單片機定時器中斷時間誤差的解決方案

1 前言

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發出中斷請求。當CPU正在執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影響甚微，但對單片機高頻控制系統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正在執行某指令;二是定時器溢出中斷信號時，CPU正在執行某中斷服務程序。

2.1. CPU正在執行某指令時的誤差及大小

由于CPU正在執行某指令，因此它不能及時響應定時器的溢出中斷。當CPU執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正在執行指令的不同而不同。如定時器溢出中斷時，CPU正在執行指令MOV A， Rn，其最大誤差為1個機器周期。而執行指令MOV Rn, direct時，其最大誤差為2個機器周期。當CPU正在執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正在執行同級或高優先級中斷服務程序，則它仍需繼續執行這些程序，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行的中斷服務程序。當CPU正在執行中斷返回指令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程序，這種誤差將遠遠大于執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。