MCS-51单片机中软时钟设计的优化方法

0 引言
    随着微电脑应用的普及，以MCS-51单片机为核心的微机测控系统已随处可见。为满足用户要求，这些系统通常都具有数码显示时钟的功能。由于MCS-51内部包含2个定时计数器，通过采用将其中一个定时计数器用于软时钟设计的方法，可以大大节省硬件开销。本文提出了如何提高软时钟的定时精度，以及在软时钟存在的情况下，如何提高以MCS-51单片机为核心的测控系统的设计质量的方法。

1 MCS-51单片机内部定时计数器概述
    MCS-51单片机内部包含2个定时计数器T0和T1，它们都是16位的加法计数器，既可用于定时，也可用于计数，在用于定时的情况下，计数脉冲由内部提供，因此计数速率固定为CPU振荡频率的1／12；在用于计数的情况下，计数脉冲来自外部，外部计数脉冲通过MCS-51的引脚T0(第14脚)或T1(第15脚)输入，在发生从1到0的跳变时计数加1。每个定时计数器又有4种工作方式可供选择：方式O构成13位定时计数器，高3位未用；方式1构成16位定时计数器；方式2构成8位定时计数器，低位字节用于计数，高位字节存放初值；方式3只适合于T0，构成两个独立的8位定时计数器。在方式O、方式1及方式3时，初值不能自动装入，当定时时间已到或计数次数已满时，若要进行下一次定时计数，必须利用软件装入初值，否则，系统会按上限自动定时或计数，即以O初值进行定时或计数；而在方式2时，初值可自动装入，只需向高位字节写入一次初值，则当低位字节定时时间到(或计数满)时，高位字节的初值会自动装入低位字节，且高位字节的值保持不变。当系统需用MCS-51单片机的串行接口进行串行通信时，定时计数器T1被固定为波特率发生器，因此，在软时钟设计中，总是选择T0作为定时器。

2 软时钟程序设计方法1——0．1 s计数法
    0．1 s计数法的基本原理如下，通过设置定时计数器O每经过0．1 s请求一次中断，中断处理程序会令软时钟的基准0．1 s单元增加1，而该单元每增加10次，再令软时钟的秒单元增加1，以此类推，按照时间进位令分、时、日、月直至年单元增加1。设CPU所接晶体振荡器的振荡频率为6 MHz，则1个机器周期为2μs，当T0作为定时器工作时，定时器溢出，即中断周期：T=2×TC×10-6 s，式中TC为时间常数。令中断周期T=O．1 s，可得：TC=0．1／(2×10-6)=50 000=0C350H，此时间常数决定了T0必须为16位定时器，故设置为工作方式1。由于是加法计数器，初值IC应为时间常数TC的补码，所以IC=216-TC=10000H-0C350H=3CBOH，修正以后，取IC=3CB4H，有关程序段具体设计如下。
    初始化程序：
   
    由上述程序可知，作为16位定时器使用时，T0不能自动装入初值，每次进入中断服务程序后，首先必须用程序装入初值，下一次定时实际上是从装入初值低位字节后开始的，所以在设定T0中断为高优先级以及CPU对T0中断请求的响应无等待延时的理想情况下，1个中断周期所包含的实际时间t=初值到计数满所需时间+入口引导时间+装入初值低位字节时间。
    由于入口引导与装入初值低位字节共占4个机器周期，所以为了使中断周期等于O．1s基准时间，上文对按理论推算出来的初值进行了加4修正。尽管如此，按照方法1设计的时钟程序与测控系统的其他程序有机联接在一起运行时，要实现准确定时也是十分困难的，因为在实用工业测控系统中常常不止1个中断源，而是含有多个中断源，存在着中断优先权的管理问题。要使上述软时钟能够准确定时，T0中断必须设置为高优先级，这样CPU对T0的定时中断才有可能不受影响，确保每隔0．1 s执行一次定时中断服务程序。如果T0定时中断被设置为低优先级，那么CPU对T0定时中断的响应就要受到影响。当CPU正在执行某一高优先级中断源的中断服务程序时，T0计数满会产生中断请求，CPU必须等到当前正在执行的中断服务程序执行完毕之后，才能响应T0中断，这必将延长中断间隔，使初值不能如期装入，破坏定时的准确性。由此可见，采用方法1设计的时钟程序限制了系统设置中断优先级的灵活性，降低了设计效率。例如，某些以数码管作为显示器的测控系统，为了节省硬件开销，通常采用对数码管进行巡回扫描的方法进行显示输出，为使显示稳定，且无抖动现象，必须将数码管显示中断设置为高优先级，以便保证扫描程序的执行周期固定不变，这便与时钟定时中断对优先级的要求发生了矛盾。为克服方法1的缺陷，在实际工程中，通过采用如下所述的方法2来设计时钟程序，可获得较好的效果。

3 软时钟程序设计方法2——中断周期累加法
    方法2和方法1的程序结构是完全相同的，只是在对秒以下时间的处理上有所不同。将方法1的中断服务程序中“O．1 s单元增加1”程序段改为：
   
    通过对照容易看出，虽然两个“O．1 s单元增加1”程序段所用指令不同，但效果是完全一样的，可以互相替代。改动后的程序将对0．1 s中断周期的计数，变成了对O．1 s中断周期的累加，由此引申，对任何小于秒的中断周期都可以进行累加，当最高位有进位时实施秒增1，同样可以达到时钟定时的目的。MCS-51单片机内部定时器选择工作方式1时为16位计数器，在上述假定条件下，当初值为0时，T0的定时中断周期T=0．131 072 s，131072定义为中断周期常数，在中断服务程序中对其进行累加。以下是采用方法2设计的时钟程序。
    定义中断周期常数：
    CONST: DB 00H，13H，10H，72H
    初始化程序：
   
    方法2采用对中断周期进行累加的方法，令定时器满量程计数，初值为O，计数满后，自动重新从0开始计数，不需用程序装入初值，从根本上摆脱了装入初值的困扰，当然也就避免了对初值进行修正的繁琐过程。由于不需要装入初值，CPU可在中断周期的任意时刻，响应定时器的中断请求，只需保证下一次中断请求到来之前将中断服务程序执行完毕即可，从而使定时器大大降低了对中断优先级的要求。因此方法2将定时器中断设置为低优先级，而方法1则将其设置为高优先级。显然，采用方法2不仅便于程序设计，而且提高了程序设计的效率。
    方法2中，当定时器满量程计数时，中断周期不再是标准的0．1 s，因此中断周期在累加过程中向秒单元的进位，大多数发生在非整秒时刻，而且进位间隔也不尽相同，具体来讲，假设秒以下时间单元从0开始累加，那么向秒单元进位第一次是在1．048 576 s时刻，第二次是在2．097 152 s时刻，第三次是在3．014 656 s时刻，…，第一次与第二次间隔为1．048 576 s，第二次与第三次间隔为0．917 504 s，……，进位间隔有时候大于l s，有时候小于1 s，然而，对分、时、日、月这些长期时间过程来说，积累误差可以认为等于O，从这个意义上说，方法2大大提高了定时精度。

4 结语
    提出了采用MCS-5l内部定时计数器作为软时钟设计的方法，不仅节省了硬件开销，而且提高软时钟的定时精度，具有广泛的应用价值。在实际测试中，当晶体振荡器的振荡频率不是标准6 MHz时，通过调整中断周期常数，以及必要时通过增加秒以下时间单元缓冲区的字节数，可使中断周期常数准确到所需精度。