單片機定時器中斷時間誤差的分析及補償

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。

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方法補償。為此，本文介紹一種新方法。現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響應中斷實現同步。