淺談MCS 51 單片機定時誤差原因

謝琪林 攀枝花學(xué)院

在MCS 51 單片機的控制系統(tǒng)中， 常常要求有些定時或者延時控制。定時或者延時控制一般有如下2 種方法： 軟件延時，即讓CPU 循環(huán)執(zhí)行一段時間， 以實現(xiàn)延時和硬件定時， 即利用MCS 51 系列單片機硬件集成的2 個16 位可編程定時/計數(shù)器。但采用上述這兩種方法來實現(xiàn)時間控制時卻容易產(chǎn)生誤差， 對于一般低頻率的應(yīng)用中對時間控制精度要求低的場合來說沒有太大的問題， 而在高頻實時控制應(yīng)用中對時間控制精度要求高的場合來講問題就凸現(xiàn)出來， 必須加以糾正和補償。

1 軟件延時誤差的產(chǎn)生及糾正

軟件延時原理： 利用CPU 內(nèi)部定時機構(gòu)， 使每執(zhí)行一條指令需要若干個指令周期的原理， 運用軟件編程， 讓機器循環(huán)執(zhí)行一段程序， 而得到一個固定的時間段， 就將這段時間作為定時時間。軟件定時的時間長短完全取決于指令的執(zhí)行時間， 此方法主要用于短時間定時。例， 采用軟件方法設(shè)置一個502μs 的定時時間， 設(shè)晶體振蕩頻率為12MHz。可編制如下的子程序段用于軟件定時。

DELAY： MOV R2， #64H ； 1 個時鐘周期

DL1： NOP ； 1 個時鐘周期

NOP ；

DJNZ R2， DL1 ； 2 個時鐘周期

RET ； 1 個時鐘周期

在該程序段中， 采用減1 指令計數(shù)， 計數(shù)初值100( 64H) 預(yù)先設(shè)置在寄存器R2 中， 各指令的執(zhí)行時間如程序段中的注釋所示。軟件定時的時間可由各指令的執(zhí)行時間以及循環(huán)次數(shù)100( 64H) 所確定， 計算如下：

但在很多情況下， 只考慮了循環(huán)體的執(zhí)行時間， 沒有考慮本例中的MOV、RET 指令， 即在設(shè)計延時500μs 時也采用了本程序， 這樣就有一個誤差， 誤差率是0.4%， 這個誤差非常大。另外在使用軟件定時過程中， 程序也容易被其他程序或事件打斷( 如中斷服務(wù)程序) ， 這樣也會引起來較大的定時誤差， 因此必須防止程序被其他程序或事件打斷。同時， 這種以犧牲CPU 的時間獲取延時的方法隨CPU 工作頻率不同而發(fā)生變化， 即定時程序的通用性差。

2 硬件定時誤差的產(chǎn)生及糾正

硬件定時原理就是利用51 單片機片內(nèi)二個16 位定時器/計數(shù)器，即定時器T0 和定時器T1， 設(shè)置為定時工作方式，定時器計數(shù)8051 片內(nèi)振蕩器輸出經(jīng)12 分頻后的脈沖， 即每個機器周期使定時器的數(shù)值加1 直至計滿溢出， 然后中斷CPU 的當(dāng)前操作， 執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。但在這個過程中很容易產(chǎn)生單片機定時器溢出中斷的時間誤差， 產(chǎn)生時間誤差有三個原因： 一是中斷響應(yīng)時間； 二是定時器溢出中斷信號時， CPU 正在執(zhí)行某指令；三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 中斷響應(yīng)時間的誤差

MCS 51 單片機的最短中斷響應(yīng)時間為3 個機器周期， 其中中斷請求標(biāo)志位查詢占1 個機器周期， 而這個機器周期又恰好是執(zhí)行指令的最后一個機器周期，在這個機器周期結(jié)束后，中斷即被響應(yīng)，產(chǎn)生LCALL 指令，而執(zhí)行這條長調(diào)指令需要2 個機器周期， 這樣中斷響應(yīng)共經(jīng)歷了3 個機器周期。而在這些時間中定時器繼續(xù)從0 開始計數(shù)，因此產(chǎn)生了3 個機器周期的誤差。

2.2 CPU 正在執(zhí)行某指令時的誤差

中斷響應(yīng)的一個前提是當(dāng)前指令執(zhí)行完畢， 若定時器的溢出中斷時， CPU 正在執(zhí)行某指令，因此它不能及時響應(yīng)。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。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：

2.3 CPU 正在執(zhí)行某中斷服務(wù)程序時的誤差

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(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 個機器周期內(nèi)。

結(jié)束語

使用上述的各種修正方法后基本能得到一個比較精確額定時， 針對不同情況應(yīng)采用靈活的修正方法同時也應(yīng)注意一些事項， 例如不能采用定時器工作模式2 自動重裝初值的方式，否則誤差會更大，并且得不到控制。另外硬件方面的因素也應(yīng)值得注意，比如應(yīng)考慮晶體自身的精度、晶體的頻率漂移誤差， 盡量選用振蕩頻率高的時鐘以減少誤差。