MCS51單片機(jī)邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時(shí)刻的測量
摘要： MCS51單片機(jī)系列屬于8位單片機(jī),，它是Intel公司繼MCS48系列的成功設(shè)計(jì)之后,，于1980年推出的產(chǎn)品。由于MCS51系列具有很強(qiáng)的片內(nèi)功能和指令系統(tǒng),，因而使單片機(jī)的應(yīng)用發(fā)生了一個(gè)飛躍,，這個(gè)系列的產(chǎn)品也很快成為世界上第二代的標(biāo)準(zhǔn)控制器。51系列單片機(jī)有5個(gè)中斷源,，其中有2個(gè)是外部輸入中斷源INT0和INT1,。可由中斷控制寄存器TCON的IT1（TCON.2）和IT0（TCON.1）分別控制外部輸入中斷1和中斷0的中斷觸發(fā)方式,。若為0,，則外部輸入中斷控制為電平觸發(fā)方式；若為1,，則控制為邊沿觸發(fā)方式,。這里是下降沿觸發(fā)中斷。
Abstract：
Key words :
MCS單片機(jī)" title="51單片機(jī)" target="_blank">51單片機(jī)系列屬于8位單片機(jī),，它是Intel公司繼MCS48系列的成功設(shè)計(jì)之后,，于1980年推出的產(chǎn)品。由于MCS51系列具有很強(qiáng)的片內(nèi)功能和指令系統(tǒng),，因而使單片機(jī)的應(yīng)用發(fā)生了一個(gè)飛躍,，這個(gè)系列的產(chǎn)品也很快成為世界上第二代的標(biāo)準(zhǔn)控制器。51系列單片機(jī)有5個(gè)中斷源,，其中有2個(gè)是外部輸入中斷源INT0和INT1,。可由中斷控制寄存器TCON的IT1（TCON.2）和IT0（TCON.1）分別控制外部輸入中斷1和中斷0的中斷觸發(fā)方式,。若為0,，則外部輸入中斷控制為電平觸發(fā)方式；若為1,，則控制為邊沿觸發(fā)方式。這里是下降沿觸發(fā)中斷,。
1 問題的引出
幾乎國內(nèi)所有的單片機(jī)資料對單片機(jī)邊沿觸發(fā)中斷的響應(yīng)時(shí)刻方面的定義都是不明確的或者是錯(cuò)誤的,。例如文獻(xiàn)[1]中關(guān)于邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時(shí)刻的描述為“對于脈沖觸發(fā)方式（即邊沿觸發(fā)方式）要檢測兩次電平，若前一次為高電平,，后一次為低電平,，則表示檢測到了負(fù)跳變的有效中斷請求信號”，但實(shí)際情況卻并非如此,。
我們知道,單片機(jī)外部輸入的中斷觸發(fā)電平是TTL電平,。對于TTL電平,，TTL邏輯門輸出高電平的允許范圍為2.4~5 V，其標(biāo)稱值為3.6 V,；輸出低電平的允許范圍為0~0.7 V,，其標(biāo)稱值為0.3 V[2]，在0.7 V與2.4 V之間的是非高非低的中間電平,。
這樣,，在實(shí)際應(yīng)用中，假設(shè)單片機(jī)外部中斷引腳INT0輸入一路由＋5 V下降到0 V的下降沿信號,，單片機(jī)在某個(gè)時(shí)鐘周期采樣INT0引腳得到2.4 V的高電平,；而在下一個(gè)時(shí)鐘周期到來進(jìn)行采樣時(shí)，由于實(shí)際的外部輸入中斷觸發(fā)信號由高電平變?yōu)榈碗娖酵枰欢ǖ臅r(shí)間,，因此,，檢測到的可能并非真正的低電平（小于0.7 V），而是處于低電平與高電平之間的某一中間電平,，即0.7~2.4 V的某一電平,。對于這種情況，單片機(jī)是否會(huì)依然置位中斷觸發(fā)標(biāo)志從而引發(fā)中斷呢,？關(guān)于這一點(diǎn),，國內(nèi)的絕大部分教材以及單片機(jī)生產(chǎn)商提供的器件資料都沒有給予準(zhǔn)確的定義，但在實(shí)際應(yīng)用中這種情況確實(shí)會(huì)碰到,。
以美國Analog公司生產(chǎn)的運(yùn)算放大器芯片AD708為例,，其轉(zhuǎn)換速率（slew rate）為0.3 V/μs,在由AD708芯片組成的比較器電路中，其輸出方波的下降沿由2.4 V下降到0.7 V,，所需時(shí)間約為： (2.4 V-0.7 V)/0.3V·μs-1=4.67 μs,。即需要約4.67 μs的過渡時(shí)間，下降沿才真正地由高電平下降為低電平,，在實(shí)際應(yīng)用電路中,，這個(gè)下降時(shí)間往往可達(dá)10 μs以上。對于精密的測量系統(tǒng),，這么長的不確定時(shí)間是無法接受的,，因此，有必要對單片機(jī)邊沿中斷觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行精確的測定,。
