第五章定時計數(shù)器

第5章定時/計數(shù)器定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理定時/計數(shù)器方式和控制寄存器定時/計數(shù)器的工作方式定時/計數(shù)器的編程舉例運行中讀定時/計數(shù)器值定時/計數(shù)器2單片機(jī)的51子系列有兩個16位的定時/計數(shù)器：定時器0和定時器1。均可用作定時器或事件計數(shù)器，為單片機(jī)系統(tǒng)提供計數(shù)和定時功能。以實現(xiàn)控制系統(tǒng)中所要求的定時或延時控制、外部事件計數(shù)。52子系列單片機(jī)(8032/8052)除了有上述2個定時/計數(shù)器外，還有一個定時計數(shù)器2，后者的功能比前兩者強。5.1定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理定時/計數(shù)器的核心部件是一個加1計數(shù)器，其脈沖有兩個來源：外部脈沖源、系統(tǒng)的時鐘振蕩器。計數(shù)器對兩個脈沖源之一進(jìn)行輸入計數(shù)，每輸入一個脈沖，計數(shù)值加1。當(dāng)計數(shù)到計數(shù)值為全1時，再輸入一個脈沖就使計數(shù)值回零，同時從最高位溢出一個脈沖使特殊功能寄存器TCON(定時器控制寄存器)的某一位TFx置1，作為計數(shù)器的溢出中斷標(biāo)志。定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)框圖振蕩器÷12加1計數(shù)器TFx中斷TX端C/T=0C/T=1控制信號TRx若工作于定時狀態(tài)，則表示定時時間到；若工作于計數(shù)狀態(tài)，則表示計數(shù)回零。所以，加1計數(shù)器的基本功能是對輸入脈沖進(jìn)行計數(shù)。用作定時器時,在每個機(jī)器周期計數(shù)器加1,所以可以把它看作累加機(jī)器周期,1個機(jī)器周期包括12個振蕩周期,則計數(shù)頻率為振蕩頻率的十二分之一。工作于何種方式，取決于脈沖源，當(dāng)脈沖源為時鐘振蕩器(等間隔脈沖序列)時，由于計數(shù)脈沖為一時間基準(zhǔn)，脈沖數(shù)乘以脈沖間隔就是定時時間，表現(xiàn)為定時功能；當(dāng)脈沖源為間隔不等的外部脈沖發(fā)生器時，就是外部事件的計數(shù)器，表現(xiàn)為計數(shù)功能。用作計數(shù)器時，計數(shù)脈沖來自外部輸入引腳T0或T1，當(dāng)輸入信號發(fā)生一個由1到0的跳變時，計數(shù)器加1。在每個機(jī)器周期的S5P2期間采樣外部輸入信號，當(dāng)一個周期的采樣值為高電平、下一個周期的采樣值為低電平時，計數(shù)器加1。新的計數(shù)值在緊接著檢測到一個跳變后的下一個周期的S3P1期間在寄存器中出現(xiàn)。即在第一個機(jī)器周期的S5P2檢測到高電平，在第二個機(jī)器周期的S5P2檢測到低電平，在第三個機(jī)器周期的S3P1改變計數(shù)值。由于識別一個從1到0的跳變要用兩個機(jī)器周期，所以最快的計數(shù)頻率是振蕩器頻率的二十四分之一。對外部輸入信號的占空比沒有限制，為確保某一給定的電平在變化之前至少被采樣一次，該信號至少保持一個完整的機(jī)器周期。圖中的兩個模擬開關(guān)，前者決定定時/計數(shù)器工作狀態(tài)：計數(shù)還是定時；后者受控制信號的控制，決定脈沖源是否加到計數(shù)器輸入端，即決定了加1計數(shù)器的開啟與運行。對輸入信號的基本要求>Tp>TpTp為機(jī)器周期在實際線路中，這兩個模擬開關(guān)由TMOD與TCON的相應(yīng)位控制。