单片机定时器中断时间误差的分析及补偿(精)

1、单片机定时器中断时间误差的分析及补偿作者冰晓日期2009-1-8 8:09:000推荐摘要:本文分析了单片机定时器溢出中断与CPU响应中断的时间误差，并给出了补偿误差的方法和实例。关键词：单片机；定时器；中断；误差1前言单片机内部一般有若干个定时器。 如8 0 5 1单片机内部有定时器0和定时器1。在定时器计数溢出时，便向CPU发出中断请求。 当CPU正在执行某指令或某中断服务程序时，它响应定时器溢出中断往往延迟一段时间。 这种延时虽对单片机低频控制系统影响甚微， 但对 单片机高频控制系统的实时控制精度却有较大的影响，有时还可能造成控制事故。为扩大单片机的应用范围，本文介绍它的定时器溢出中断与

2、CPU响应中断的时间误差、补偿误差的方法和实例。2误差原因、大小及特点产生单片机定时器溢出中断与CPU响应中断的时间误差有两个原因。一是定时器溢出中断信号时，CPU正在执行某指令； 二是定时器溢出中断信号时， CPU正在执行某中断服务 程序。2.1. CPU正在执行某指令时的误差及大小由于CPU正在执行某指令，因此它不能及时响应定时器的溢出中断。当CPU执行此指令后再响应中断所延迟的最长时间为该指令的指令周期，即误差的最大值为执行该指令所需的时间。由于各指令都有对应的指令周期，因此这种误差将因CPU正在执行指令的不同而不同。如定时器溢出中断时，CPU正在执行指令MOVA, Rn,其最大误差为1

3、个机器周期。而执行指令MOVRn , direct时，其最大误差为2个机器周期。当CPU正在执行乘法 或除法指令 时，最大时间误差可达4个机器周期。 在8 0 5 1单片机指令系 统中，多数指令的指令周期为12个机器周期，因此最大时间误差一般为12个机器周期。若振荡器振荡频率为f osc , CPU正在执行指令的机器周期数为Ci,则最大时间 误差为tmax1 = 12/foscXCi ( us )。例如 f osc = 12MHZ , CPU 正在执行乘法指令(Ci= 4),此时的最大时间误差为：Atmax1 = 12/foscXCi = 12/(12X106) X4 = 4X10-6( s

4、)=4 (卩 s )2.2 CPU正在执行某中断服务的程序时的误差及大小定时器溢出中断信号时， 若CPU正在执行同级或高优先级中断服务程序，则它仍需继续执行这些程序，不能及时响应定时器的溢出中断请求，其延迟时间由中断转移指令周期T1、 中断服务程序执行时间T2、 中断返回指令的指令周期T3及中断返回原断点后执行下一条 指令周期T4 (如乘法指令)组成。中断转移指令和中断返回指令的指令周期都分别为2个 机器周期。中断服务程序的执行时间为该程序所含指令的指令周期的总和。因此，最大时间误差 A tmax2为：Atmax2= (T1+T2+T3+T4)12/fosc=(2+T2 + 2 + 4)12/

5、 fosc = 12(T2 + 8)/ fosc若设f osc = 12MHZ，则最大时间误差为：Atmax2 = 12(T2 + 8)/ fosc =12(T2 + 8)/12X106=(T2 + 8)X10-6(s)=T2 + 8(s)。由于上式中T2一般大于8,因此，这种时间误差一般取决于正在执行的中断服务程序。当CPU正在执行中断返回指令RETI、或正在读写IE或IP指令时，这种误差在5个机器周期内。2.3误差非固定性特点定时器溢出中断与CPU响应中断的时间误差具有非固定性特点。即这种误差因CPU正在执行指令的不同而有相当大的差异。如CPU正在执行某中断服务程序，这种误差将远远大于执行

6、一条指令时的误差。后者误差可能是前者误差的几倍、几十倍、 甚至更大。 如同样只执行一条指令，这种误差也有较大的差别。如执行乘法指令MULAB比执行MOV A,Rn指令的时间误差增加了3个机器周期。这种误差的非固定不仅给误差分析带来不便，同时也给误差补偿带来困难。3 误差补偿方法由于定时器产生溢出中断与CPU响应中断请求的时间误差具有非固定性，因此，这种误差很难用常规方法补偿。为此,本文介绍一种新方法。现介绍该方法的基本思路、定时器新初 值及应用情况。3.1 基本思路为使定时器溢出中断与CPU响应中断实现同步，该方法针对中断响应与中断请求的时间误差,对定时器原有的计数初值进行修改, 以延长定时器

7、计数时间, 从而补偿误差。 在该方法 中,当定时器溢出中断得到响应后, 即停止定时器的计数,并读出计数值。 该计数值是定时 器溢出后，重新从OOH开始每个机器周期继续加1所计的值。然后，将这个值与定时器的停止计数时间求和。 若在定时器原计数初值中减去这个和形成新计数初值, 则定时器能在新 计数初值下使溢出中断与CPU响应中断实现同步，从而达到误差的补偿要求。3.2 定时器新计数初值若定时器为计数方式，操作方式为1,则计数器初值X0=216t0Xfosc/12。式中f osc为振荡器的振荡频率。 t0为需要定时的时间， 也为中断的间隔时间。 X0为 定时器原计数初值。 在对定时器溢出中断与CPU

8、响应中断时间误差进行补偿时，定时器的新计数初值X1为：X1=216t3X fosc/12t3=t0+t1+t2式中t0为中断间隔时间。 t1为定时器停止计数时间， 该时间为定时器停止计数到重新启 动计数之间所有程序指令周期数的总和。t2为定时器溢出中断后， 重新从OOH开始直至计数器停止时计的值。 在误差补偿中，若将定时器计数初值X1取代X0,则可使定时器下次的溢出中断与CPU响应中断实现同步。3.3 实例要求补偿定时器每1ms产生一次溢出中断时的中断响应延迟的误差。若振荡器振荡频率fosc=12MHZ, 定时器工作在计数方式， 工作模式为1,则补偿中断响应时间误差时 的定时器新初值X1为：X

9、1 = 216 t3X fosc/12 = 216(t0+t1) t2 = 216(10 0 0 +1 3 ) t2误差补偿程序为：0CLREA ;关CPU中断1CLRTRi;停止定时器计数2MOVR0,#OOH;RO清零3MOVR0,#LOW(216）;定时器最大计数值的低8位送RO4MOVA, R05SUBBA,#LOW(10 0 0 + 1 3 );2 16的低8位减去（t0+t1）的低8位送累加器A6SUBBA,TLi;216的低8位减去（t0+t1+t2)的低8位送TLi7MOVTLi,A8MOVR0,#OOH;R0清零9MOVR0,#HIGH(216) ；216的高8位送R010 MOVA,R011 SUBB A,#HIGH( 1 0 0 0 + 1 3 );2 16的高8位减去（t0+ t1）的高8位送A12 SUBB A,THi;2 16的高8位减去（t0+ t1 +t2 )的高8位送A13 MOV THi, A14 SETB TRi;重新启动定时器在上式和上段程序中， 由于fosc=12MHZ,中断间隔时间为1ms, 因此tO的机器周期数为1 0 0 0。由于第1条指令到第14条指令的指令周期的机器周期数之和为13,因此，t1为13个机器周