用英特爾MCS-51 單片機測量占空因數(shù)

Paul C. de Jong and Ferry N. Toth

測量占空因數(shù)*快的方法是借助硬件的幫助。MCS-51單片機因為裝備了兩個內(nèi)部計時器/計數(shù)器，因此為這樣使用提供了可能性。

端口INT0 (P3.2)和INT1 (P3.3)能通過硬件直接控制計時器/計數(shù)器。因此我們把它們看作“快速輸入”其他所有引腳只能通過軟件來控制計時器/計數(shù)器。包括傳感器SMT 160在內(nèi)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                 圖1  8051內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)

此應用指南描述了：A）四個通過硬件測量占空因數(shù)的匯編程序。B）一個通過軟件測量的程序。*后我們將討論哪種情況可以改善分辨率。

A1. 通過INT0 引腳實現(xiàn)硬件控制的測量

當使用硬件測量占空因數(shù)時，關于CPU的任務執(zhí)行方面會有一些限制：計時器TIMER0和 TIMER1都被占用，通常TIMER1為通訊產(chǎn)生波特率。測量時，CPU不允許發(fā)送或接收任何數(shù)據(jù)。

使用這種快速**的測量方法還有另一個限制，通過CPU空閑前的中斷信號來實現(xiàn)。這很重要，因為在指令處理時會觸發(fā)中斷，而觸發(fā)中斷的指令首先被完成而且不同指令執(zhí)行時間不一樣。在空閑期間CPU不動作。兩個計時器對空閑指令不動作，這是MCS-51的一個重要特性。CPU 將通過中斷信號再次啟動。這樣，CPU在中斷信號下會作出迅速反映。這種特殊的測量方法要求CPU不能運行其他任何后臺程序，那樣會使測量和后臺程序均出錯。

計時器/計數(shù)器選擇工作在16-bits計時模式下。因此，計時器/計數(shù)器模式控制寄存器當值是19H時啟動。這種模式下TIMER0只有當P3.2是邏輯1時才工作，而TIMER1只能由軟件來控制。TIMER1用來測量總的測量時間。一次測量完成后占空因數(shù) P由下面公式來決定。

contents of TIMER0

p=  ---------------------------

contents of TIMER1

當使用中斷信號使測量開始和停止時，在信號跳變處可探測到的分辨率在1μs以內(nèi)。在輸入信號下降沿產(chǎn)生一個中斷信號（當中斷標志是激活的）。

用流程圖(fig. 2)說明測量。首先，設定兩個計時器的內(nèi)容。當檢測到0-1跳變時，初始部分開始傳輸。然后，中斷信號使能標記被賦值并且調(diào)用空閑模式。此刻處理器等待中斷。當輸入信號產(chǎn)生下一個1-0跳變時，產(chǎn)生中斷，設定計數(shù)器控制寄存器內(nèi)的TR0和 TR1（TCON）?，F(xiàn)在只有當P3.2變?yōu)楦唠娖綍rTIMER0才運行。因此它測量輸入信號是1的時間。TIMER1在整個測量過程中都處于工作狀態(tài)。注意TIMER1啟動3μs太遲了，因為一個中斷處理要花費3μs。但在停止時同樣也采用這種方式，所以在*后結(jié)果中消除了延遲。

關于測量時間，需要選擇固定周期數(shù)或固定測量時間。因為周期可以在300μs到800μs之間變化，所以固定周期數(shù)是一個低效率的選擇。對周期短的信號的測量時間也會很短所以結(jié)果會受到取樣噪聲的干擾。因此對應于16bits的機器周期選擇一個固定的測量時間。測量將在TIMER1產(chǎn)生溢出之后完成。這樣獲得17bits的結(jié)果，這些結(jié)果還需要復雜的軟件處理。使用帶有一個偏移的TIMER1初始化（測量前）解決了這個問題。這個偏移與兩個周期傳感器信號的*大長度相符合（時間上大概是1.6ms）。從17bits的結(jié)果中減去偏移量，就得到16bits的數(shù)據(jù)。

當TIMER1產(chǎn)生一個溢出時，測量必須停止（見圖2中右邊的分支）。傳感器信號的下一個1-0跳變發(fā)生時，中斷使能標志位被重置并且空閑模式再次被調(diào)用。中斷發(fā)生之后，TCON寄存器中的 TR0 和 TR1被清零。