用戶可通過對TMOD和TCON的各位進(jìn)行寫入或更改操作，從而選擇不同的工作狀態(tài)或啟動工作，并可設(shè)置相應(yīng)的控制條件，即定時/計數(shù)器是可編程的。16位的加1計數(shù)器由兩個8位的特殊功能寄存器THx和TLx組成(x=0或1)。由特殊功能寄存器TMOD控制，可被程控為不同的組合狀態(tài)，從而形成定時/計數(shù)器的四種工作方式。TMOD、TCON與T0、T1結(jié)構(gòu)框圖微處理器μPTH1TL1TH0TL0TCONTMOD工作方式工作方式5.2定時/計數(shù)器方式和控制寄存器由結(jié)構(gòu)框圖可以看到，特殊功能寄存器TMOD和TCON用來確定定時/計數(shù)器的工作方式，并控制其功能。每當(dāng)執(zhí)行一條改變TMOD和TCON內(nèi)容的指令時，所改變的值在下一條指令的第一個機(jī)器周期的S1P1期間進(jìn)入特殊功能寄存器，并立即產(chǎn)生效果。TMOD控制定時/計數(shù)器的工作方式；TCON控制定時器T0、T1的啟動和停止計數(shù)，并包含了定時器的狀態(tài)。5.2.1定時器工作方式控制寄存器TMOD的格式位76543210GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0定時器1定時器0GATE:選通控制。當(dāng)GATE=1時，同時INTx為高電平，且TRx置位時，選通定時器x。當(dāng)GATE=0時，每當(dāng)TRx置位時，就選通定時器x。C/T:選擇定時器功能還是計數(shù)器功能。該位置位時選擇計數(shù)器功能(計數(shù)出現(xiàn)在T0或T1引腳上的負(fù)跳變)；該位清零時選擇定時器功能(計機(jī)器周期)。M1M0:這兩位指定定時/計數(shù)器的工作方式,可形成四種編碼，對應(yīng)四種工作方式：M1M0方式說明000TLx低5位與THx中8位構(gòu)成13位計數(shù)器011TLx與THx構(gòu)成16位計數(shù)器102可自動再裝入的8位計數(shù)器,當(dāng)TLx計數(shù)溢出時,THx內(nèi)容自動裝入TLx。113對定時器0,分成兩個8位的計數(shù)器；對定時器1,停止計數(shù)。5.2.2定時器控制寄存器TCON的格式位76543210TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1：定時器1溢出標(biāo)志位。當(dāng)定時/計數(shù)器1溢出時，由內(nèi)部硬件置位，申請中斷。當(dāng)單片機(jī)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序后，由內(nèi)部硬件自動清除。TR1：定時器1的運行控制位。由軟件置位/清除來控制定時/計數(shù)器1的開啟/關(guān)閉。TF0：定時器0溢出標(biāo)志位。當(dāng)定時/計數(shù)器0溢出時，由內(nèi)部硬件置位，申請中斷。當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，由內(nèi)部硬件自動清除。TR0：定時器0的運行控制位。由軟件置位/清除來控制定時/計數(shù)器0的開啟/關(guān)閉。IE1：外部中斷1邊沿觸發(fā)請求標(biāo)志位。當(dāng)IT1=0時，每個機(jī)器周期的S5P2采樣INT1，若INT1為低電平，將直接觸發(fā)外部中斷。當(dāng)IT1=1時，當(dāng)?shù)谝粋€機(jī)器周期采樣到INT1為高電平、第二個機(jī)器周期采樣到INT1為低電平時，由硬件置位中斷標(biāo)志IE1，并以此向CPU請求中斷，當(dāng)CPU響應(yīng)中斷、轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序后由硬件清除。

