單片機(jī)精確軟件延時(shí)設(shè)計(jì)方法研究

1、單片機(jī)精確軟件延時(shí)設(shè)計(jì)方法研究         摘要： 在單片機(jī)控制應(yīng)用中，經(jīng)常會遇到需要短時(shí)間延時(shí)的情況，有時(shí)還需要很高的精度。然而每次延時(shí)都使用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是沒有必要的也是不現(xiàn)實(shí)的，利用軟件延時(shí)程序來完成一些需要延時(shí)的部分勢在必行。從研究軟件延時(shí)程序模式出發(fā)，指出計(jì)算整個(gè)延時(shí)時(shí)間的具體方法，并在此基礎(chǔ)上歸納一種設(shè)計(jì)精確軟件延時(shí)的數(shù)學(xué)算法。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；軟件延時(shí)；數(shù)學(xué)算法 中圖分類號：NT 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16717597（2011）031008102 1 軟件延時(shí)的基本原理 單片機(jī)在進(jìn)行控制時(shí)

2、，CPU過一段時(shí)間再去作某件事情，稱之為延時(shí)。延時(shí)分為硬件延時(shí)和軟件延時(shí)。硬件延時(shí)是指使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)延時(shí)，這種方法不占用CPU的工作時(shí)間。軟件延時(shí)是利用程序中的指令在被執(zhí)行時(shí)要花費(fèi)一定的機(jī)器周期來實(shí)現(xiàn)的，占用CPU的工作時(shí)間。軟件延時(shí)主要與兩個(gè)因素有關(guān)，一是所用的晶振，二是延時(shí)程序的循環(huán)次數(shù)。單片機(jī)所用的晶振一經(jīng)確定之后，延時(shí)時(shí)間就被指令的循環(huán)次數(shù)所唯一確定了，如單片機(jī)的晶振頻率為6MHz，則一個(gè)機(jī)器周期為2s。下面根據(jù)指令循環(huán)的次數(shù)的不同，先來介紹軟件延時(shí)時(shí)長的計(jì)算方法（設(shè)晶振頻率為12MHz）。 2 軟件延時(shí)時(shí)長的計(jì)算方法 軟件延時(shí)常用如表1的匯編指令。 1）單循環(huán)延時(shí)程序 DEL

3、：MOV R0，#X；1T DEL1：DJNZ R0，DEL1；2XT RET；2T 延時(shí)時(shí)間：t=1+2X+2=2X+3=2R0+3 因?yàn)閄的取值范圍是0，255，X=0時(shí)延時(shí)時(shí)間最長。所以延時(shí)時(shí)間t的取值范圍是5，515s。 2）二重循環(huán)程序 DEL：MOV R1，#Y ；1T DEL1：MOV R0，#X ；1YT DEL2：DJNZ R0，DEL2；2XYT DJNZ R1，DEL1；2YT RET；2T 延時(shí)時(shí)間：t=1+1Y+2XY+2Y+2 =2XY+3Y+3=2R0R1+3R1+3 因?yàn)閄、Y的取值范圍均為0，255，X=Y=0時(shí)延時(shí)時(shí)間最長。所以延時(shí)時(shí)間t的取值范圍是8，13

4、1843s。 3）三重循環(huán)程序 DEL：MOV R2，#Z ；1T DEL1：MOV R1，#Y ；1ZT DEL2：MOV R0，#X ；1YZT DEL3：DJNZ R0，DEL3；2XYZT DJNZ R1，DEL2；2YZT DJNZ R2，DEL1；2ZT RET；2T 延時(shí)時(shí)間： t=1+1Z+1YZ+2XYZ+2YZ+2Z+2 =2XYZ+3YZ+3Z+3 =2R0R1R2+3R1R2+3R2+3 同理，延時(shí)時(shí)間t的取值范圍是11，33751811s。 綜上分析，由數(shù)學(xué)歸納法可得出N（N一般不大于8）重循環(huán)的延時(shí)時(shí)間計(jì)算公式： 3 C語言中延時(shí)程序的設(shè)計(jì)方法 在用C語言進(jìn)行編程時(shí)

5、涉及到的軟件延時(shí)程序，其設(shè)計(jì)方法與匯編語言的設(shè)計(jì)方法本質(zhì)相同。例如，在C語言的一個(gè)實(shí)例程序中用for語句編寫了一個(gè)延時(shí)子程序（該程序要求延時(shí)100ms）。 delay(void) unsigned char i，j； for(i=250；i>=1；i-) for(j=200；j>=1；j-) 利用keil c的反匯編功能，通過調(diào)用disassembly window命令查看到的匯編程序如下。 C:0X0060 7F7D MOV R7，#0XFA C:0X0062 7F32 MOV R6，#0XC8 C:0X0064 DEFE DJNZ R6，C:0064 C:0X0066 DFFA

