單片機(jī)定時器中斷時間誤差的分析及補(bǔ)償
單片機(jī)內(nèi)部一般有若干個定時器。如8051單片機(jī)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(dāng)CPU正在執(zhí)行某指令或某中斷服務(wù)程序時，它響應(yīng)定時器溢出中斷往往延遲一段時間。這種延時雖對單片機(jī)低頻控制系統(tǒng)影響甚微，但對單片機(jī)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(kuò)大單片機(jī)的應(yīng)用范圍，本文介紹它的定時器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷的時間誤差、補(bǔ)償誤差的方法和實例。
2 誤差原因、大小及特點(diǎn)
產(chǎn)生單片機(jī)定時器溢出中斷與CPU響應(yīng)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(wù)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(yīng)定時器的溢出中斷。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(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(jī)器周期。而執(zhí)行指令MOV Rn, direct時，其最大誤差為2個機(jī)器周期。當(dāng)CPU正在執(zhí)行乘法 或除法指令 時，最大時間誤差可達(dá)4個機(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個機(jī)器周期，因此最大時間誤差一般為1～2個機(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(wù)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(wù)程序，則它仍需繼續(xù)執(zhí)行這些程序，不能及時響應(yīng)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(wù)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(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個機(jī)器周期。中斷服務(wù)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(shè)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(wù)程序。當(dāng)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(jī)器周期內(nèi)。
2.3 誤差非固定性特點(diǎn)
定時器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷的時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(jī)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(bǔ)償帶來困難。
3 誤差補(bǔ)償方法
由于定時器產(chǎn)生溢出中斷與CPU響應(yīng)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(bǔ)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(yīng)用情況。
3.1 基本思路
為使定時器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷實現(xiàn)同步，該方法針對中斷響應(yīng)與中斷請求的時間誤差，對定時器原有的計數(shù)初值進(jìn)行修改，以延長定時器計數(shù)時間，從而補(bǔ)償誤差。在該方法中，當(dāng)定時器溢出中斷得到響應(yīng)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(jī)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(yīng)中斷實現(xiàn)同步，從而達(dá)到誤差的補(bǔ)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(yīng)中斷時間誤差進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)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(yīng)中斷實現(xiàn)同步。
3.3 實例
要求補(bǔ)償定時器每1ms產(chǎn)生一次溢出中斷時的中斷響應(yīng)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(bǔ)償中斷響應(yīng)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(bǔ)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(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個機(jī)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(bǔ)償方法能對定時器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷的非固定性時間誤差進(jìn)行有效補(bǔ)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(kuò)大單片機(jī)應(yīng)用范圍都有較高的實用價值。
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編輯：admin 最后修改時間：2019-07-31
