单片机定时器中断时间误差的解决方案

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。