2 測試波形的設(shè)計(jì)與分析
為了測定MCS51單片機(jī)下降沿觸發(fā)的實(shí)際時(shí)刻,，使用Agilent公司生產(chǎn)的型號為33250A的80 MHz函數(shù)/任意波形發(fā)生器（function/arbitrary waveform generator）,產(chǎn)生出如圖1所示的周期為20 ms的周期波形。
將該波形通過單片機(jī)的外部中斷0輸入,，可以測出下降沿中斷觸發(fā)的實(shí)際時(shí)刻,，下面對該波形進(jìn)行具體分析。建立如圖2所示的直角坐標(biāo),。
圖2所示波形的周期為T,，單片機(jī)在電壓下降到y(tǒng)=y′時(shí)刻觸發(fā)中斷,，t1′、t2′,、t3′分別為前后周期的中斷觸發(fā)時(shí)刻,，則有：
求得L1方程為：
求得L2方程為：
由圖2所示的電路及式(1)、式(2),、式(3),，可求得：
將以上波形由單片機(jī)外部中斷0輸入，選擇邊沿觸發(fā)方式,，通過中斷服務(wù)程序測取T1或者T2的值,，從而可求出中斷發(fā)生時(shí)刻的電平值y′，即邊沿觸發(fā)中斷的實(shí)際時(shí)刻,。
在使用單片機(jī)對中斷時(shí)刻進(jìn)行測量時(shí),，使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器，均設(shè)為方式1(16位計(jì)數(shù)方式),。其中,，第一個(gè)計(jì)數(shù)器用于記錄從程序開始執(zhí)行到第一個(gè)下降沿到來所經(jīng)歷的時(shí)間，第二個(gè)計(jì)數(shù)器用來記錄程序開始執(zhí)行到第二個(gè)下降沿到來所經(jīng)歷的時(shí)間,，將兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相減便可以得到兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔,。由前面的分析可知，該時(shí)間間隔可能有兩種情況： 一種是T1時(shí)間,，即t1′與t2′之間的時(shí)間間隔,；另一種是T2時(shí)間，即t2′與t3′之間的時(shí)間間隔,。其中,，T1＋T2＝T，T1時(shí)間要小于T2時(shí)間,。通過測量得到T1或者T2時(shí)間,利用式(4)便可求得下降沿觸發(fā)中斷時(shí)刻的實(shí)際電平,。
3 測試流程和相應(yīng)的單片機(jī)程序
該單片機(jī)的中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。
幾乎國內(nèi)所有的單片機(jī)資料對單片機(jī)邊沿觸發(fā)中斷的響應(yīng)時(shí)刻方面的定義都是不明確的或者是錯(cuò)誤的,。例如文獻(xiàn)[1]中關(guān)于邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時(shí)刻的描述為“對于脈沖觸發(fā)方式（即邊沿觸發(fā)方式）要檢測兩次電平，若前一次為高電平,，后一次為低電平,，則表示檢測到了負(fù)跳變的有效中斷請求信號”，但實(shí)際情況卻并非如此,。
我們知道,單片機(jī)外部輸入的中斷觸發(fā)電平是TTL電平,。對于TTL電平,，TTL邏輯門輸出高電平的允許范圍為2.4~5 V，其標(biāo)稱值為3.6 V,；輸出低電平的允許范圍為0~0.7 V,，其標(biāo)稱值為0.3 V[2]，在0.7 V與2.4 V之間的是非高非低的中間電平,。
這樣,，在實(shí)際應(yīng)用中，假設(shè)單片機(jī)外部中斷引腳INT0輸入一路由＋5 V下降到0 V的下降沿信號,，單片機(jī)在某個(gè)時(shí)鐘周期采樣INT0引腳得到2.4 V的高電平,；而在下一個(gè)時(shí)鐘周期到來進(jìn)行采樣時(shí)，由于實(shí)際的外部輸入中斷觸發(fā)信號由高電平變?yōu)榈碗娖酵枰欢ǖ臅r(shí)間,，因此,，檢測到的可能并非真正的低電平（小于0.7 V），而是處于低電平與高電平之間的某一中間電平,，即0.7~2.4 V的某一電平,。對于這種情況，單片機(jī)是否會(huì)依然置位中斷觸發(fā)標(biāo)志從而引發(fā)中斷呢,？關(guān)于這一點(diǎn),，國內(nèi)的絕大部分教材以及單片機(jī)生產(chǎn)商提供的器件資料都沒有給予準(zhǔn)確的定義，但在實(shí)際應(yīng)用中這種情況確實(shí)會(huì)碰到,。
