MCS-51單片機中軟時鐘設計的優(yōu)化方法

0 引言
    隨著微電腦應用的普及，以MCS-51單片機為核心的微機測控系統(tǒng)已隨處可見。為滿足用戶要求，這些系統(tǒng)通常都具有數碼顯示時鐘的功能。由于MCS-51內部包含2個定時計數器，通過采用將其中一個定時計數器用于軟時鐘設計的方法，可以大大節(jié)省硬件開銷。本文提出了如何提高軟時鐘的定時精度，以及在軟時鐘存在的情況下，如何提高以MCS-51單片機為核心的測控系統(tǒng)的設計質量的方法。

1 MCS-51單片機內部定時計數器概述
    MCS-51單片機內部包含2個定時計數器T0和T1，它們都是16位的加法計數器，既可用于定時，也可用于計數，在用于定時的情況下，計數脈沖由內部提供，因此計數速率固定為CPU振蕩頻率的1／12；在用于計數的情況下，計數脈沖來自外部，外部計數脈沖通過MCS-51的引腳T0(第14腳)或T1(第15腳)輸入，在發(fā)生從1到0的跳變時計數加1。每個定時計數器又有4種工作方式可供選擇：方式O構成13位定時計數器，高3位未用；方式1構成16位定時計數器；方式2構成8位定時計數器，低位字節(jié)用于計數，高位字節(jié)存放初值；方式3只適合于T0，構成兩個獨立的8位定時計數器。在方式O、方式1及方式3時，初值不能自動裝入，當定時時間已到或計數次數已滿時，若要進行下一次定時計數，必須利用軟件裝入初值，否則，系統(tǒng)會按上限自動定時或計數，即以O初值進行定時或計數；而在方式2時，初值可自動裝入，只需向高位字節(jié)寫入一次初值，則當低位字節(jié)定時時間到(或計數滿)時，高位字節(jié)的初值會自動裝入低位字節(jié)，且高位字節(jié)的值保持不變。當系統(tǒng)需用MCS-51單片機的串行接口進行串行通信時，定時計數器T1被固定為波特率發(fā)生器，因此，在軟時鐘設計中，總是選擇T0作為定時器。

2 軟時鐘程序設計方法1——0．1 s計數法
    0．1 s計數法的基本原理如下，通過設置定時計數器O每經過0．1 s請求一次中斷，中斷處理程序會令軟時鐘的基準0．1 s單元增加1，而該單元每增加10次，再令軟時鐘的秒單元增加1，以此類推，按照時間進位令分、時、日、月直至年單元增加1。設CPU所接晶體振蕩器的振蕩頻率為6 MHz，則1個機器周期為2μs，當T0作為定時器工作時，定時器溢出，即中斷周期：T=2×TC×10-6 s，式中TC為時間常數。令中斷周期T=O．1 s，可得：TC=0．1／(2×10-6)=50 000=0C350H，此時間常數決定了T0必須為16位定時器，故設置為工作方式1。由于是加法計數器，初值IC應為時間常數TC的補碼，所以IC=216-TC=10000H-0C350H=3CBOH，修正以后，取IC=3CB4H，有關程序段具體設計如下。
    初始化程序：
   
