MCS-5l單片機內部定時(shí)計數器作為軟時(shí)鐘的設計方案

　　0 引言

　　隨著(zhù)微電腦應用的普及，以MCS-51單片機為核心的微機測控系統已隨處可見(jiàn)。為滿(mǎn)足用戶(hù)要求，這些系統通常都具有數碼顯示時(shí)鐘的功能。由于MCS-51內部包含2個(gè)定時(shí)計數器，通過(guò)采用將其中一個(gè)定時(shí)計數器用于軟時(shí)鐘設計的方法，可以大大節省硬件開(kāi)銷(xiāo)。本文提出了如何提高軟時(shí)鐘的定時(shí)精度，以及在軟時(shí)鐘存在的情況下，如何提高以MCS-51單片機為核心的測控系統的設計質(zhì)量的方法。

　　1 MCS-51單片機內部定時(shí)計數器概述

　　MCS-51單片機內部包含2個(gè)定時(shí)計數器T0和T1，它們都是16位的加法計數器，既可用于定時(shí)，也可用于計數，在用于定時(shí)的情況下，計數脈沖由內部提供，因此計數速率固定為CPU振蕩頻率的1/12;在用于計數的情況下，計數脈沖來(lái)自外部，外部計數脈沖通過(guò)MCS-51的引腳T0(第14腳)或T1(第15腳)輸入，在發(fā)生從1到0的跳變時(shí)計數加1。每個(gè)定時(shí)計數器又有4種工作方式可供選擇：方式O構成13位定時(shí)計數器，高3位未用;方式1構成16位定時(shí)計數器;方式2構成8位定時(shí)計數器，低位字節用于計數，高位字節存放初值;方式3只適合于T0，構成兩個(gè)獨立的8位定時(shí)計數器。在方式O、方式1及方式3時(shí)，初值不能自動(dòng)裝入，當定時(shí)時(shí)間已到或計數次數已滿(mǎn)時(shí)，若要進(jìn)行下一次定時(shí)計數，必須利用軟件裝入初值，否則，系統會(huì )按上限自動(dòng)定時(shí)或計數，即以O初值進(jìn)行定時(shí)或計數;而在方式2時(shí)，初值可自動(dòng)裝入，只需向高位字節寫(xiě)入一次初值，則當低位字節定時(shí)時(shí)間到(或計數滿(mǎn))時(shí)，高位字節的初值會(huì )自動(dòng)裝入低位字節，且高位字節的值保持不變。當系統需用MCS-51單片機的串行接口進(jìn)行串行通信時(shí)，定時(shí)計數器T1被固定為波特率發(fā)生器，因此，在軟時(shí)鐘設計中，總是選擇T0作為定時(shí)器。

　　2 軟時(shí)鐘程序設計方法1——0.1 s計數法

　　0.1 s計數法的基本原理如下，通過(guò)設置定時(shí)計數器O每經(jīng)過(guò)0.1 s請求一次中斷，中斷處理程序會(huì )令軟時(shí)鐘的基準0.1 s單元增加1，而該單元每增加10次，再令軟時(shí)鐘的秒單元增加1，以此類(lèi)推，按照時(shí)間進(jìn)位令分、時(shí)、日、月直至年單元增加1。設CPU所接晶體振蕩器的振蕩頻率為6 MHz，則1個(gè)機器周期為2μs，當T0作為定時(shí)器工作時(shí)，定時(shí)器溢出，即中斷周期：T=2×TC×10-6 s，式中TC為時(shí)間常數。令中斷周期T=O.1 s，可得：TC=0.1/(2×10-6)=50 000=0C350H，此時(shí)間常數決定了T0必須為16位定時(shí)器，故設置為工作方式1。由于是加法計數器，初值IC應為時(shí)間常數TC的補碼，所以IC=216-TC=10000H-0C350H=3CBOH，修正以后，取IC=3CB4H，有關(guān)程序段具體設計如下。

　　初始化程序：

　　由上述程序可知，作為16位定時(shí)器使用時(shí)，T0不能自動(dòng)裝入初值，每次進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，首先必須用程序裝入初值，下一次定時(shí)實(shí)際上是從裝入初值低位字節后開(kāi)始的，所以在設定T0中斷為高優(yōu)先級以及CPU對T0中斷請求的響應無(wú)等待延時(shí)的理想情況下，1個(gè)中斷周期所包含的實(shí)際時(shí)間t=初值到計數滿(mǎn)所需時(shí)間+入口引導時(shí)間+裝入初值低位字節時(shí)間。

