51單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和原理
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)稱定時(shí)器，其作用主要包括產(chǎn)生各種時(shí)標(biāo)間隔、記錄外部事件的數(shù)量等，是微機(jī)中最常用、最基本的部件之一。803l單片機(jī)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：定時(shí)器0(T0)和定時(shí)器1(T1)。T0由2個(gè)定時(shí)寄存器TH0和TL0構(gòu)成，T1則由TH1和TL1構(gòu)成，它們都分別映射在特殊功能寄存器中，從而可以通過對(duì)特殊功能寄存器中這些寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)定時(shí)器的操作。作定時(shí)器時(shí)，每一個(gè)機(jī)器周期定時(shí)寄存器自動(dòng)加l，所以定時(shí)器也可看作是計(jì)量機(jī)器周期的計(jì)數(shù)器。由于每個(gè)機(jī)器周期為12個(gè)時(shí)鐘振蕩周期，所以定時(shí)的分辨率是時(shí)鐘振蕩頻率的1/12。作計(jì)數(shù)器時(shí)，只要在單片機(jī)外部引腳T0(或T1)有從1到0電平的負(fù)跳變，計(jì)數(shù)器就自動(dòng)加1。計(jì)數(shù)的最高頻率一般為振蕩頻率的l/24。
工作方式：
T0或T1無論用作定時(shí)器或計(jì)數(shù)器都有4種工作方式：方式0、方式1、方式2和方式3。除方式3外，T0和T1有完全相同的工作狀態(tài)。下面以T1為例，分述各種工作方式的特點(diǎn)和用法。
1、工作方式0：
13位方式由TL1的低5位和TH1的8位構(gòu)成13位計(jì)數(shù)器(TL1的高3位無效)。工作方式0的結(jié)構(gòu)見下圖：
圖中，C/T為定時(shí)/計(jì)數(shù)選擇：C/T=0，T1為定時(shí)器，定時(shí)信號(hào)為振蕩周期12分頻后的脈沖;C/T=l，T1為計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)信號(hào)來自引腳T1的外部信號(hào)。
定時(shí)器T1能否啟動(dòng)工作，還受到了R1、GATE和引腳信號(hào)INT1的控制。由圖中的邏輯電路可知，當(dāng)GATE=0時(shí)，只要TR1=1就可打開控制門，使定時(shí)器工作;當(dāng)GATE=1時(shí)，只有TR1=1且INT1=1，才可打開控制門。GATE，TR1，C/T的狀態(tài)選擇由定時(shí)器的控制寄存器TMOD，TCON中相應(yīng)位狀態(tài)確定，INT1則是外部引腳上的信號(hào)。
在一般的應(yīng)用中，通常使GATE=0，從而由TRl的狀態(tài)控制Tl的開閉：TRl=1，打開T1;TRl=0，關(guān)閉T1。在特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，例如利用定時(shí)器測(cè)量接于INT1引腳上的外部脈沖高電平的寬度時(shí)，可使GATE=1，TRl=1。當(dāng)外部脈沖出現(xiàn)上升沿，亦即INT1由0變1電平時(shí)，啟動(dòng)T1定時(shí)，測(cè)量開始;一旦外部脈沖出現(xiàn)下降沿，亦即INT1由l變O時(shí)就關(guān)閉了T1。
定時(shí)器啟動(dòng)后，定時(shí)或計(jì)數(shù)脈沖加到TLl的低5位，從預(yù)先設(shè)置的初值(時(shí)間常數(shù))開始不斷增1。TL1計(jì)滿后，向THl進(jìn)位。當(dāng)TL1和THl都計(jì)滿之后，置位T1的定時(shí)器回零標(biāo)志TFl，以此表明定時(shí)時(shí)間或計(jì)數(shù)次數(shù)已到，以供查詢或在打開中斷的條件下，可向CPU請(qǐng)求中斷。如需進(jìn)一步定時(shí)/計(jì)數(shù)，需用指令重置時(shí)間常數(shù)。
2、工作方式1：
16位方式。與工作方式0基本相同，區(qū)別僅在于工作方式1的計(jì)數(shù)器TL1和TH1組成16位計(jì)數(shù)器，從而比工作方式0有更寬的定時(shí)/計(jì)數(shù)范圍。工作方式1的結(jié)構(gòu)見下圖。
3、工作方式2
8位自動(dòng)裝入時(shí)間常數(shù)方式。由TLl構(gòu)成8位計(jì)數(shù)器，THl僅用來存放時(shí)間常數(shù)。啟動(dòng)T1前，TLl和THl裝入相同的時(shí)間常數(shù)，當(dāng)TL1計(jì)滿后，除定時(shí)器回零標(biāo)志TFl置位，具有向CPU請(qǐng)求中斷的條件外，THl中的時(shí)間常數(shù)還會(huì)自動(dòng)地裝入TLl，并重新開始定時(shí)或計(jì)數(shù)。所以，工作方式2是一種自動(dòng)裝入時(shí)間常數(shù)的8位計(jì)數(shù)器方式。由于這種方式不需要指令重裝時(shí)間常數(shù)，因而操作方便，在允許的條件下，應(yīng)盡量使用這種工作方式。當(dāng)然，這種方式的定時(shí)/計(jì)數(shù)范圍要小于方式0和方式1。工作方式2的結(jié)構(gòu)見下圖.
