基于MCS51单片机定时误差分析及纠正

时， 针对不同情况应采用灵活的修正方法同时也应注意一些事
ＭＯＶ ＰＯＰ ＰＯＰ ＲＥＴＩ
ＴＬ０， ＃ ９ＢＨ ； （２ ＴＳ） ＰＳＷ ＡＣＣ
项， 例如不能采用定时器工作模式 ２ 自动重装初值的方式，否则 误 差 会 更 大 ，并 且 得 不 到 控 制 。另 外 硬 件 方 面 的 因 素 也 应 值 得 注 意，比 如 应 考 虑 晶 体 自 身 的 精 度 、晶 体 的 频 率 漂 移 误 差 ， 尽 量 选 用振荡频率高的时钟以减少误差。
ΔＴＭＡＸ１＝１２／ＦＯＳＣ×ＣＩ＝１２／（１２×１０６）×４＝４×１０－ ６（ｓ）＝４（μｓ） ２． ３ ＣＰＵ 正在执行某中断服务程序时的误差
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
进入服务程序时关中断， 并且从前面的分析也可知， 定时器到下
Ｘ１＝２１６－ Ｔ３×ＦＯＳＣ／１２ Ｔ３＝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
一次装初值前的一刻其计数值应为各种累积误差值， 因此利用 此计数值来修正下一次计数初值， 以达到提高精度的目的。可编 写如下程序：
但在很多情况下， 只考虑了循环体的执行时间， 没有考虑本
例中的 ＭＯＶ、ＲＥＴ 指令， 即在设计延时 ５００μｓ 时也采用了本程
序， 这样就有一个误差， 误差率是 ０．４％， 这个误差非常 大 。 另 外
在使用软件定时过程中， 程序也容易被其他程序或事件打断（ 如
中断服务程序） ， 这样也会引起来较大的定时误差， 因此必须防
止程序被其他程序或事件打断。同时， 这种以 牺 牲 ＣＰＵ 的 时 间
获取延时的方法随 ＣＰＵ 工作频率不同而发生变化 ， 即 定 时 程 序
的通用性差。
２． 硬件定时误差的产生及纠正
硬 件 定 时 原 理 就 是 利 用 ５１ 单 片 机 片 内 二 个 １６ 位 定 时 器／
计数器，即定时器 Ｔ０ 和定时器 Ｔ１， 设置为定时工作方式，定时器
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 能及时响应定时器的溢出中断请求。显然发生这种情况时前面
对定时器溢出中断与 ＣＰＵ 响应中断时间误差进行补偿时， 定时 所 给 出 的 误 差 消 除 方 法 均 不 能 起 到 有 效 的 作 用， 故 可 以 采 用 在
器的新计数初值 Ｘ１ 为：
在 该 程 序 段 中 ， 采 用 减 １ 指 令 计 数 ， 计 数 初 值 １００（ ６４Ｈ） 预
先设置在寄存器 Ｒ２ 中， 各指令的执行时间如程序段中的注释所
示。软件定时的时间可由各指令 的 执 行 时 间 以 及 循 环 次 数 １００
（ ６４Ｈ） 所确定， 计算如下：
１μｓ＋（１μｓ＋１μｓ＋１μｓ ＋２μｓ）×１００＋１μｓ＝５０２μｓ
低８位 ８位
ＡＤＤ Ａ ， ＴＬ０ ； 进行修正 ＭＯＶ ＴＬ０， Ａ ； 重装载低位字节 ＭＯＶ Ａ ， ＃ＨＩＧＨ（２１６－ １００＋７）； 对高位字节处理，ＨＩＧＨ 表示取该数的高
序： ； （进入） Ｅｎｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｒｕｐ ｔ ＯＲＧ ０００Ｂｈ ＬＪＭＰ ＩＮＴ； ＩＮＴ： ＰＵＳＨ ＡＣＣ ；
【关键词】： 单片机； 误差； 定时
在 ＭＣＳ ５１ 单 片 机 的 控 制 系 统 中， 常 常 要 求 有 些 定 时 或 者
延时控制。定时或者延时控制一般有如下 ２ 种方法： 软件延时，
即让 ＣＰＵ 循环执行一段时间， 以实现延时和硬件定时， 即利用
ＭＣＳ ５１ 系列单片机硬 件 集 成 的 ２ 个 １６ 位 可 编 程 定 时／计 数 器 。
ＯＲＧ ０００Ｂｈ
ＬＪＭＰ ＩＮＴ
；
ＩＮＴ：ＣＬＲ ＥＡ ； 禁止所有中断
ＣＬＲ ＴＲ０ ； 停止定时器 Ｔ０
ＭＯＶ Ａ ， ＃ＬＯＷ（２１６－ １００＋７） ； 期望数的低位字节，ＬＯＷ 表示取该数的
时 １００μｓ， 则装入时间常数理论计算如下： Ｎ ＝ ６５５３５－ １００＝６５４３５， 则 ＴＨ０＝０ＦＦＨ ＴＬ０＝９ＢＨ 当 Ｔ０ 产生中断后， 首先进入中 断 入 口 ０００ＢＨ， 执 行 以 下 程
２００６ 年第 １２ 期
福建电脑
１４５
基于 ＭＣＳ ５１ 单片机定时误差分析及纠正
杨洪亮
（ 临沂师范学院信息学院 山东 临沂 ２７６００５）