IT1：外部中斷1類型控制位。控制外部中斷1是選擇邊沿觸發(fā)還是電平觸發(fā)方式。當(dāng)IT1=0時，選擇為電平觸發(fā)方式，INT1低電平有效；當(dāng)IT1=1時，選擇為邊沿觸發(fā)方式，當(dāng)INT1輸入腳上出現(xiàn)電平由高到低的負(fù)跳變時有效。IT1由軟件置位或清除。IE0：外部中斷1邊沿觸發(fā)請求標(biāo)志位。當(dāng)IT0=0時，每個機(jī)器周期的S5P2采樣INT0，若INT0為低電平，將直接觸發(fā)外部中斷。當(dāng)IT0=1時，當(dāng)?shù)谝粋€機(jī)器周期采樣到INT0為高電平、第二個機(jī)器周期采樣到INT0為低電平時，由硬件置位中斷標(biāo)志IE0，并以此向CPU請求中斷，當(dāng)CPU響應(yīng)中斷、轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序后由硬件清除。

IT0：外部中斷0類型控制位?？刂仆獠恐袛?是選擇邊沿觸發(fā)還是電平觸發(fā)方式。當(dāng)IT0=0時，選擇為電平觸發(fā)方式，INT0低電平有效；當(dāng)IT0=1時，選擇為邊沿觸發(fā)方式，當(dāng)INT0輸入腳上出現(xiàn)電平由高到低的負(fù)跳變時有效。IT0由軟件置位或清除。由于定時/計數(shù)器T0、T1是可編程的，所有在任何一個定時/計數(shù)器開始工作之前，必須對其寫入相應(yīng)的控制字。5.3定時/計數(shù)器的工作方式寄存器TMOD中的M1、M0兩位的四種不同取值，導(dǎo)致了THx、TLx的四種不同組合，從而形成定時/計數(shù)器的四種不同工作方式。其中前三種工作方式對兩者都是一樣的，方式3對兩者是不同的。可以說，只有定時/計數(shù)器0有方式3。5.3.1方式0振蕩器÷12TFx中斷Tx端C/T=0C/T=1GATEINTx端TRxTLx(低5位)THx(8位)控制&≥ll當(dāng)M1M0=00時，定時/計數(shù)器被選擇為工作方式0。在此工作方式下，定時/計數(shù)器構(gòu)成一個13位寄存器，由THx的8位與TLx的低5位組成，TLx的高3位未用。當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，再由內(nèi)部硬件自動清除該標(biāo)志TFx。在一般情況下，GATE=0，定時/計數(shù)器運行控制僅由TRx位的狀態(tài)確定(TRx=1啟動，TRx=0停止)。只有在啟動計數(shù)要由外部輸入INTx控制時，才使GATE=1，由框圖可知，GATE=1，TRx=1時，只有INTx引腳輸入高電平，Tx才被允許計數(shù)。

利用GATE的這一功能，可以很方便的測量脈沖寬度。當(dāng)TLx的低5位計數(shù)溢出時，則向THx進(jìn)位，THx溢出時，則把其對應(yīng)的定時/計數(shù)器的溢出標(biāo)志位TFx置位，并以此作為定時/計數(shù)器溢出中斷標(biāo)志。5.3.2方式1振蕩器÷12TFx中斷Tx端C/T=0C/T=1GATEINTx端TRxTLx(8位)THx(8位)控制l&≥l方式1與方式0的差別僅在于計數(shù)器的位數(shù)不同，方式1為16位的計數(shù)器，由THx作為高8位和TLx作為低8位構(gòu)成。其余和方式0類似。5.3.3方式2振蕩器÷12TFx中斷Tx端C/T=0C/T=1GATEINTx端TRxTLx(8位)THx(8位)控制重新裝入l≥l&定時/計數(shù)器構(gòu)成一個自動再裝入功能的8位計數(shù)器。