    由上述程序可知，作為16位定時器使用時，T0不能自動裝入初值，每次進入中斷服務程序后，首先必須用程序裝入初值，下一次定時實際上是從裝入初值低位字節(jié)后開始的，所以在設定T0中斷為高優(yōu)先級以及CPU對T0中斷請求的響應無等待延時的理想情況下，1個中斷周期所包含的實際時間t=初值到計數滿所需時間+入口引導時間+裝入初值低位字節(jié)時間。
    由于入口引導與裝入初值低位字節(jié)共占4個機器周期，所以為了使中斷周期等于O．1s基準時間，上文對按理論推算出來的初值進行了加4修正。盡管如此，按照方法1設計的時鐘程序與測控系統(tǒng)的其他程序有機聯接在一起運行時，要實現準確定時也是十分困難的，因為在實用工業(yè)測控系統(tǒng)中常常不止1個中斷源，而是含有多個中斷源，存在著中斷優(yōu)先權的管理問題。要使上述軟時鐘能夠準確定時，T0中斷必須設置為高優(yōu)先級，這樣CPU對T0的定時中斷才有可能不受影響，確保每隔0．1 s執(zhí)行一次定時中斷服務程序。如果T0定時中斷被設置為低優(yōu)先級，那么CPU對T0定時中斷的響應就要受到影響。當CPU正在執(zhí)行某一高優(yōu)先級中斷源的中斷服務程序時，T0計數滿會產生中斷請求，CPU必須等到當前正在執(zhí)行的中斷服務程序執(zhí)行完畢之后，才能響應T0中斷，這必將延長中斷間隔，使初值不能如期裝入，破壞定時的準確性。由此可見，采用方法1設計的時鐘程序限制了系統(tǒng)設置中斷優(yōu)先級的靈活性，降低了設計效率。例如，某些以數碼管作為顯示器的測控系統(tǒng)，為了節(jié)省硬件開銷，通常采用對數碼管進行巡回掃描的方法進行顯示輸出，為使顯示穩(wěn)定，且無抖動現象，必須將數碼管顯示中斷設置為高優(yōu)先級，以便保證掃描程序的執(zhí)行周期固定不變，這便與時鐘定時中斷對優(yōu)先級的要求發(fā)生了矛盾。為克服方法1的缺陷，在實際工程中，通過采用如下所述的方法2來設計時鐘程序，可獲得較好的效果。

3 軟時鐘程序設計方法2——中斷周期累加法
    方法2和方法1的程序結構是完全相同的，只是在對秒以下時間的處理上有所不同。將方法1的中斷服務程序中“O．1 s單元增加1”程序段改為：
   
    通過對照容易看出，雖然兩個“O．1 s單元增加1”程序段所用指令不同，但效果是完全一樣的，可以互相替代。改動后的程序將對0．1 s中斷周期的計數，變成了對O．1 s中斷周期的累加，由此引申，對任何小于秒的中斷周期都可以進行累加，當最高位有進位時實施秒增1，同樣可以達到時鐘定時的目的。MCS-51單片機內部定時器選擇工作方式1時為16位計數器，在上述假定條件下，當初值為0時，T0的定時中斷周期T=0．131 072 s，131072定義為中斷周期常數，在中斷服務程序中對其進行累加。以下是采用方法2設計的時鐘程序。
    定義中斷周期常數：
    CONST: DB 00H，13H，10H，72H
    初始化程序：
   
    方法2采用對中斷周期進行累加的方法，令定時器滿量程計數，初值為O，計數滿后，自動重新從0開始計數，不需用程序裝入初值，從根本上擺脫了裝入初值的困擾，當然也就避免了對初值進行修正的繁瑣過程。由于不需要裝入初值，CPU可在中斷周期的任意時刻，響應定時器的中斷請求，只需保證下一次中斷請求到來之前將中斷服務程序執(zhí)行完畢即可，從而使定時器大大降低了對中斷優(yōu)先級的要求。因此方法2將定時器中斷設置為低優(yōu)先級，而方法1則將其設置為高優(yōu)先級。顯然，采用方法2不僅便于程序設計，而且提高了程序設計的效率。
    方法2中，當定時器滿量程計數時，中斷周期不再是標準的0．1 s，因此中斷周期在累加過程中向秒單元的進位，大多數發(fā)生在非整秒時刻，而且進位間隔也不盡相同，具體來講，假設秒以下時間單元從0開始累加，那么向秒單元進位第一次是在1．048 576 s時刻，第二次是在2．097 152 s時刻，第三次是在3．014 656 s時刻，…，第一次與第二次間隔為1．048 576 s，第二次與第三次間隔為0．917 504 s，……，進位間隔有時候大于l s，有時候小于1 s，然而，對分、時、日、月這些長期時間過程來說，積累誤差可以認為等于O，從這個意義上說，方法2大大提高了定時精度。

4 結語
    提出了采用MCS-5l內部定時計數器作為軟時鐘設計的方法，不僅節(jié)省了硬件開銷，而且提高軟時鐘的定時精度，具有廣泛的應用價值。在實際測試中，當晶體振蕩器的振蕩頻率不是標準6 MHz時，通過調整中斷周期常數，以及必要時通過增加秒以下時間單元緩沖區(qū)的字節(jié)數，可使中斷周期常數準確到所需精度。