单片机定时器中断时间误差的分析及补偿

１ 前言

单片机内部一般有若干个定时器。如８０５１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ＭＯＶ Ａ， Ｒｎ，其最大误差为１个机器周期。而执行指令ＭＯＶ Ｒｎ, 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：
Δｔｍａｘ１＝１２／ｆｏｓｃ×Ｃｉ＝１２／（１２×１０６）×４＝４×１０－６(ｓ)＝４(μｓ)

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Δｔｍａｘ２为：
Δｔｍａｘ２＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）１２／ｆｏｓｃ＝（２＋Ｔ２＋２＋４）１２／ ｆｏｓｃ＝１２（Ｔ２＋８）／ ｆｏｓｃ

若设ｆｏｓｃ＝１２ＭＨＺ，则最大时间误差为：
Δｔｍａｘ２＝１２（Ｔ２＋８）／ ｆｏｓｃ ＝１２（Ｔ２＋８）／１２×１０６＝（Ｔ２＋８）×１０－６（ｓ）＝Ｔ２＋８（μｓ）。

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ＭＵＬ ＡＢ 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