對TIMER1中的偏移修正之后，利用兩個計時器中的內(nèi)容來計算占空比。

圖2  分辨率為一個機器周期的占空因數(shù)測量的流程圖

A2. 通過INT0 引腳串行通信測量 

上一節(jié)所介紹的方法是使用8051空閑模式在中斷的瞬間(輸入信號的下降沿)和對TIMER0開始取樣的瞬間之間來產(chǎn)生一個恒定延遲（中斷反映時間）。這是必須的，因為指令處理觸發(fā)中斷時，這個指令首先被完成，并且不是所有指令的執(zhí)行時間都是相同的。

在空閑模式期間，任何指令都不被執(zhí)行，因為此時8051的執(zhí)行模塊不可用。但中斷計時器和串行模塊在運行。這種模式下功耗顯著減少。

為了實現(xiàn)恒定的反映時間。只能有一個中斷源是可用的（像圖一中所示的）。但有時我們需要同時測量溫度和實現(xiàn)串行通信。可能需要串行通信像計時器一樣中斷它自己來產(chǎn)生波特率。使用33MHz 的8051能同時實現(xiàn)1200波特通信和占空因數(shù)測量，而不需要增加加硬件，如圖3所示。

這樣，Timer 1的溢出率需要用來產(chǎn)生波特率。使用32.9856 MHz的晶體計時器TIMER1需要計數(shù)859個時鐘才能溢出。假定使用16位模式，Timer 1溢出位產(chǎn)生一個中斷(TF1)重載分配器的值。因為我們使用的是一個快速的處理器，所以同樣的中斷處理器能夠在短時間內(nèi)為軟件計數(shù)器增量。軟件計數(shù)器與Timer 1的實際值相結(jié)合作為一個時間基準來決定SMT160輸出信號的周期。

Timer 0保留其功能來累計周期信號的高電平。

當然，由于我們使用了三個中斷處理器(INT0, TF1, Serial)中斷反應時間不再是連續(xù)的。因此測量結(jié)果的分辨率將會衰減三倍。然而，這可以通過采用較高時鐘速度的處理器來進行補償。

圖3同步測量和串行通信

A3.利用Timer 2測量占空因數(shù); 捕獲寄存器

許多8051派生處理器，包括8052和16 bit的 8051XA，都有一個附加的計時器，Timer 2 (圖. 4)，Timer 2是一個**的16位的計時器/計數(shù)器，帶有一個捕獲/重載寄存器。在我們的應用中，捕獲寄存器的功能是瞬時載入Timer 2（捕獲）的值，并將值保存起來，直到中斷處理器讀取它。消除了中斷反應時間的影響，規(guī)定中斷反應時間要小于中斷比率。

圖4 利用計時器2和計時器0測量占空因數(shù)

使用計時器2測量SMT160信號周期，Timer 0則用來測量高電平的時間。Timer 1用做串行接口波特率發(fā)生器。有時，TIMER0不能為測量SMT16030的高電平時間留做備用，例如當采用實時操作系統(tǒng)（RTOS）。實時操作系統(tǒng)的調(diào)度程序常需要一個時鐘信號來產(chǎn)生每個處理過程的時間片。在這種情況下Timer 0被實時操作系統(tǒng)使用，通過外加一個異或門(圖. 5)，Timer2就足以測量SMT160的占空因數(shù)，通過將觸發(fā)器的OUT端接到Timer 2的中斷處理器，上升沿和下降沿都可以獲取。

圖5  只用計時器2測量占空因數(shù)

A4.使用可編程記數(shù)器陣列（PCA）測量占空因數(shù) 

8051FX派生系列有一個附加硬件：可編程記數(shù)器陣列。包括一個計時器和5個捕獲寄存器。計時器可以通過編程運行在頻率Osc/12 或 Osc/4下。與普通8051相比，使用FX類型能夠在同樣測量時間里達到三倍的測量分辨率。

圖6 使用PCA測量占空因數(shù)

