吳挺運，林成何

(陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西漢中 723000)

C語言具有較強的數(shù)據(jù)處理能力、語言功能齊全、使用靈活方便、開發(fā)效率高，被廣泛應(yīng)用于在單片機系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用中。在單片機系統(tǒng)開發(fā)的過程中，經(jīng)常需要使用到延時程序，但C語言代碼執(zhí)行時間的可預(yù)見性和實時性較差，在開發(fā)一些具有嚴格通信時序要求的系統(tǒng)時，往往需要反復(fù)調(diào)試延時代碼，給開發(fā)者帶來了較大困難。比如使用DS18B20進行溫度測控時，必須按照其單總線通信協(xié)議，否則無法讀取溫度數(shù)據(jù)。針對上述問題，結(jié)合Keil C51開發(fā)工具和Proteus仿真軟件，介紹在Keil C51開發(fā)系統(tǒng)中，利用C語言編寫的延時程序設(shè)計及其運行的時間的計算方法［1－2］。

1 常用延時程序的設(shè)計方法

1.1 利用定時器/計數(shù)器延時

利用C51單片機內(nèi)部2個16位定時器/計數(shù)器實現(xiàn)精確的程序，由于定時器/計數(shù)器不占用CPU的運行時間，可以提高 CPU的使用效率。但假設(shè)使用12 MHz晶振，定時器工作在方式1模式下，其最長定時時間也只能達到65.53 ms，由此，可以采用中斷方式進行溢出次數(shù)累加的方法進行長時間的延時程序設(shè)計。但在開發(fā)過程中要考慮C51自動對斷點的保護和重裝初值所帶來的延時誤差，也可以使用定時器工作在方式2模式下，減少重裝初值所帶來的誤差。

1.2 利用空操作實現(xiàn)延時

當(dāng)所需的延時非常短，可以利用Keil C51自帶intrins.h頭文件中的_nop_()函數(shù)實現(xiàn)函數(shù)延時。

當(dāng)主程序調(diào)用delay()函數(shù)時，首先執(zhí)行LCALL指令，占用2個機器周期，然后執(zhí)行_nop_()函數(shù)，它相當(dāng)于匯編中的NOP指令，占用一個指令周期，最后執(zhí)行一個RET返回指令，一共占用5個機器周期。若要增加延時時間，可以在delay()函數(shù)中增加_nop_()函數(shù)的數(shù)目。但利用這種方法進行長時間的延時，會降低成程序的可讀性［3－5］。

1.3 利用C語言中嵌套匯編程序?qū)崿F(xiàn)延時

與C語言相比，在編寫匯編程序的時候可以清楚地知道執(zhí)行每一條指令所需的機器周期，從而精確確定其執(zhí)行時間。Keil C51開發(fā)環(huán)境可以實現(xiàn)C語言中嵌入?yún)R編語言，可以在延時程序設(shè)計時，結(jié)合匯編語言的優(yōu)點，精確確定延時時間。C語言中嵌入?yún)R編程序的方法［6］:

以12 MHz晶振為例，介紹C語言嵌套匯編語言設(shè)計延時程序:

delay函數(shù)采用單循環(huán)延時，主函數(shù)調(diào)用delay函數(shù)時，首先執(zhí)行LJMP指令占用2個指令，delay函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后，執(zhí)行一個RET返回指令。而DJNZ執(zhí)行占用2個機器周期，一共執(zhí)行了10次，所以在12 MHz晶振下，延時函數(shù)執(zhí)行的時間為Δt=2×10+1+2+2=25μs。如果需要進行長時間延時，可以采用多重循環(huán)嵌套實現(xiàn)。

1.4 利用for循環(huán)實現(xiàn)延時

在單片機開發(fā)過程中，for語句和while語句也經(jīng)常用于延時程序的設(shè)計。設(shè)晶振頻率為12 MHz，在調(diào)用延時函數(shù)時，一共需要18個機器周期。當(dāng)delay函數(shù)中的實參改變時，函數(shù)的延長時間變長，具體的延時時間Δt=3×i+5×(i+1)+5。由于delay函數(shù)中變量的類型為unsigned char，最大值為255，不能進行長時間延時?？梢酝ㄟ^改變變量的類型和利用for語句嵌套，實現(xiàn)長時間延時，但是延時時間的計算和delay函數(shù)有差異。

表1 常用延時方法的比較

如表1所示，在設(shè)計延時程序時，應(yīng)該考慮延時的長短，開發(fā)系統(tǒng)的資源利用與二次開發(fā)等情況進而確定設(shè)計延時程序設(shè)計的方法。

2 延時時間的精確計算

在開發(fā)過程中，經(jīng)常需要知道代碼執(zhí)行的時間，以確定延時時間。在單片機開發(fā)中經(jīng)常使用硬件或Keil C51中的一些功能來確定延時時間。下面通過在頻率12 MHz晶振下的一些實例進行分析。

