單片機(jī)定時(shí)器的應(yīng)用與誤差糾正

1 前言
　　
定時(shí)器是MCS-51單片機(jī)非常重要的組成部分，由于其應(yīng)用與單片機(jī)的其他硬件相關(guān)，存在著一定的復(fù)雜性[1]。而定時(shí)器是單片機(jī)應(yīng)用中解決某類復(fù)雜問題的最有為效的方法，應(yīng)用非常廣泛。隨著定時(shí)要求的提高，在定時(shí)處理過程中所帶來的誤差需要校正[2]，本文就MCS-51單片機(jī)的使用方法與誤差校正方法進(jìn)行了討論，并給出通用算法與程序。

2 定時(shí)器工作方式與方式設(shè)置
　　
MCS-51單片機(jī)有兩路獨(dú)立的定時(shí)器，每路定時(shí)器有4種工作方式（0～3），方式0是13位計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)，計(jì)數(shù)器由TH全部8位與TL的低5位構(gòu)成；方式1是16位計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)，計(jì)數(shù)器由TH與TL全部8位共16位組成；方式2是8位計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)方式，計(jì)數(shù)器由TL8位組成，與其他方式不同的是,當(dāng)定時(shí)溢出時(shí)，硬件自動(dòng)將TH的值裝入TL中，有自動(dòng)加載功能。前三種工作方式，兩路定時(shí)器的設(shè)置與使用完全相同，但在工作方式3下，兩路定時(shí)器有很大差別，只有0路定時(shí)器可以工作在方式3下，1路定時(shí)器只能工作在方式0～2下，在工作方式3下，0路定時(shí)器被拆分成兩個(gè)獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器TL0與TH1，其中0路定時(shí)器的各控制位和引腳信號(hào)全歸TL0使用，因此TH0只能做簡(jiǎn)單的定時(shí)器使用，其控制位占用了1路定時(shí)器的控制位，如果0路定時(shí)器工作在方式3下，1路定時(shí)器由于讓出了所屬控制位，通常作為串行口波特率發(fā)生器[3]。
　　
定時(shí)器的工作方式選擇主要依靠設(shè)置TMOD寄存器的值，其各位定義如下：

位序	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
位符號(hào)	GATE	C/T	M1	M0	GATE	C/T	M1	M0

其中，B0～B3用來控制0路定時(shí)器，B4～B7用來控制1路定時(shí)器。
　　
GATE位為門控位，主要確定定時(shí)器啟動(dòng)的方式，如果GATE=0，則用TR0（TR1）位啟動(dòng)/關(guān)閉定時(shí)器，如果GATE=1，則以外中斷請(qǐng)求信號(hào)（INT0或INT1）啟動(dòng)定時(shí)器。
　　
C/T位為定時(shí)與計(jì)數(shù)選擇位，C/T=0為定時(shí)方式，C/T=1為計(jì)數(shù)方式。
　　M0、M1為工作方式選擇位
　　M1M0=00方式0M1M0=10方式2
　　M1M0=01方式1M1M0=11方式3
　　
選擇定時(shí)器工作方式，應(yīng)根據(jù)上述規(guī)定向寄存器TMOD中寫入相應(yīng)數(shù)，如設(shè)置0路定時(shí)器工作在定時(shí)方式0下，1路定時(shí)器工作在方式1下，則應(yīng)用下列指令設(shè)置:
　　
MOVTMOD,＃10H

3 定時(shí)器的處理方式與計(jì)數(shù)初值的計(jì)算
　　
MCS-51單片機(jī)的定時(shí)器采用增值計(jì)數(shù)法，在定時(shí)工作方式下，啟動(dòng)定時(shí)器后，每機(jī)器周期CPU硬件會(huì)自動(dòng)給相應(yīng)計(jì)數(shù)器加1，直至超出對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器所能表示的最大值，發(fā)生定時(shí)溢出，硬件自動(dòng)將TF0（TF1）置位，用戶可以通過查詢TF0（TF1）位判斷定時(shí)是否溢出，如果此時(shí)定時(shí)中斷處于開放狀態(tài)，將引發(fā)相應(yīng)定時(shí)中斷，MCS-51響應(yīng)中斷，根據(jù)相應(yīng)中斷地址（0路定時(shí)中斷的中斷入口地址為000B，1路為001B）執(zhí)行中斷處理程序。
　　
定時(shí)編程有兩種基本方式，一種方式為查詢方式，在啟動(dòng)定時(shí)時(shí)關(guān)閉相應(yīng)定時(shí)中斷，然后循環(huán)檢測(cè)TF0（TF1）進(jìn)行相應(yīng)處理；另一種方式為中斷方式，啟動(dòng)定時(shí)時(shí)開放相應(yīng)定時(shí)中斷，并將定時(shí)溢出處理程序編寫為中斷處理程序形式通過在相應(yīng)中斷入口地址（000B，001B）放置跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)入定時(shí)溢出處理程序。
　　
定時(shí)器工作方式選定后，定時(shí)溢出時(shí)間唯一取決于計(jì)數(shù)器的初值，如何根據(jù)應(yīng)用需要確定計(jì)數(shù)器初值，也是定時(shí)器應(yīng)用的一個(gè)重要問題。假定單片機(jī)機(jī)器周期為K0，所選定的定時(shí)方式計(jì)數(shù)器為n位，所實(shí)現(xiàn)的定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度為T，則有：
　　
　　　　（2n－x）K0=T(1)
　　
　　其中x為計(jì)數(shù)器的初值，根據(jù)式1可以求出初值x為：

　　　　x=2n－(T/K0)(2)