以美國Analog公司生產(chǎn)的運(yùn)算放大器芯片AD708為例,，其轉(zhuǎn)換速率（slew rate）為0.3 V/μs,在由AD708芯片組成的比較器電路中，其輸出方波的下降沿由2.4 V下降到0.7 V,，所需時(shí)間約為： (2.4 V-0.7 V)/0.3V·μs-1=4.67 μs,。即需要約4.67 μs的過渡時(shí)間，下降沿才真正地由高電平下降為低電平,，在實(shí)際應(yīng)用電路中,，這個(gè)下降時(shí)間往往可達(dá)10 μs以上。對于精密的測量系統(tǒng),，這么長的不確定時(shí)間是無法接受的,，因此，有必要對單片機(jī)邊沿中斷觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行精確的測定,。
2 測試波形的設(shè)計(jì)與分析
為了測定MCS51單片機(jī)下降沿觸發(fā)的實(shí)際時(shí)刻,，使用Agilent公司生產(chǎn)的型號為33250A的80 MHz函數(shù)/任意波形發(fā)生器（function/arbitrary waveform generator）,產(chǎn)生出如圖1所示的周期為20 ms的周期波形。
圖1 周期為20 ms的周期波形
將該波形通過單片機(jī)的外部中斷0輸入,，可以測出下降沿中斷觸發(fā)的實(shí)際時(shí)刻,，下面對該波形進(jìn)行具體分析。建立如圖2所示的直角坐標(biāo),。
圖2 建立的直角坐標(biāo)設(shè)
圖2所示波形的周期為T,，單片機(jī)在電壓下降到y(tǒng)=y′時(shí)刻觸發(fā)中斷,，t1′、t2′,、t3′分別為前后周期的中斷觸發(fā)時(shí)刻,，則有：
求得L1方程為：
求得L2方程為：
由圖2所示的電路及式(1)、式(2),、式(3),，可求得：
將以上波形由單片機(jī)外部中斷0輸入，選擇邊沿觸發(fā)方式,，通過中斷服務(wù)程序測取T1或者T2的值,，從而可求出中斷發(fā)生時(shí)刻的電平值y′，即邊沿觸發(fā)中斷的實(shí)際時(shí)刻,。
在使用單片機(jī)對中斷時(shí)刻進(jìn)行測量時(shí),，使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器，均設(shè)為方式1(16位計(jì)數(shù)方式),。其中,，第一個(gè)計(jì)數(shù)器用于記錄從程序開始執(zhí)行到第一個(gè)下降沿到來所經(jīng)歷的時(shí)間，第二個(gè)計(jì)數(shù)器用來記錄程序開始執(zhí)行到第二個(gè)下降沿到來所經(jīng)歷的時(shí)間,，將兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相減便可以得到兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔,。由前面的分析可知，該時(shí)間間隔可能有兩種情況： 一種是T1時(shí)間,，即t1′與t2′之間的時(shí)間間隔,；另一種是T2時(shí)間，即t2′與t3′之間的時(shí)間間隔,。其中,，T1＋T2＝T，T1時(shí)間要小于T2時(shí)間,。通過測量得到T1或者T2時(shí)間,利用式(4)便可求得下降沿觸發(fā)中斷時(shí)刻的實(shí)際電平,。
3 測試流程和相應(yīng)的單片機(jī)程序
該單片機(jī)的中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。
圖3 中斷服務(wù)程序流程
相應(yīng)的中斷服務(wù)程序?yàn)椋?/p>
INCR1
MOVA,R1
CJNEA,#01H,SEC
CLRTR0
MOV20H,TL0
MOV21H,TH0
CLRIE0
RETI
SEC:CLRTR1
MOV22H,TL1
MOV23H,TH1
CLREX1
CLREX0
RETI
由于程序執(zhí)行有一定的延時(shí),，在中斷返回后,，還需對兩個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出值進(jìn)行校正。本實(shí)驗(yàn)采用偉福公司生產(chǎn)的H51/L仿真器為單片機(jī)測量系統(tǒng),，測得T1值為6.514 ms,，由式(4)可得：y′=0.729 V，即當(dāng)y′約為0.73 V時(shí),，單片機(jī)下降沿觸發(fā)中斷。
4 結(jié)論
本文通過設(shè)計(jì)一簡單的波形,，對單片機(jī)的邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時(shí)刻進(jìn)行了準(zhǔn)確的測量,，從而糾正了國內(nèi)單片機(jī)學(xué)習(xí)資料在邊沿觸發(fā)中斷時(shí)刻方面的不明確定義,，且最終結(jié)果經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。