6、 DJNZ R7，C:0062 C:0X0068 RET 帶入所得公式計(jì)算結(jié)果是100753s，利用keil c的測試工具得出的延時(shí)時(shí)間為100755s，誤差是由調(diào)用指令引起，后有詳細(xì)分析?？梢缘贸鼋Y(jié)論，此處C語言中的for語句不僅與匯編語言中的DJNZ命令起到的作用類似且計(jì)算延時(shí)的方法也完全相同。即上面得出的公式同樣適用于計(jì)算用C語言編寫的延時(shí)程序。下面考慮一個(gè)相反的問題，也是本文著重要討論的。 4 軟件延時(shí)程序的設(shè)計(jì)算法 在實(shí)際的編程過程中，人們往往想得到一個(gè)規(guī)定了延時(shí)長度的延時(shí)子程序，即在已知延時(shí)時(shí)間的前提下設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)。設(shè)計(jì)延時(shí)程序時(shí)應(yīng)注意使循環(huán)的重?cái)?shù)盡量少，以減少寄存器的使用量，同時(shí)

7、也使程序更加簡單，出錯(cuò)的可能性隨之降低。其次盡量不使用寄存器R0、R1，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常用在間接尋址及需要傳送外部數(shù)據(jù)的地方。延時(shí)程序具體的編寫步驟如下： 1）明確晶振頻率，定出延時(shí)時(shí)間所需的最小循環(huán)數(shù)； 2）將內(nèi)層循環(huán)設(shè)為最大值，即內(nèi)層循環(huán)的寄存器值取0； 3）根據(jù)公式確定出不大于所要的延時(shí)時(shí)間的最外層循環(huán)的寄存器的取值； 4）用所要得的延時(shí)時(shí)間減去上述步驟得出的延時(shí)時(shí)間，差值作為第二個(gè)所要的延時(shí)時(shí)間，重復(fù)步驟1）的做法，直至差值縮小至10s以內(nèi)； 5）最后用添加NOP指令的方式來得到精確的延時(shí)時(shí)間。 例如設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)時(shí)間為1s的延時(shí)程序。首先1s所屬的最小循環(huán)為三重循環(huán)，將內(nèi)部寄存器的值設(shè)置為

8、0，其次根據(jù)公式算出不大于1s的外層循環(huán)的最大取值為7，此時(shí)得到的延時(shí)時(shí)間為922904s，與1s相減余數(shù)為77096s。而77096s屬于的最小循環(huán)為二重，當(dāng)外重循環(huán)取149時(shí)，得到的延時(shí)時(shí)間為76738s，與77096相減余數(shù)為358s。358s通過一次循環(huán)程序配合NOP指令就可以得到。注意到三重循環(huán)與二重循環(huán)計(jì)算公式中占兩個(gè)機(jī)器周期的RET指令已不存在，要用NOP指令補(bǔ)充。因此可得到延時(shí)時(shí)間為1s的精確程序。 DEL： MOV R5，#7 DEL1：MOV R6，#0 DEL2：MOV R7，#0 DEL3：DJNZ R7，DEL3 DJNZ R6，DEL2 DJNZ R5，DEL1 M

9、OV R6，#149 DEL4：MOV R7，#0 DEL5：DJNZ R7，DEL5 DJNZ R6，DEL4 MOV R7，#177 DEL6：DJNZ R7,DEL6 NOP NOP NOP NOP NOP RET 利用keil c的測試工具，在延時(shí)程序的開始與結(jié)尾設(shè)置兩個(gè)斷點(diǎn)，兩個(gè)斷點(diǎn)處的時(shí)間差值為1.00000200s。以上程序中2s的誤差是由于沒有考慮調(diào)用延時(shí)程序的指令所占用的機(jī)器周期，如ACALL、LCALL指令，將這些指令考慮進(jìn)去后減去兩個(gè)NOP指令，這樣就得到了精確的1s延時(shí)程序。這種方法對于用C語言來設(shè)計(jì)的延時(shí)程序同樣適用，下面是利用此法并考慮了調(diào)用指令的C語言延時(shí)程序。

10、delay(void) unsigned char i，j，k； for(k=7；k>=1；k-) for(j=255；j>=1；j-) for(i=255；i>=1；i-) for(j=164；j>=1；j-) for(i=255；i>=1；i-) for(i=66；i>=1；i-) _NOP_(); _NOP_(); _NOP_(); 5 總結(jié) 本文通過對軟件延時(shí)程序計(jì)算方法的公式化推導(dǎo)，總結(jié)了一種精確設(shè)計(jì)軟件延時(shí)的數(shù)學(xué)算法，為分析和設(shè)計(jì)程序提供了一種新的方法和技巧。無論是對設(shè)計(jì)精度要求較高的程序還是對設(shè)計(jì)精度要求一般的程序都應(yīng)當(dāng)有使程序更加精確的好習(xí)慣，這樣不僅可以提高程序的精確度，還可減少程序出錯(cuò)的幾率。希望本文在實(shí)際問題解決的過程中對大家有所幫助。 參考文獻(xiàn)： 1余錫存、曹國華，單片機(jī)原理及接口技術(shù)（第二版）M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007. 2沈舷，延時(shí)程序延時(shí)時(shí)間的計(jì)算J.電工技術(shù)與自動化，2005，（5）：154-157. 3王超峰，單片機(jī)延時(shí)程序時(shí)間長度的記憶方法J.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002，（7）：77-78. 4彭志剛，51系列單片機(jī)延時(shí)程序運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算J.儀器儀表用戶，2008，（5）：102-103. 5文樺，彭彥華.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)定時(shí)時(shí)間的誤差分析J.