MCS51單片機邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時刻的測量
摘要： MCS51單片機系列屬于8位單片機，它是Intel公司繼MCS48系列的成功設(shè)計之后，于1980年推出的產(chǎn)品。由于MCS51系列具有很強的片內(nèi)功能和指令系統(tǒng)，因而使單片機的應(yīng)用發(fā)生了一個飛躍，這個系列的產(chǎn)品也很快成為世界上第二代的標準控制器。51系列單片機有5個中斷源，其中有2個是外部輸入中斷源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" title="51單片機" target="_blank">51單片機系列屬于8位單片機，它是Intel公司繼MCS48系列的成功設(shè)計之后，于1980年推出的產(chǎn)品。由于MCS51系列具有很強的片內(nèi)功能和指令系統(tǒng)，因而使單片機的應(yīng)用發(fā)生了一個飛躍，這個系列的產(chǎn)品也很快成為世界上第二代的標準控制器。51系列單片機有5個中斷源，其中有2個是外部輸入中斷源INT0和INT1?？捎芍袛嗫刂萍拇嫫鱐CON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)所有的單片機資料對單片機邊沿觸發(fā)中斷的響應(yīng)時刻方面的定義都是不明確的或者是錯誤的。例如文獻[1]中關(guān)于邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時刻的描述為“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，則表示檢測到了負跳變的有效中斷請求信號”，但實際情況卻并非如此。
我們知道,單片機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，其標稱值為3.6 V；輸出低電平的允許范圍為0~0.7 V，其標稱值為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，在實際應(yīng)用中，假設(shè)單片機外部中斷引腳INT0輸入一路由＋5 V下降到0 V的下降沿信號，單片機在某個時鐘周期采樣INT0引腳得到2.4 V的高電平；而在下一個時鐘周期到來進行采樣時，由于實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，單片機是否會依然置位中斷觸發(fā)標志從而引發(fā)中斷呢？關(guān)于這一點，國內(nèi)的絕大部分教材以及單片機生產(chǎn)商提供的器件資料都沒有給予準確的定義，但在實際應(yīng)用中這種情況確實會碰到。
以美國Analog公司生產(chǎn)的運算放大器芯片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的過渡時間，下降沿才真正地由高電平下降為低電平，在實際應(yīng)用電路中，這個下降時間往往可達10 μs以上。對于精密的測量系統(tǒng)，這么長的不確定時間是無法接受的，因此，有必要對單片機邊沿中斷觸發(fā)時刻進行精確的測定。
2 測試波形的設(shè)計與分析
為了測定MCS51單片機下降沿觸發(fā)的實際時刻，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的外部中斷0輸入，可以測出下降沿中斷觸發(fā)的實際時刻，下面對該波形進行具體分析。建立如圖2所示的直角坐標。
圖2所示波形的周期為T，單片機在電壓下降到y(tǒng)=y′時刻觸發(fā)中斷，t1′、t2′、t3′分別為前后周期的中斷觸發(fā)時刻，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)生時刻的電平值y′，即邊沿觸發(fā)中斷的實際時刻。
在使用單片機對中斷時刻進行測量時，使用兩個計數(shù)器，均設(shè)為方式1(16位計數(shù)方式)。其中，第一個計數(shù)器用于記錄從程序開始執(zhí)行到第一個下降沿到來所經(jīng)歷的時間，第二個計數(shù)器用來記錄程序開始執(zhí)行到第二個下降沿到來所經(jīng)歷的時間，將兩個計數(shù)器的計數(shù)值相減便可以得到兩個下降沿之間的時間間隔。由前面的分析可知，該時間間隔可能有兩種情況： 一種是T1時間，即t1′與t2′之間的時間間隔；另一種是T2時間，即t2′與t3′之間的時間間隔。其中，T1＋T2＝T，T1時間要小于T2時間。通過測量得到T1或者T2時間,利用式(4)便可求得下降沿觸發(fā)中斷時刻的實際電平。
3 測試流程和相應(yīng)的單片機程序
該單片機的中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。
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，在中斷返回后，還需對兩個計數(shù)器的輸出值進行校正。本實驗采用偉福公司生產(chǎn)的H51/L仿真器為單片機測量系統(tǒng)，測得T1值為6.514 ms，由式(4)可得：y′=0.729 V，即當y′約為0.73 V時，單片機下降沿觸發(fā)中斷。
