MCS-51单片机中软时钟设计的优化方法

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 引言

随着微电脑应用的普及,以MCS-51单片机为核心的微机测控系统已随处可见。为满足用户要求,这些系统通常都具有数码显示时钟的功能。由于MCS-51内部包含2个定时计数器,通过采用将其中一个定时计数器用于软时钟设计的方法,可以大大节省硬件开销。本文提出了如何提高软时钟的定时精度,以及在软时钟存在的情况下,如何提高以MCS-51单片机为核心的测控系统的设计质量的方法。

1 MCS-51单片机内部定时计数器概述

MCS-51单片机内部包含2个定时计数器T0和T1,它们都是16位的加法计数器,既可用于定时,也可用于计数,在用于定时的情况下,计数脉冲由内部提供,因此计数速率固定为CPU振荡频率的1/12;在用于计数的情况下,计数脉冲来自外部,外部计数脉冲通过MCS-51的引脚T0(第14脚)或T1(第15脚)输入,在发生从1到0的跳变时计数加1。每个定时计数器又有4种工作方式可供选择:方式O构成13位定时计数器,高3位未用;方式1构成16位定时计数器;方式2构成8位定时计数器,低位字节用于计数,高位字节存放初值;方式3只适合于T0,构成两个独立的8位定时计数器。在方式O、方式1及方式3时,初值不能自动装入,当定时时间已到或计数次数已满时,若要进行下一次定时计数,必须利用软件装入初值,否则,系统会按上限自动定时或计数,即以O初值进行定时或计数;而在方式2时,初值可自动装入,只需向高位字节写入一次初值,则当低位字节定时时间到(或计数满)时,高位字节的初值会自动装入低位字节,且高位字节的值保持不变。当系统需用MCS-51单片机的串行接口进行串行通信时,定时计数器T1被固定为波特率发生器,因此,在软时钟设计中,总是选择T0作为定时器。

2 软时钟程序设计方法1——0.1 s计数法

0.1 s计数法的基本原理如下,通过设置定时计数器O每经过0.1 s请求一次中断,中断处理程序会令软时钟的基准0.1 s单元增加1,而该单元每增加10次,再令软时钟的秒单元增加1,以此类推,按照时间进位令分、时、日、月直至年单元增加1。设CPU所接晶体振荡器的振荡频率为6 MHz,则1个机器周期为2μs,当T0作为定时器工作时,定时器溢出,即中断周期:T=2×TC×10-6 s,式中TC为时间常数。令中断周期T=O.1 s,可得:TC=0.1/(2×10-6)=50 000=0C350H,此时间常数决定了T0必须为16位定时器,故设置为工作方式1。由于是加法计数器,初值IC应为时间常数TC的补码,所以IC=216-TC=10000H-0C350H=3CBOH,修正以后,取IC=3CB4H,有关程序段具体设计如下。

初始化程序:

 

由上述程序可知,作为16位定时器使用时,T0不能自动装入初值,每次进入中断服务程序后,首先必须用程序装入初值,下一次定时实际上是从装入初值低位字节后开始的,所以在设定T0中断为高优先级以及CPU对T0中断请求的响应无等待延时的理想情况下,1个中断周期所包含的实际时间t=初值到计数满所需时间+入口引导时间+装入初值低位字节时间。

由于入口引导与装入初值低位字节共占4个机器周期,所以为了使中断周期等于O.1s基准时间,上文对按理论推算出来的初值进行了加4修正。尽管如此,按照方法1设计的时钟程序与测控系统的其他程序有机联接在一起运行时,要实现准确定时也是十分困难的,因为在实用工业测控系统中常常不止1个中断源,而是含有多个中断源,存在着中断优先权的管理问题。要使上述软时钟能够准确定时,T0中断必须设置为高优先级,这样CPU对T0的定时中断才有可能不受影响,确保每隔0.1 s执行一次定时中断服务程序。如果T0定时中断被设置为低优先级,那么CPU对T0定时中断的响应就要受到影响。当CPU正在执行某一高优先级中断源的中断服务程序时,T0计数满会产生中断请求,CPU必须等到当前正在执行的中断服务程序执行完毕之后,才能响应T0中断,这必将延长中断间隔,使初值不能如期装入,破坏定时的准确性。由此可见,采用方法1设计的时钟程序限制了系统设置中断优先级的灵活性,降低了设计效率。例如,某些以数码管作为显示器的测控系统,为了节省硬件开销,通常采用对数码管进行巡回扫描的方法进行显示输出,为使显示稳定,且无抖动现象,必须将数码管显示中断设置为高优先级,以便保证扫描程序的执行周期固定不变,这便与时钟定时中断对优先级的要求发生了矛盾。为克服方法1的缺陷,在实际工程中,通过采用如下所述的方法2来设计时钟程序,可获得较好的效果。

3 软时钟程序设计方法2——中断周期累加法

方法2和方法1的程序结构是完全相同的,只是在对秒以下时间的处理上有所不同。将方法1的中断服务程序中“O.1 s单元增加1”程序段改为:

 

通过对照容易看出,虽然两个“O.1 s单元增加1”程序段所用指令不同,但效果是完全一样的,可以互相替代。改动后的程序将对0.1 s中断周期的计数,变成了对O.1 s中断周期的累加,由此引申,对任何小于秒的中断周期都可以进行累加,当最高位有进位时实施秒增1,同样可以达到时钟定时的目的。MCS-51单片机内部定时器选择工作方式1时为16位计数器,在上述假定条件下,当初值为0时,T0的定时中断周期T=0.131 072 s,131072定义为中断周期常数,在中断服务程序中对其进行累加。以下是采用方法2设计的时钟程序。

定义中断周期常数:

CONST: DB 00H,13H,10H,72H

初始化程序:

 

方法2采用对中断周期进行累加的方法,令定时器满量程计数,初值为O,计数满后,自动重新从0开始计数,不需用程序装入初值,从根本上摆脱了装入初值的困扰,当然也就避免了对初值进行修正的繁琐过程。由于不需要装入初值,CPU可在中断周期的任意时刻,响应定时器的中断请求,只需保证下一次中断请求到来之前将中断服务程序执行完毕即可,从而使定时器大大降低了对中断优先级的要求。因此方法2将定时器中断设置为低优先级,而方法1则将其设置为高优先级。显然,采用方法2不仅便于程序设计,而且提高了程序设计的效率。

方法2中,当定时器满量程计数时,中断周期不再是标准的0.1 s,因此中断周期在累加过程中向秒单元的进位,大多数发生在非整秒时刻,而且进位间隔也不尽相同,具体来讲,假设秒以下时间单元从0开始累加,那么向秒单元进位第一次是在1.048 576 s时刻,第二次是在2.097 152 s时刻,第三次是在3.014 656 s时刻,…,第一次与第二次间隔为1.048 576 s,第二次与第三次间隔为0.917 504 s,……,进位间隔有时候大于l s,有时候小于1 s,然而,对分、时、日、月这些长期时间过程来说,积累误差可以认为等于O,从这个意义上说,方法2大大提高了定时精度。

4 结语

提出了采用MCS-5l内部定时计数器作为软时钟设计的方法,不仅节省了硬件开销,而且提高软时钟的定时精度,具有广泛的应用价值。在实际测试中,当晶体振荡器的振荡频率不是标准6 MHz时,通过调整中断周期常数,以及必要时通过增加秒以下时间单元缓冲区的字节数,可使中断周期常数准确到所需精度。

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