此外，捕獲寄存器可以通過編程來捕獲信號的上升沿或下降沿轉(zhuǎn)換，或兩者同時捕獲。所以不需要一個附加的異或門。因為此捕獲寄存器同時可用于上升沿和下降沿，所以使用這個系列的處理器中斷反應時間不是必需的(圖. 6)。這意味著中斷處理器能夠可以通過**程序語言，如C語言，來控制寫入。下面給出了通過中斷處理器測量SMT160信號n個周期的例子。

void PCAHandler(void) interrupt 6 using 1 {

   static union Word2Byte CaptureUp, CaptureDo;

   if (PCAOverFlow) { /* PCA Overflow? */

      PCAOverFlow = FALSE;

      if (!Ready) {

         if (OverFlow > 3) { /* 3 overflows => error */

            SetCaptureOff(); /* Capture off */

            PCACapture0 = FALSE; /* Clear flags */

            PCACapture1 = FALSE;

            Ready = TRUE; /* measurement done */

    Error = TRUE;

         } else {

            OverFlow++;

              };

         };

    } else {

      if (PCACapture1) { /* rising edge? */

         PCACapture1 = FALSE; /* Clear flag */

         if (!Ready) {

            CaptureDo.Byte.Hi = CCAP1H; /* save PCA value */

            CaptureDo.Byte.Lo = CCAP1L;

            HiTime += (CaptureDo.Word - CaptureUp.Word);

         }; /* determine low period */

      } else {

         PCACapture0 = FALSE;

         if (!Ready) {

            CaptureUp.Byte.Hi = CCAP0H;   /* save PCA counter */

            CaptureUp.Byte.Lo = CCAP0L;

            if (First) {

st

               First = FALSE; /* 1  time just caputure value */

       HiTime = LoTime = 0;

               SetPCA1NegEdge(); /* enable falling edges */

            } else {

               LoTime += (CaptureUp.Word - CaptureDo.Word);

               if (--Count == 0) { /* when Count = 0 ready */

                  SetCaptureOff(); /* capture off */

                  PCACapture0 = FALSE; /* clear flags */

                  PCACapture1 = FALSE;

                  PCAOverFlow = FALSE;

                  Ready = TRUE; /* measurement ready */

               };

            }; /* determine high period */

         };

      };

      if (!Ready) {

      };

      OverFlow = 0; /* we have a signal */

   };

   return;

}

我們通過主程序與中斷處理器連接。使用下列程序。

#include <pca.h>

#include <stdio.h>

#define PERIODS 25

struct DoubleByte {

  unsigned char Hi, Lo;

};

union Word2Byte {

  unsigned short Word;

  struct DoubleByte Byte;

};

static volatile bit First, Ready, Error;

static volatile unsigned int Count = 0, Periods = 51;

static volatile unsigned char OverFlow;

static volatile unsigned long HiTime, LoTime;

void StartCount(void) {

   First = TRUE; /* Initializes all varialbes */

   OverFlow = 0;

   Count = Periods;

   Ready = FALSE;

   Error = FALSE;

   SetPCA0PosEdge(); /* Enable capture */

}

void SetPeriods(unsigned APeriods) {

   Periods = APeriods;

}

bit IsReady(void) {

   return(Ready);

}

bit IsError(void) {

   return(Error);

}

float GetDutyCycle(void) {

   return (float)HiTime / (HiTime + LoTime);

}

主程序需要初始化中斷處理器一次，然后重復測量，直到測量完成。檢測誤差并顯示結(jié)果。

main() {

   SetPeriods(51);

   while(TRUE) {

      StartCount();

      while(!IsReady()); continue;

      if(IsError()) printf("An error has occured\n");

      else printf(!°The termperature is %f\n!