4 定時(shí)器的編程步聚和各步聚的通用程序
　　
　　定時(shí)器應(yīng)用編程主要分為以下幾個(gè)步聚。

4.1步驟1根據(jù)定時(shí)要求求計(jì)數(shù)初值x
　　
　　首先根據(jù)單片機(jī)時(shí)鐘頻率f確定單片機(jī)機(jī)器周期k0,即：

　　k0=12/f(3)
　　
在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)時(shí)鐘頻率f一般為6mHz或12mHz，所以單片機(jī)機(jī)器周期k0=2μs或1μs，然后根據(jù)選定的工作方式確定計(jì)數(shù)器位數(shù)n，將所得k0與n代入式2，求出計(jì)數(shù)初值x,并根據(jù)所選擇的計(jì)數(shù)方式將x的值分入TH0（TH1）與TL0（TL1）。

4.2步驟2編寫初始化程序
　　
初始化程序與定時(shí)編程方式有關(guān)，中斷方式初始化程序如下（以0路定時(shí)器為例）：

　　movTMOD,＃n(規(guī)定定時(shí)工作方式)
　　movTH0,＃n1(設(shè)置計(jì)數(shù)器低位)
　　movTL1,＃n2(設(shè)置計(jì)數(shù)器高位)
　　setBEA（開放中斷）
　　setBET0（開放定時(shí)中斷0）
　　setBTR0(啟動(dòng)定時(shí))
　　
　　查詢方式初始化程序如下：
　　movTMOD,＃n(規(guī)定定時(shí)工作方式)
　　movTH0,＃n1(設(shè)置計(jì)數(shù)器低位)
　　movTL1,＃n2(設(shè)置計(jì)數(shù)器高位)
　　clrET0（開放定時(shí)中斷0）
　　setBTR0(啟動(dòng)定時(shí))

　　其中＃n1和＃n2與計(jì)數(shù)初值x有關(guān)，如果采用方式2，有＃n1=＃n2，所有初始化程序都以0路定時(shí)器為例，如果用1路定時(shí)器，則將程序中的寄存器和控制位的下標(biāo)1改為0。

4.3步驟3編制定時(shí)處理程序
　　
　　中斷方式處理程序如下：
　　org000B
　　1jmpb1
　　b1:clrEA
　　movTH0,＃n1
　　movTH1,＃n2
　　定時(shí)處理語句段
　　reti
　　其中，0路定時(shí)器為000B，如果為1路定時(shí)器為001B，如果定時(shí)器工作在方式2，則不需要給TH0、TH1重新賦值。
　　查詢方式處理程序如下：
　　L1:jbcTF0,LO1
　　sjmpL1
　　LO1:movTH0,＃n1
　　movTH1,＃n2
　　定時(shí)處理語句段
　　sjmpL1

5 定時(shí)的誤差校準(zhǔn)
　　
由于單片機(jī)的機(jī)器周期為1μs～2μs，定時(shí)誤差一般應(yīng)在0μs～20μs之內(nèi)，對(duì)于一般應(yīng)用，此誤差可以忽略，但是對(duì)于精確度要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合，此誤差必須進(jìn)行校正。定時(shí)誤差是定時(shí)溢出后轉(zhuǎn)入執(zhí)行定時(shí)處理語句段之間所耗費(fèi)的時(shí)間，此時(shí)間主要由定時(shí)溢出轉(zhuǎn)入定時(shí)處理語句段所必須執(zhí)行的指令或硬件過程產(chǎn)生。
　　
定時(shí)誤差校準(zhǔn)的簡(jiǎn)單原理是：在定時(shí)溢出響應(yīng)后，停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，讀出當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)值（它反映了定時(shí)響應(yīng)的延遲時(shí)間），然后將完成這一任務(wù)的程序段執(zhí)行時(shí)間考慮進(jìn)去，作為修正因子校正定時(shí)初值，以下程序段以中斷處理方式為例：
　　clrEA
　　clrTR1
　　clrc
　　movA,＃n0
　　clrTR0
　　subbA,TL0
　　subbA,＃08
　　movTL0,A
　　movA,＃n1
　　subbA,TH0
　　movTH0,A
　　setbTR0
　　定時(shí)處理語句段
　　reti
　　
由于執(zhí)行從指令clrTR0（停止計(jì)數(shù)）到指令setbTR0（重新開啟計(jì)數(shù)）之間的指令需8個(gè)機(jī)器周期，應(yīng)將此消耗考慮進(jìn)去。上述程序?qū)⒍〞r(shí)誤差縮小在1個(gè)機(jī)器周期內(nèi)。