此時由TLx計數(shù)，而THx在此方式中作為一個數(shù)據(jù)緩沖器。當(dāng)TLx計數(shù)溢出時，在置位溢出標(biāo)志TFx的同時，還自動地將THx中的常數(shù)送到TLx，使TLx從剛剛裝入的初值開始重新計數(shù)。再裝入后，THx中的內(nèi)容保持不變。5.3.4方式3T0端C/T=0C/T=1GATEINT0端TR0振蕩器÷12振蕩器÷12TF0中斷TL0(8位)TF1中斷TH0(8位)TR1控制控制l≥l&方式3可使MCS-51單片機(jī)增加一個附加的8位定時/計數(shù)器，此種方式只適應(yīng)于定時/計數(shù)器0。定時/計數(shù)器1處于方式3時，相當(dāng)于TR1=0，停止計數(shù)。定時/計數(shù)器0在方式3下，TL0和TH0被作為兩個獨立的計數(shù)器。在此方式下，TL0使用了定時器0的所有控制位：C/T、GATE、TR0、INT0和TF0；TH0則被限制為一個定時器，對機(jī)器周期計數(shù)，同時借用了定時器1的TR1和TF1，即借用了其運行控制位和溢出標(biāo)志。一般來說，只有當(dāng)系統(tǒng)需要增加一個額外的8位定時器時，才把定時/計數(shù)器0設(shè)置為方式3。當(dāng)定時/計數(shù)器0工作于方式3時，由于TH0借用了定時/計數(shù)器1的運行控制位和溢出(中斷)標(biāo)志，此時定時/計數(shù)器1雖然可以設(shè)置為方式0、方式1和方式2，但是只能用在不需要中斷控制的場合。例如，工作于自動重裝載方式(方式2)，作為串行通訊的波特率發(fā)生器使用。5.4定時/計數(shù)器的編程舉例定時/計數(shù)器的應(yīng)用編程應(yīng)注意：⑴正確寫入控制字，即初始化；⑵時間常數(shù)的正確計算。定時計數(shù)器操作控制次序：①確定工作方式，寫入TMOD定時/計數(shù)器工作方式寄存器；②計算定時/計數(shù)初值，裝入THx及TLx；③置位TRx以啟動計數(shù)；④置位ETx以允許定時/計數(shù)器x中斷(若需要，不需要可略)；⑤置位EA以使CPU開放中斷，即接收中斷信號。由于定時/計數(shù)器以加1方式計數(shù)，假設(shè)計數(shù)值為x，則應(yīng)裝入定時/計數(shù)器的初值為：(n為不同方式下計數(shù)器的位數(shù))。當(dāng)工作于定時狀態(tài)時，由于定時/計數(shù)器是計數(shù)機(jī)器周期的，而機(jī)器周期頻率恒定，每個機(jī)器周期包括12個振蕩周期，若晶振頻率為6MHz，則：一個機(jī)器周期:計數(shù)個數(shù)為：其中：Tp為機(jī)器周期則應(yīng)裝入的計數(shù)初值為：例5-1.要求定時為1mS，晶振頻率為12MHz。解：因為:Tc=x×Tp=1mS所以:對方式0,應(yīng)裝入的初值為:此時，THx=0E0H(11100XXX)，TLx=18H對方式1，應(yīng)裝入的初值為：此時，THx=0FCH，TLx=18H例5-2.設(shè)定時/計數(shù)器T0為定時狀態(tài)，工作于方式1，定時時間為2mS，每當(dāng)2mS到申請中斷，在中斷服務(wù)程序中將A的內(nèi)容左環(huán)移一次，送P1口顯示。已知晶振頻率為12MHz。解答：定時時間為2mS，即:Tc=x×Tp=2mS所以，計數(shù)個數(shù)為：采用方式1，應(yīng)裝入的時間常數(shù)為：則：TH0=0F8H，TL0=30H編程如下：ORG 0000HLJMP MAIN ;轉(zhuǎn)主程序ORG 000BH ;T0中斷服務(wù)程序MOV TL0,#30HMOV TH0,#0F8H ;重新送2mS時間常數(shù)初值RL A ;(A)左環(huán)移一次MOV P1,A ;送P1口顯示RETMAIN:MOVTMOD,#01H;送控制方式字MOV TL0,#30H ;T0初始化MOV TH0,#0F8HMOV A,#01H ;累加器A置初值SETB TR0 ;啟動T0計數(shù)SETB ET0 ;允許T0中斷SETB EA ;CPU開中斷SJMP $ ;等待中斷發(fā)生(無事可做)例5-3.設(shè)定時/計數(shù)器T0工作于方式3，TL0、TH0作為兩個獨立的8位定時/計數(shù)器，分別產(chǎn)生250S和500S的定時中斷，使P1.1和P1.2產(chǎn)生500S和1000S的方波。設(shè)晶振頻率為6MHz。解答：TL0計數(shù)個數(shù):250s/2s=125初值:

28-125=131=83HTH0計數(shù)個數(shù):500s/2s=250

初值:

28-250=6=06H編程如下：ORG 0000HLJMP MAIN ;轉(zhuǎn)主程序ORG 000BH ;定時器0中斷服務(wù)子程序入口LJMP TINT0ORG 001BH ;定時器1中斷服務(wù)子程序入口LJMP TINT1MAIN:MOVTMOD,#03H;T0工作方式3MOV TL0,#83H ;TL0送時間常數(shù)MOV TH0,#06H ;TH0送時間常數(shù)SETB TR0 ;啟動定時SETB TR1;等價于MOVTCON,#50HSETB ET0 ;允許中斷SETB ET1;等價于MOVIE,#8AH

SETB EA ;CPU開中斷SJMP $ ;等待TINT0: MOV TL0,#83H ;定時器0中斷服務(wù)子程序 CPL P1.1 RETITINT1: MOV TH0,#06H ;定時器1中斷服務(wù)子程序 CPL P1.2 RETI例5-4.設(shè)定時/計數(shù)器0工作于方式2,TL0為8位計數(shù)器,產(chǎn)生500s定時中斷,在中斷服務(wù)程序中將(A)減1,然后送P1口顯示,設(shè)晶振為6MHz。編程如下: ORG 0000H AJMP MAIN ;轉(zhuǎn)主程序 ORG 000BH DEC A ;T0中斷服務(wù)子程序 MOV P1,A RETIMAIN:MOV TMOD,#02H ;初始化 MOV TL0,#06H ;送500S時間常數(shù) MOV TH0,#06H SETB TR0 ;啟動T0計數(shù) SETB ET0 ;允許T0中斷 SETB EA ;CPU開中斷 SJMP $5.5運行中讀定時/計數(shù)器值在MCS-51中，隨時可以讀寫計數(shù)寄存器的內(nèi)容，但是讀取時需要特別加以注意；由于不能在同一時刻讀取THx和TLx的內(nèi)容。如不注意，讀取的計數(shù)器有可能出錯。比如先讀(TLx)，后讀(THx)，由于定時器在不斷運行，讀(THx)前，若恰好產(chǎn)生TLx溢出向THx進(jìn)位，則讀得的(TLx)完全不對。同樣先讀(THx)再讀(TLx)也可能出錯（同樣問題）。解決錯讀問題的一種方法是:先讀(THx)，后讀(TLx)，再讀(THx)，若2次讀得的(THx)沒有發(fā)生變化，則可確定讀得的內(nèi)容是正確的，否則再重復(fù)上述讀THx、TLx過程，這樣讀得的(THx)，(TLx)就是正確的。下面程序把讀得的TH0、TL0放在R1、R0中：RDTIME: MOV A,TH0 ;讀(TH0) MOV R0,TL0 ;讀(TL0) CJNE A,TH0,RDTIME ;比較2次讀得的(TH0),不同重讀