4、工作方式3
2個(gè)8位方式。工作方式3只適用于定時(shí)器0。如果使定時(shí)器1為工作方式3，則定時(shí)器1將處于關(guān)閉狀態(tài)。
當(dāng)T0為工作方式3時(shí)，THo和TL0分成2個(gè)獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器。其中，TL0既可用作定時(shí)器，又可用作計(jì)數(shù)器，并使用原T0的所有控制位及其定時(shí)器回零標(biāo)志和中斷源。TH0只能用作定時(shí)器，并使用T1的控制位TRl、回零標(biāo)志TFl和中斷源，見下圖。
通常情況下，T0不運(yùn)行于工作方式3，只有在T1處于工作方式2，并不要求中斷的條件下才可能使用。這時(shí)，T1往往用作串行口波特率發(fā)生器(見1.4)，TH0用作定時(shí)器，TL0作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器。所以，方式3是為了使單片機(jī)有1個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)定時(shí)器以及1個(gè)串行口波特率發(fā)生器的應(yīng)用場(chǎng)合而特地提供的。這時(shí)，可把定時(shí)器l用于工作方式2，把定時(shí)器0用于工作方式3。
下才可能使用。這時(shí)，T1往往用作串行口波特率發(fā)生器，TH0用作定時(shí)器，TL0作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器。所以，方式3是為了使單片機(jī)有1個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)定時(shí)器以及1個(gè)串行口波特率發(fā)生器的應(yīng)用場(chǎng)合而特地提供的。這時(shí)，可把定時(shí)器l用于工作方式2，把定時(shí)器0用于工作方式3。
控制寄存器
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1有2個(gè)控制寄存器-TMOD和TCON，它們分別用來設(shè)置各個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式，選擇定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，控制啟動(dòng)運(yùn)行，以及作為運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)志等。其中，TCON寄存器中另有4位用于中斷系統(tǒng)。
1、定時(shí)器方式控制寄存器TMOD
TMOD在特殊功能寄存器中，字節(jié)地址為89H，無位地址。TMOD的格式如下圖年示。
由圖可見，TMOD的高4位用于T1，低4使用于T0，4種符號(hào)的含義如下：
GATE：門控制位。其作用見圖1.6。GATE和軟件控制位TR、外部引腳信號(hào)INT的狀態(tài),共同控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的打開或關(guān)閉。
C/T：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器選擇位。C/T=1，為計(jì)數(shù)器方式;C/T=0，為定時(shí)器方式。
M1M0：工作方式選擇位，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的4種工作方式由M1M0設(shè)定。
M1M0=00：工作方式0(13位方式)。
M1M0=01：工作方式1(16位方式)。
M1M0=10：工作方式2(8位自動(dòng)裝入時(shí)間常數(shù)方式)。
MlM0=11：工作方式3(2個(gè)8位方式--僅對(duì)T0)。
2.定時(shí)器控制寄存器--TCON
TCON在特殊功能寄存器中，字節(jié)地址為88H，位地址(由低位到高位)為88H一8FH，由于有位地址，十分便于進(jìn)行位操作。
TCON的格式如下圖所示。其中，TFl，TRl，TF0和TR0位用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;IEl，ITl，IEo和IT0位用于中斷系統(tǒng)。
TFl，TRl用于定時(shí)器T1;TF0，TR0用于定時(shí)器T0。兩組符號(hào)有相同的含義。
TF：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。當(dāng)定時(shí)器計(jì)滿回零時(shí)，TF=1，并可申請(qǐng)中斷;當(dāng)CPU響應(yīng)中斷并進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，TF自動(dòng)清零。如對(duì)TF查詢，定時(shí)器回零后，要用指令將TF清零。