4 結(jié)論
本文通過設(shè)計一簡單的波形，對單片機的邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時刻進行了準確的測量，從而糾正了國內(nèi)單片機學(xué)習(xí)資料在邊沿觸發(fā)中斷時刻方面的不明確定義，且最終結(jié)果經(jīng)過了實驗驗證。
幾乎國內(nèi)所有的單片機資料對單片機邊沿觸發(fā)中斷的響應(yīng)時刻方面的定義都是不明確的或者是錯誤的。例如文獻[1]中關(guān)于邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時刻的描述為“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，則表示檢測到了負跳變的有效中斷請求信號”，但實際情況卻并非如此。
我們知道,單片機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，其標稱值為3.6 V；輸出低電平的允許范圍為0~0.7 V，其標稱值為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，在實際應(yīng)用中，假設(shè)單片機外部中斷引腳INT0輸入一路由＋5 V下降到0 V的下降沿信號，單片機在某個時鐘周期采樣INT0引腳得到2.4 V的高電平；而在下一個時鐘周期到來進行采樣時，由于實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，單片機是否會依然置位中斷觸發(fā)標志從而引發(fā)中斷呢？關(guān)于這一點，國內(nèi)的絕大部分教材以及單片機生產(chǎn)商提供的器件資料都沒有給予準確的定義，但在實際應(yīng)用中這種情況確實會碰到。
以美國Analog公司生產(chǎn)的運算放大器芯片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的過渡時間，下降沿才真正地由高電平下降為低電平，在實際應(yīng)用電路中，這個下降時間往往可達10 μs以上。對于精密的測量系統(tǒng)，這么長的不確定時間是無法接受的，因此，有必要對單片機邊沿中斷觸發(fā)時刻進行精確的測定。
2 測試波形的設(shè)計與分析
為了測定MCS51單片機下降沿觸發(fā)的實際時刻，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的外部中斷0輸入，可以測出下降沿中斷觸發(fā)的實際時刻，下面對該波形進行具體分析。建立如圖2所示的直角坐標。
圖2 建立的直角坐標設(shè)
圖2所示波形的周期為T，單片機在電壓下降到y(tǒng)=y′時刻觸發(fā)中斷，t1′、t2′、t3′分別為前后周期的中斷觸發(fā)時刻，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)生時刻的電平值y′，即邊沿觸發(fā)中斷的實際時刻。
在使用單片機對中斷時刻進行測量時，使用兩個計數(shù)器，均設(shè)為方式1(16位計數(shù)方式)。其中，第一個計數(shù)器用于記錄從程序開始執(zhí)行到第一個下降沿到來所經(jīng)歷的時間，第二個計數(shù)器用來記錄程序開始執(zhí)行到第二個下降沿到來所經(jīng)歷的時間，將兩個計數(shù)器的計數(shù)值相減便可以得到兩個下降沿之間的時間間隔。由前面的分析可知，該時間間隔可能有兩種情況： 一種是T1時間，即t1′與t2′之間的時間間隔；另一種是T2時間，即t2′與t3′之間的時間間隔。其中，T1＋T2＝T，T1時間要小于T2時間。通過測量得到T1或者T2時間,利用式(4)便可求得下降沿觸發(fā)中斷時刻的實際電平。
3 測試流程和相應(yīng)的單片機程序
該單片機的中斷服務(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)程序為：
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，在中斷返回后，還需對兩個計數(shù)器的輸出值進行校正。本實驗采用偉福公司生產(chǎn)的H51/L仿真器為單片機測量系統(tǒng)，測得T1值為6.514 ms，由式(4)可得：y′=0.729 V，即當y′約為0.73 V時，單片機下降沿觸發(fā)中斷。
4 結(jié)論
本文通過設(shè)計一簡單的波形，對單片機的邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時刻進行了準確的測量，從而糾正了國內(nèi)單片機學(xué)習(xí)資料在邊沿觸發(fā)中斷時刻方面的不明確定義，且最終結(jié)果經(jīng)過了實驗驗證。
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