MOV R1，A RET5.6定時/計數(shù)器2只有52子系列單片機(jī)擁有定時/計數(shù)器2。定時/計數(shù)器2是一個具有16位自動重裝載或捕獲能力的定時/計數(shù)器，特殊功能寄存器T2CON是它的控制寄存器。定時/計數(shù)器2具有兩種工作方式：定時/計數(shù)器方式和波特率發(fā)生器方式。5.6.1定時/計數(shù)器方式RCAP2HRCAP2LTH2TL2CINCINCOUTCOUTCP/RL2T2EXEXEN2EXF2中斷置TF2置EXF2TF2振蕩器÷12T2C/T2TR2&&≥l&≥l&用作定時器時，寄存器TH2和TL2對機(jī)器周期計數(shù)；用作計數(shù)器時，外部計數(shù)脈沖由T2(P1.0)輸入，工作情況和時序關(guān)系與定時/計數(shù)器0和1的完全一樣，對外部計數(shù)脈沖的要求也與定時/計數(shù)器0和1的完全一樣。在定時器和計數(shù)器工作方式下，可以通過對T2CON中的控制位CP/RL2的操作來選擇捕獲能力或重裝載能力，TH2和TL2內(nèi)容的捕獲或自動重裝載通過一對捕獲/重裝載寄存器RCAP2H和RCAP2L來實現(xiàn)，TH2、TL2和RCAP2H、RCAP2L之間接有雙向緩沖器(三態(tài)門)。當(dāng)CP/RL2=1時，選擇捕獲功能，數(shù)據(jù)傳送方向為把TH2和TL2中的內(nèi)容自動裝入RCAP2H和RCAP2L；當(dāng)CP/RL2=0時，選擇自動重裝載功能，數(shù)據(jù)傳送方向為把RCAP2H和RCAP2L的數(shù)據(jù)自動裝入TH2和TL2。捕獲或自動重裝載發(fā)生在下述情況下：⑴定時器2的寄存器TH2和TL2溢出時：當(dāng)寄存器TH2和TL2溢出時，如果CP/RL2=0，則打開重裝載的三態(tài)緩沖器，把RCAP2H和RCAP2L的內(nèi)容自動裝載到TH2和TL2中，同時溢出標(biāo)志TF2置位為1，申請中斷。⑵當(dāng)EXEN2=1且T2EX(P1.1)端的信號有負(fù)跳變時：當(dāng)EXEN2=1且T2EX(P1.1)端的信號有負(fù)跳變時，根據(jù)CP/RL2是1或0，發(fā)生捕獲操作或自動重裝載操作，同時標(biāo)志EXF2置位，申請中斷。如果定時/計數(shù)器2的中斷是被允許的，不管發(fā)生TF2=1還是EXF2=1，CPU都會響應(yīng)中斷，中斷的入口地址為002BH。響應(yīng)中斷后，應(yīng)當(dāng)用軟件清除中斷標(biāo)志，以避免無休止地發(fā)生中斷。TF2、EXF2都是直接可尋址位，可采用CLRTF2和CLREXF2指令實現(xiàn)撤消中斷申請的功能。5.6.2波特率發(fā)生器方式RCAP2HRCAP2LTH2TL2CINCINCOUTCOUTC/T2TR2OSC2T2÷2定時器1溢出SMOD=0SMOD=1"0""1""0""1"÷16RCLKTCLK÷16TXCLOCKRXCLOCKT2EXEXEN2EXF2&&波特率發(fā)生器用于控制串行口的數(shù)據(jù)傳輸速率。在T2CON中的RCLK和TCLK兩位用于選擇定時/計數(shù)器1或2作為串行通訊的波特率發(fā)生器。RCLK和TCLK兩位的值用來控制2個電子開關(guān)的位置。當(dāng)這兩位為0時，選用定時/計數(shù)器1作為波特率發(fā)生器；當(dāng)這兩位為1時，選用定時/計數(shù)器2作為波特率發(fā)生器。其中RCLK選擇串行通訊接收波特率發(fā)生器，TCLK選擇發(fā)送波特率發(fā)生器。當(dāng)選用定時/計數(shù)器2作波特率發(fā)生器時，其溢出脈沖用作串行口的時鐘，時鐘頻率可由內(nèi)部時鐘決定，也可由外部時鐘決定。如果C/T=0，選用外部時鐘，時鐘信號由T2(P1.0)端輸入，每當(dāng)外部脈沖負(fù)跳變時，計數(shù)器值加1，外部脈沖頻率不能超過振蕩器頻率的1/24。由于溢出時，RCAP2H和RCAP2L的內(nèi)容自動裝載到TH2和TL2，所以波特率的值還決定于裝載值。

當(dāng)定時/計數(shù)器2用作波特率發(fā)生器時，如果EXEN2置位，則T2EX端的信號發(fā)生負(fù)跳變時，EXF2將置位，但不會發(fā)生重裝載或捕獲操作，此時T2EX可以作為一個附加的外部中斷源。在波特率工作方式下，TH2、TL2和RCAP2H、RCAP2L的內(nèi)容不能讀或被修改。5.6.3定時/計數(shù)器2控制寄存器T2CONTR2EXEN2TCLKRCLKEXF2TF2含義01234567位TF2(T2CON.7)：定時器2