單片機定時器中斷時間誤差的分析及補償
單片機內部一般有若干個定時器。如8051單片機內部有定時器0和定時器1。在定時器計數溢出時，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。
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。現(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初值進行修改，以延長定時器計數時間，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，并讀出計數值。該計數值是定時器溢出后，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時間求和。若在定時器原計數初值中減去這個和形成新計數初值，則定時器能在新計數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 定時器新計數初值
若定時器為計數方式，操作方式為1，則計數器初值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為定時器停止計數時間，該時間為定時器停止計數到重新啟動計數之間所有程序指令周期數的總和。t2為定時器溢出中斷后，重新從OOH開始直至計數器停止時計的值。在誤差補償中，若將定時器計數初值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CPU中斷
1 CLR TRi ;停止定時器計數
2 MOV R0， #OOH ;R0清零
3 MOV R0， #LOW(216) ;定時器最大計數值的低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，但在TLi、THi中分別保存了t2的低位數據和高位數據。
4 結束語
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。
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編輯：admin 最后修改時間：2019-07-31