　　由于入口引導與裝入初值低位字節共占4個(gè)機器周期，所以為了使中斷周期等于O.1s基準時(shí)間，上文對按理論推算出來(lái)的初值進(jìn)行了加4修正。盡管如此，按照方法1設計的時(shí)鐘程序與測控系統的其他程序有機聯(lián)接在一起運行時(shí)，要實(shí)現準確定時(shí)也是十分困難的，因為在實(shí)用工業(yè)測控系統中常常不止1個(gè)中斷源，而是含有多個(gè)中斷源，存在著(zhù)中斷優(yōu)先權的管理問(wèn)題。要使上述軟時(shí)鐘能夠準確定時(shí)，T0中斷必須設置為高優(yōu)先級，這樣CPU對T0的定時(shí)中斷才有可能不受影響，確保每隔0.1 s執行一次定時(shí)中斷服務(wù)程序。如果T0定時(shí)中斷被設置為低優(yōu)先級，那么CPU對T0定時(shí)中斷的響應就要受到影響。當CPU正在執行某一高優(yōu)先級中斷源的中斷服務(wù)程序時(shí)，T0計數滿(mǎn)會(huì )產(chǎn)生中斷請求，CPU必須等到當前正在執行的中斷服務(wù)程序執行完畢之后，才能響應T0中斷，這必將延長(cháng)中斷間隔，使初值不能如期裝入，破壞定時(shí)的準確性。由此可見(jiàn)，采用方法1設計的時(shí)鐘程序限制了系統設置中斷優(yōu)先級的靈活性，降低了設計效率。例如，某些以數碼管作為顯示器的測控系統，為了節省硬件開(kāi)銷(xiāo)，通常采用對數碼管進(jìn)行巡回掃描的方法進(jìn)行顯示輸出，為使顯示穩定，且無(wú)抖動(dòng)現象，必須將數碼管顯示中斷設置為高優(yōu)先級，以便保證掃描程序的執行周期固定不變，這便與時(shí)鐘定時(shí)中斷對優(yōu)先級的要求發(fā)生了矛盾。為克服方法1的缺陷，在實(shí)際工程中，通過(guò)采用如下所述的方法2來(lái)設計時(shí)鐘程序，可獲得較好的效果。

　　3 軟時(shí)鐘程序設計方法2——中斷周期累加法

　　方法2和方法1的程序結構是完全相同的，只是在對秒以下時(shí)間的處理上有所不同。將方法1的中斷服務(wù)程序中“O.1 s單元增加1”程序段改為：

　　通過(guò)對照容易看出，雖然兩個(gè)“O.1 s單元增加1”程序段所用指令不同，但效果是完全一樣的，可以互相替代。改動(dòng)后的程序將對0.1 s中斷周期的計數，變成了對O.1 s中斷周期的累加，由此引申，對任何小于秒的中斷周期都可以進(jìn)行累加，當最高位有進(jìn)位時(shí)實(shí)施秒增1，同樣可以達到時(shí)鐘定時(shí)的目的。MCS-51單片機內部定時(shí)器選擇工作方式1時(shí)為16位計數器，在上述假定條件下，當初值為0時(shí)，T0的定時(shí)中斷周期T=0.131 072 s，131072定義為中斷周期常數，在中斷服務(wù)程序中對其進(jìn)行累加。以下是采用方法2設計的時(shí)鐘程序。

　　定義中斷周期常數：

　　CONST: DB 00H，13H，10H，72H

　　初始化程序：

　　方法2采用對中斷周期進(jìn)行累加的方法，令定時(shí)器滿(mǎn)量程計數，初值為O，計數滿(mǎn)后，自動(dòng)重新從0開(kāi)始計數，不需用程序裝入初值，從根本上擺脫了裝入初值的困擾，當然也就避免了對初值進(jìn)行修正的繁瑣過(guò)程。由于不需要裝入初值，CPU可在中斷周期的任意時(shí)刻，響應定時(shí)器的中斷請求，只需保證下一次中斷請求到來(lái)之前將中斷服務(wù)程序執行完畢即可，從而使定時(shí)器大大降低了對中斷優(yōu)先級的要求。因此方法2將定時(shí)器中斷設置為低優(yōu)先級，而方法1則將其設置為高優(yōu)先級。顯然，采用方法2不僅便于程序設計，而且提高了程序設計的效率。

　　方法2中，當定時(shí)器滿(mǎn)量程計數時(shí)，中斷周期不再是標準的0.1 s，因此中斷周期在累加過(guò)程中向秒單元的進(jìn)位，大多數發(fā)生在非整秒時(shí)刻，而且進(jìn)位間隔也不盡相同，具體來(lái)講，假設秒以下時(shí)間單元從0開(kāi)始累加，那么向秒單元進(jìn)位第一次是在1.048 576 s時(shí)刻，第二次是在2.097 152 s時(shí)刻，第三次是在3.014 656 s時(shí)刻，…，第一次與第二次間隔為1.048 576 s，第二次與第三次間隔為0.917 504 s，……，進(jìn)位間隔有時(shí)候大于l s，有時(shí)候小于1 s，然而，對分、時(shí)、日、月這些長(cháng)期時(shí)間過(guò)程來(lái)說(shuō)，積累誤差可以認為等于O，從這個(gè)意義上說(shuō)，方法2大大提高了定時(shí)精度。

　　4 結語(yǔ)

　　提出了采用MCS-5l內部定時(shí)計數器作為軟時(shí)鐘設計的方法，不僅節省了硬件開(kāi)銷(xiāo)，而且提高軟時(shí)鐘的定時(shí)精度，具有廣泛的應用價(jià)值。在實(shí)際測試中，當晶體振蕩器的振蕩頻率不是標準6 MHz時(shí)，通過(guò)調整中斷周期常數，以及必要時(shí)通過(guò)增加秒以下時(shí)間單元緩沖區的字節數，可使中斷周期常數準確到所需精度。