單片機內部一般有若干個(gè)定時(shí)器。如8051單片機內部有定時(shí)器0和定時(shí)器1。在定時(shí)器計數溢出時(shí)，便向CPU發(fā)出中斷請求。當CPU正在執行某指令或某中斷服務(wù)程序時(shí)，它響應定時(shí)器溢出中斷往往延遲一段時(shí)間。這種延時(shí)雖對單片機低頻控制系統影響甚微，但對單片機高頻控制系統的實(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。為擴大單片機的應用范圍，本文介紹它的定時(shí)器溢出中斷與CPU響應中斷的時(shí)間誤差、補償誤差的方法和實(shí)例。
2 誤差原因、大小及特點(diǎn)
產(chǎn)生單片機定時(shí)器溢出中斷與CPU響應中斷的時(shí)間誤差有兩個(gè)原因。一是定時(shí)器溢出中斷信號時(shí)，CPU正在執行某指令;二是定時(shí)器溢出中斷信號時(shí)，CPU正在執行某中斷服務(wù)程序。
2.1. CPU正在執行某指令時(shí)的誤差及大小
由于CPU正在執行某指令，因此它不能及時(shí)響應定時(shí)器的溢出中斷。當CPU執行此指令后再響應中斷所延遲的zui長(cháng)時(shí)間為該指令的指令周期，即誤差的zui大值為執行該指令所需的時(shí)間。由于各指令都有對應的指令周期，因此這種誤差將因CPU正在執行指令的不同而不同。如定時(shí)器溢出中斷時(shí)，CPU正在執行指令MOV A， Rn，其zui大誤差為1個(gè)機器周期。而執行指令MOV Rn, direct時(shí)，其zui大誤差為2個(gè)機器周期。當CPU正在執行乘法 或除法指令 時(shí)，zui大時(shí)間誤差可達4個(gè)機器周期。在8051單片機指令系統中，多數指令的指令周期為1～2個(gè)機器周期，因此zui大時(shí)間誤差一般為1～2個(gè)機器周期。若振蕩器振蕩頻率為fosc,CPU正在執行指令的機器周期數為Ci，則zui大時(shí)間誤差為Δtmax1=12/fosc×Ci(us)。例如fosc=12MHZ,CPU正在執行乘法指令(Ci=4)，此時(shí)的zui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)器溢出中斷信號時(shí)，若CPU正在執行同級或高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序，則它仍需繼續執行這些程序，不能及時(shí)響應定時(shí)器的溢出中斷請求，其延遲時(shí)間由中斷轉移指令周期T1、中斷服務(wù)程序執行時(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(gè)機器周期。中斷服務(wù)程序的執行時(shí)間為該程序所含指令的指令周期的總和。因此，zui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fosc=12MHZ，則zui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行的中斷服務(wù)程序。當CPU正在執行中斷返回指令RETI、或正在讀寫(xiě)IE或IP指令時(shí)，這種誤差在5個(gè)機器周期內。
2.3 誤差非固定性特點(diǎn)
定時(shí)器溢出中斷與CPU響應中斷的時(shí)間誤差具有非固定性特點(diǎn)。即這種誤差因CPU正在執行指令的不同而有相當大的差異。如CPU正在執行某中斷服務(wù)程序，這種誤差將遠遠大于執行一條指令時(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。如同樣只執行一條指令，這種誤差也有較大的差別。如執行乘法指令MUL AB 比執行MOV A， Rn指令的時(shí)間誤差增加了3個(gè)機器周期。這種誤差的非固定不僅給誤差分析帶來(lái)不便，同時(shí)也給誤差補償帶來(lái)困難。
3 誤差補償方法
由于定時(shí)器產(chǎn)生溢出中斷與CPU響應中斷請求的時(shí)間誤差具有非固定性，因此，這種誤差很難用常規方法補償。為此，本文介紹一種新方法?，F介紹該方法的基本思路、定時(shí)器新初值及應用情況。
3.1 基本思路
為使定時(shí)器溢出中斷與CPU響應中斷實(shí)現同步，該方法針對中斷響應與中斷請求的時(shí)間誤差，對定時(shí)器原有的計數初值進(jìn)行修改，以延長(cháng)定時(shí)器計數時(shí)間，從而補償誤差。在該方法中，當定時(shí)器溢出中斷得到響應后，即停止定時(shí)器的計數，并讀出計數值。該計數值是定時(shí)器溢出后，重新從OOH開(kāi)始每個(gè)機器周期繼續加1所計的值。然后，將這個(gè)值與定時(shí)器的停止計數時(shí)間求和。若在定時(shí)器原計數初值中減去這個(gè)和形成新計數初值，則定時(shí)器能在新計數初值下使溢出中斷與CPU響應中斷實(shí)現同步，從而達到誤差的補償要求。
3.2 定時(shí)器新計數初值
若定時(shí)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(shí)的時(shí)間，也為中斷的間隔時(shí)間。X0為定時(shí)器原計數初值。在對定時(shí)器溢出中斷與CPU響應中斷時(shí)間誤差進(jìn)行補償時(shí)，定時(shí)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(shí)間。t1為定時(shí)器停止計數時(shí)間，該時(shí)間為定時(shí)器停止計數到重新啟動(dòng)計數之間所有程序指令周期數的總和。t2為定時(shí)器溢出中斷后，重新從OOH開(kāi)始直至計數器停止時(shí)計的值。在誤差補償中，若將定時(shí)器計數初值X1取代X0，則可使定時(shí)器下次的溢出中斷與CPU響應中斷實(shí)現同步。
3.3 實(shí)例
要求補償定時(shí)器每1ms產(chǎn)生一次溢出中斷時(shí)的中斷響應延遲的誤差。若振蕩器振蕩頻率fosc=12MHZ，定時(shí)器工作在計數方式，工作模式為1，則補償中斷響應時(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
誤差補償程序為：
……
0 CLR EA ;關(guān)CPU中斷
1 CLR TRi ;停止定時(shí)器計數
2 MOV R0， #OOH ;R0清零
3 MOV R0， #LOW(216) ;定時(shí)器zui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(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(gè)機器周期。CPU雖在執行**條指令CLR TRi 后停止定時(shí)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(yǔ)
由于本文介紹的誤差補償方法能對定時(shí)器溢出中斷與CPU響應中斷的非固定性時(shí)間誤差進(jìn)行有效補償，因此，該方法對于提高高頻控制系統實(shí)時(shí)控制精度和擴大單片機應用范圍都有較高的實(shí)用價(jià)值。