         (GetDutycycle() - 0.32) / 0.0047));

   }

}

B. 軟件測量

只有I/ O端口P3.2和 P3.3可以用來檢測中斷。因此，當傳感器與其他I/ O端口相連，只有使用軟件才能測量占空因數(shù)。此外還需要兩個計數(shù)器。雖然是軟件控制，但也可能用到一個硬件計時器。TIMER0能夠計算測量時間?？焖俚能浖绦蛴脕頊y量傳感器信號為“1”的狀態(tài)。結(jié)果儲存在名字為HIGH_COUNTER的計數(shù)器中。計時器TIMER0每個機器周期都增加，機器周期需要花費1μs,軟件取樣率花費3μs。要獲得占空因數(shù)p,依據(jù)等式HIGH_COUNTER需要乘3。

HIGH COUNTER X 3

p=---------------------------

TIMER0

通常HIGH_COUNTER 應該存儲的數(shù)據(jù)多于8位，因此需要兩個8位寄存器。這就減小了取樣速度，因為，需要兩個命令把這兩個寄存器連接起來（低字節(jié)溢出檢測，根據(jù)測試結(jié)果對高字節(jié)增量）。提供了可供選擇的方案：當輸入信號是低電平時，HIGH_COUNTER等待直到信號變?yōu)楦唠娖健＿@個時間可以用來計算HIGH_COUNTER(圖 7)。圖中展示了一個被稱作TEMPORARY_HIGH_COUNTER的暫存器的使用。此暫存器包含了一個周期內(nèi)輸入信號為高電平時的取樣數(shù)目。當輸入信號變?yōu)榈碗娖剑瑫捍嫫鱐EMPORARY_HIGH_COUNTER中的值被累加到HIGH_COUNTER中，在這個計算時段，傳感器信號不再被取樣。

這對占空因數(shù)有一個限制。但計算只花費15μs，對一個周期在600μs左右的信號來說，即使占空因數(shù)等于0.95，也不會出現(xiàn)問題。測量時間的計算存儲在硬件計時器/計數(shù)器TIMER0中，TIMER0使用軟件在輸入信號1-0跳變時來啟動和停止。

圖7 a）占空因數(shù)軟件測量流程圖(測量高電平的部分)

b) 7a中的時間圖.。時間間隔時通過**高速存儲器計算HIGH_COUNTER。

暫存器不需要計算，所以這個動作對采樣率沒有影響。暫存器增量的速度是3μs。  

例：占空因數(shù)調(diào)制信號的采樣噪聲的標準偏差可以用下面的等式計算。

where: t= 連續(xù)采樣間隔時間

      T= 輸入信號周期

      T= 測量時間 (=N *T p)

      N = 一次測量內(nèi)的周期數(shù)

輸入信號的周期在300μs (40℃)和800μs (-40 ℃ 或 120 ℃)之間。測量時間大約64 ms

 (因為存在偏移所以小于2×1μs)。當取樣率是1μs時，取樣噪聲在5 ×10和10（5.7*10-5和9.33*10-5）。根據(jù)經(jīng)驗，數(shù)值的95%都分布在主值的±2σ范圍之內(nèi) (正態(tài)分布).。

取樣率是3μs時，取樣噪聲是它的三倍。

C.平均測量結(jié)果的理解

使用通用的A/D轉(zhuǎn)換器來平均測量結(jié)果不會提高分辨率。在特定條件下，平均測量結(jié)果可以提高占空因數(shù)測量的平均值。測量結(jié)果之間必須沒有相關性。當SMT160信號周期不是處理器計時器周期的整數(shù)倍時,這一點更為重要。我們可以通過使用頻率計數(shù)器測量下降沿的抖動來確定這一點，將閾值時間設為τms.。這種抖動體現(xiàn)了τ的一個功能。這種效果可以在帶有數(shù)據(jù)終端緩沖器功能的示波器上顯示出來。這種功能允許在觸發(fā)后的第n個下降沿處放大。正如你所看到的一樣，抖動隨著n的增大而增大。當這個抖動時間大于單片機計時器的周期時，連續(xù)占空因數(shù)測量就不再具有相關性。這意味著當檢測到連續(xù)測量之間的某一*小延遲后，分辨率將會與取樣數(shù)目的平方根成正比。

圖8 抖動作為一個門時間功能

上圖是使用時鐘為1.25 MHz的微處理器實際測量的。用這種設備，量化噪聲大致等于兩次測量間隔1 ms的熱噪聲。這說明，對于不相關的占空因數(shù)測量，必須要有1 ms的時間間隔。由于具有電磁干擾等原因不同的設備噪音可能會有不同的特點。用圖中可以估計出使用4 MHz的微處理器(例如使用PCA的可以以16 MHz運行的 8051FA)，測量之間的零延遲也可以應用。這樣可以獲得*大測量速度。