【摘 要】： 随着 ＭＣＳ ５１ 单片机在工业上的实际应用，精确定时的要求越来越高。但是由于时钟周期考虑不全和硬件自 身等的原因引起定时误差，文中从软硬方面分析了误差 原 因 ， 并 针 对 误 差 非 固 定 性 的 特 点 合 理 考 虑 各 种 指 令 执 行 周 期 、设 置 计 数 器 初 值 、利 用 计 数 器 溢 出 值 、适 时 开 关 中 断 的 角 度 出 发 给 出 了 纠 正 方 法 。
但采用上述这两种方法来实现时间控制时却容易产生误差， 对
于一般低频率的应用中对时间控制精度要求低的场合来说没有
太大的问题， 而在高频实时控制应用中对时间控制精度要求高
的场合来讲问题就凸现出来， 必须加以纠正和补偿。另外， 还有
一些硬件方面的因素， 如晶体自身的精度、晶体的频率漂移误差
也会引起定时误差， 也必须加以纠正。
； （３～５ ＴＳ）
（２ ＴＳ） （２ ＴＳ）
ＡＤＤＣ Ａ ， ＴＨ０ ＭＯＶ ＴＨ０， Ａ ＳＥＴＢ ＴＲ０ ； 重启动定时器 ＳＥＴＢ ＥＡ ； 重开中断 ＲＥＴＩ
结束语
ＰＵＳＨ ＰＳＷ ； （２ ＴＳ）
使用上述的各种修正方法后基本能得到一个比较精确额定
ＭＯＶ ＴＨ０， ＃ ０ＦＦＨ ； （２ ＴＳ）
由以上程序可以看出， 当定时器 Ｔ０ 每一次中断后， 在完成语句：
ＭＯＶ ＴＨ０， ＃０ＦＦＨ ＭＯＶ ＴＬ０， ＃９ＢＨ
参考文献： １． 李 华， 孙 晓 明， 李 红 青 等．ＭＣＳ ５１ 系 列 单 片 机 实 用 接 口 技 术 ［Ｍ ］．北
从重新装入时间常数开始计时起， 产生的时间延迟最少为： 京： 北京航空航天大学出版社， ２００３
计数 ８０５１ 片内振荡器输出经 １２ 分 频 后 的 脉 冲， 即 每 个 机 器 周
期使定时器的数值加 １ 直至计满溢出， 然后中断 ＣＰＵ 的当前操
作， 执行相应的中断服务程序。但在这个过程中很容易产生单片
机定时器溢出中断的时间误差， 产生时间误差有三个原因： 一是
中断响应时间； 二是定时 器 溢 出 中 断 信 号 时， ＣＰＵ 正 在 执 行 某
中断响应的一个前提是当前指令执行完毕， 若定时器的溢 出中断时， ＣＰＵ 正在执行某指令，因此它不能及时响应。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。在 ８０５１ 单片机指令系统中，多数指令的指令周期为 １～２ 个机器周期，因此最大时间误差一般为 １～２ 个机器周期。若振荡 器 振 荡 频 率 为 ＦＯＳＣ ， ＣＰＵ 正 在 执 行 指 令 的 机 器 周 期 数 为 ＣＩ ， 则 最 大 时 间 误 差 为 ΔＴＭＡＸ１＝１２／ＦＯＳＣ×ＣＩ （ｕｓ）。 例 如 ＦＯＳＣ ＝ １２ＭＨＺ ， ＣＰＵ 正在执行乘法指令 （ＣＩ＝４） ， 此时的最大时间误差 为：
指令；三是定时器溢出中断信。
２．１ 中断响应时间的误差 ＭＣＳ ５１ 单片机的最短中断响应时间为 ３ 个机器周期， 其中
中断请求标志位查询占 １ 个机器周期， 而这个机器周期又恰好 是执行指令的最后一个机器周期，在这个机器周期结束后，中断 即被响应，产生 ＬＣＡＬＬ 指令，而执行这条长调指令需要 ２ 个机器 周期， 这样中断响应共经历了 ３ 个机器周期。而在这些时间中定 时器继续从 ０ 开始计数，因此产生了 ３ 个机器周期的误差。 ２． ２ ＣＰＵ 正在执行某指令时的误差
１４６
福建电脑
２００６ 年第 １２ 期
到误差的补偿要求。
ＴＨ０＝０ＦＦＨ
ＴＬ０＝０Ａ９Ｈ
若 定 时 器 为 计 数 方 式， 操 作 方 式 为 １， 则 计 数 器 初 值 Ｘ０ ＝
当定时器溢出发出中断请求时， 若 ＣＰＵ 正在执行同级或者
２１６－ Ｔ０×ＦＯＳＣ／１２。式中 ＦＯＳＣ 为振荡器的振荡频率。Ｔ０ 为需要 更高优先级的中断服务程序， 则他能需继续执行这些程序，而 不
； （进入） Ｅｎｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ
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。
例： ８０５１ 时钟： １２ＭＨｚ， 设定 Ｔ０ 为方式 １， １６ 位定时器。定
４ＴＳ＋２ＴＳ＋２ＴＳ＋２ＴＳ＋２ＴＳ＋２ＴＳ＝４ＴＳ （注： 实 际 应 用 中，可 取 进 入 中 ２． 蹇兴亮． 单片机定时中断的精确定时编程方法种种［Ｊ］． 单片机与嵌入
断为 ４ＴＳ 或 ５ＴＳ ，也可测试后调整，本例取 ４ＴＳ。）由 于 定 时 溢 出 到中断响应时间的延迟造成了定时的误差， 而经过上面程序的 计算已经初步知道了这个误差值， 因此可以采用更改计数初值 的方式来修正， 则实际装入的时间常数计算如下：