TR：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器開閉控制位。
IEl，ITl用于外部中斷1(1NTl);IE0，IT0用于外部中斷0(1NT0)。兩組符號(hào)的含義相同。
IT：下跳沿/低電平引起外部中斷請(qǐng)求的選擇位。IT=1，由下跳沿引起;IT=0，由低電平引起。
IE：外部中斷的中斷申請(qǐng)標(biāo)志。IE=0，表明無外部中斷請(qǐng)求;IE=1，表明有外部中斷請(qǐng)求。當(dāng)有外部中斷請(qǐng)求時(shí)，IE自動(dòng)為1，單片機(jī)CPU響應(yīng)此中斷后，IE自動(dòng)清零。
定時(shí)/計(jì)數(shù)初值的求取方法
8031單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器采用增量式計(jì)數(shù)。也就是說，當(dāng)運(yùn)行于定時(shí)器方式時(shí)，每隔一個(gè)機(jī)器周期定時(shí)器自動(dòng)加1;當(dāng)運(yùn)行于計(jì)數(shù)器方式時(shí)，每當(dāng)引腳出現(xiàn)下跳沿，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1。無論是作定時(shí)用還是計(jì)數(shù)用，當(dāng)T0或Tl加滿回零后，定時(shí)器回零標(biāo)志置1。而當(dāng)允許中斷時(shí)，TF可以申請(qǐng)中斷進(jìn)而在中斷服務(wù)程序中作相應(yīng)的操作;TF也可用程序判斷定時(shí)到或計(jì)數(shù)滿的標(biāo)志位。
那么，怎樣確定定時(shí)或計(jì)數(shù)初值(又稱為時(shí)間常數(shù))，以便達(dá)到要求的定時(shí)時(shí)間或計(jì)數(shù)值呢?下面作簡(jiǎn)要介紹，并舉兩個(gè)例子加以說明。
設(shè)T0(或T1)運(yùn)行于計(jì)數(shù)器方式，要求計(jì)數(shù)X個(gè)外部脈沖后T0(或T1)回零，則計(jì)數(shù)初值C的求取方法如下：
因?yàn)榛亓愕暮x是指加滿到計(jì)數(shù)器的模值，即
x十C=模
所以 C=模一x=模十(一x)=(x)求補(bǔ)
由此可見，計(jì)數(shù)初值的大小等于需要計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)x求補(bǔ)運(yùn)算后的結(jié)果。
又若T0(或T1)運(yùn)行于定時(shí)器方式，需定時(shí)tvs,則計(jì)數(shù)脈沖數(shù)為。其中，MC為機(jī)器周期(單片為us)同理可知，定時(shí)初值為。
值的指出的是，對(duì)于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的4種不同工作方式，T0或T1的位數(shù)不同，模值也因而不同，求補(bǔ)運(yùn)算要按相應(yīng)位數(shù)的長(zhǎng)度來求。
例1：T0運(yùn)行于計(jì)數(shù)器狀態(tài)，工作于方式1(16位方式)，要求外部引腳出現(xiàn)3個(gè)脈沖后，TH0，TL0全回零(以便申請(qǐng)中斷)。求計(jì)數(shù)初值C。
解：C=(0003H)求補(bǔ)=FFFDH
例2：T0運(yùn)行于定時(shí)器狀態(tài)，時(shí)鐘振蕩周期為12MHZ，要求定時(shí)100us。求不同工作方式時(shí)的定時(shí)初值。
解：因?yàn)闄C(jī)器周期MC=12/12MHZ=1us
所以要計(jì)數(shù)的賈器周期個(gè)數(shù)為64H。
應(yīng)注意定時(shí)器在工作方式0時(shí)的初值裝入方法。由于方式0是13位定時(shí)/計(jì)數(shù)方式，對(duì)于T0而言，高8位初值裝入TH0，低5位初值裝入TL0的低5位(TL0的高3位無效)。所以對(duì)于上例，要裝入1F9CH初值時(shí)，可安排成：
在具體裝入初值時(shí)，必須把11111100B裝入TH0，而把***11100B裝入TL0。用指令表示即：
MOV TH0，#0FCH ;#FCHTH0
MOV TL0，#1CH ;#1CHTL0
通過上面求定時(shí)/計(jì)數(shù)初值的分析可見，不同工作方式的最大計(jì)數(shù)值或定時(shí)機(jī)器周期數(shù)分
別為;
方式0--213
方式l--216
方式2，3--28
例如，當(dāng)晶振(外部振蕩時(shí)鐘)fosc=6MHz時(shí)，方式1的最長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間tmax=216×12÷6MHZ=131.072ms。這在操作上，只需把TH和TL都預(yù)置成00H初值即可。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-08
