CPU正在執(zhí)行指令的不同而有相當(dāng)大的差異。如CPU正在執(zhí)行某中斷服務(wù)程序，這種誤差將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于執(zhí)行一條指令時(shí)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(shí)間誤差增加了3個(gè)機(jī)器周期。這種誤差的非固定不僅給誤差分析帶來(lái)不便，同時(shí)也給誤差補(bǔ)償帶來(lái)困難。

3 誤差補(bǔ)償方法

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

3.1 基本思路

為使定時(shí)器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷實(shí)現(xiàn)同步，該方法針對(duì)中斷響應(yīng)與中斷請(qǐng)求的時(shí)間誤差，對(duì)定時(shí)器原有的計(jì)數(shù)初值進(jìn)行修改，以延長(zhǎng)定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)間，從而補(bǔ)償誤差。在該方法中，當(dāng)定時(shí)器溢出中斷得到響應(yīng)后，即停止定時(shí)器的計(jì)數(shù)，并讀出計(jì)數(shù)值。該計(jì)數(shù)值是定時(shí)器溢出后，重新從OOH開(kāi)始每個(gè)機(jī)器周期繼續(xù)加1所計(jì)的值。然后，將這個(gè)值與定時(shí)器的停止計(jì)數(shù)時(shí)間求和。若在定時(shí)器原計(jì)數(shù)初值中減去這個(gè)和形成新計(jì)數(shù)初值，則定時(shí)器能在新計(jì)數(shù)初值下使溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷實(shí)現(xiàn)同步，從而達(dá)到誤差的補(bǔ)償要求。

3.2 定時(shí)器新計(jì)數(shù)初值

若定時(shí)器為計(jì)數(shù)方式，操作方式為1，則計(jì)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(shí)的時(shí)間，也為中斷的間隔時(shí)間。X0為定時(shí)器原計(jì)數(shù)初值。在對(duì)定時(shí)器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷時(shí)間誤差進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，定時(shí)器的新計(jì)數(shù)初值X1為：

X1=216-t3× fosc/12

t3=t0+t1+t2

式中t0為中斷間隔時(shí)間。t1為定時(shí)器停止計(jì)數(shù)時(shí)間，該時(shí)間為定時(shí)器停止計(jì)數(shù)到重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)之間所有程序指令周期數(shù)的總和。t2為定時(shí)器溢出中斷后，重新從OOH開(kāi)始直至計(jì)數(shù)器停止時(shí)計(jì)的值。在誤差補(bǔ)償中，若將定時(shí)器計(jì)數(shù)初值X1取代X0，則可使定時(shí)器下次的溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷實(shí)現(xiàn)同步。

3.3 實(shí)例

要求補(bǔ)償定時(shí)器每1ms產(chǎn)生一次溢出中斷時(shí)的中斷響應(yīng)延遲的誤差。若振蕩器振蕩頻率fosc=12MHZ，定時(shí)器工作在計(jì)數(shù)方式，工作模式為1，則補(bǔ)償中斷響應(yīng)時(shí)間誤差時(shí)的定時(shí)器新初值X1為：

X1=216-t3× fosc/12=216-(t0+ t1)- t2=216-(1000+ 13)- t2

誤差補(bǔ)償程序?yàn)椋?/p>

……

0 CLR EA ;關(guān)CPU中斷

1 CLR TRi ;停止定時(shí)器計(jì)數(shù)

2 MOV R0， #OOH ;R0清零

3 MOV R0， #LOW(216) ;定時(shí)器最大計(jì)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(dòng)定時(shí)器

……

在上式和上段程序中，由于fosc=12MHZ，中斷間隔時(shí)間為1ms，因此t0的機(jī)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(jī)器周期數(shù)之和為13，因此，t1為13個(gè)機(jī)器周期。CPU雖在執(zhí)行第一條指令CLR TRi后停止定時(shí)器計(jì)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(yǔ)

由于本文介紹的誤差補(bǔ)償方法能對(duì)定時(shí)器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷的非固定性時(shí)間誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償，因此，該方法對(duì)于提高高頻控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制精度和擴(kuò)大單片機(jī)應(yīng)用范圍都有較高的實(shí)用價(jià)值。