2.1 利用示波器確定延時時間

單片機系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用中，經(jīng)常用示波器來確定代碼執(zhí)行的時間，如在延時后面進行IO口中的某位電平翻轉(zhuǎn)，用示波器來觀察IO中某位輸出的標(biāo)準(zhǔn)PWM波形來確定延時時間，但是此方法必須是用來計算延時時間為毫秒級別的延時程序，否則會存在誤差因為在進行IO口電平翻轉(zhuǎn)和程序執(zhí)行結(jié)束跳轉(zhuǎn)到while函數(shù)入口，需要占幾μm的時間。例如上面介紹的for循環(huán)編寫的延時程序中，假設(shè)實參為249，則Δt=3×249+5 ×(249+1)+5=2 002 μs≈2 ms。

將上述代碼經(jīng)編譯后生成HEX文件，寫入C51單片機中，利用Proteus中的虛擬示波器觀察P1.0后波形的變化。

圖1 P1.0輸出波形

從圖1的PWM波形可以看出，高電平或者低電平占的時間分別為2 ms，即為以上延時程序所執(zhí)行的時間，由于示波器精度的問題，存在誤差為2μs。所以用這種方法確定延時時間，會存在一定誤差。

2.2 利用Keil C51確定延時時間

2.2.1 Keil C51反匯編

對于經(jīng)驗豐富的開發(fā)者，可以利用Keil C51中反匯編的功能，仔細分析C語言轉(zhuǎn)化成的匯編代碼，從而也可以計算出代碼執(zhí)行所需的時間，精確得出延時時間。在Keil C51中編寫好程序后，按ctrl+F5進入軟件調(diào)試狀態(tài)，然后點擊工具欄的view→ disassembly window，即可看到編譯生成的匯編代碼。例如2.1中例子的匯編代碼為:

分析上面的匯編代碼，可以看出調(diào)用delay函數(shù)時，先執(zhí)行MOV R7，#0xF9然后執(zhí)行LACALL跳轉(zhuǎn)到delay函數(shù)的入口處，一共占用3個機器周期。而地址0x000F到0x0013的指令一共被執(zhí)行了250次，0x0015到0x0016的語句被執(zhí)行了249次。最后執(zhí)行RET語句，占用2個機器周期。則delay函數(shù)的執(zhí)行時間Δt=3×249+5×250+5=2 002μs。另外從上述匯編語句中可以看出，P1=P1^0x01相當(dāng)于匯編中XRL direct，#data指令，占用2個機器周期。

2.2.2 Keil C51軟件調(diào)試模式

在開發(fā)過程中，還可以利用Keil C51編譯器中的斷點調(diào)試功能來模擬執(zhí)行延時代碼所需的時間。上述舉例進入軟件調(diào)試狀態(tài)后如圖2所示。

圖2 對延時程序設(shè)置斷點

光標(biāo)為當(dāng)前程序的停止處，左側(cè)的寄存器窗口可以看到一些寄存器名稱及其值?？梢酝ㄟ^設(shè)置斷點的功能，每遇到斷點，程序會自動停止在斷點處?！皊ec”中數(shù)據(jù)的變化即為程序執(zhí)行處到斷點處所需的時間。對上述程序?qū)帱c設(shè)置在“P1=P1^0x01”代碼處，然后點擊全速運行可以得表2所示。

表2 sec顯示時間

從表2可以看出，delay函數(shù)執(zhí)行的時間 Δt=2 391－389=2 002μs，與理論分析結(jié)果一樣。

3 應(yīng)用實例

DS18B20是一款單總線數(shù)字式溫度傳感器，對其控制必須按照嚴格的時序要求，有3個重要時序，分別是初始化、讀以及寫時序，時序圖如圖3所示。

圖3 DS18B20時序圖

由圖3可知，涉及到延時程序的要求為:

初始化。(1)將總線低480～960μs，然后釋放總線。(2)DS18B20等待15～60μs，然后返回低電平并持續(xù)60～240μs的存在脈沖。

寫時序。(1)將總線置低電平并且持續(xù)15μs后發(fā)送數(shù)據(jù)的某一位。(2)延時60～120μs然后將總線拉高并持續(xù)至少1μs的時間后開始下一次發(fā)送。

讀時序。(1)將總線置低電平，并且持續(xù)至少1μs，然后釋放總線。(2)釋放總線后15μs內(nèi)讀取并處理數(shù)據(jù)。(3)處理數(shù)據(jù)后延時，保證第一個步驟到延時結(jié)束時間至少60μs后為電阻上拉狀態(tài)。

采用延時程序的設(shè)計方法，利用 for循環(huán)編寫delay函數(shù)和_nop_()函數(shù)控制DS18B20。

通過以上延時程序的控制方法，DS18B20穩(wěn)定實現(xiàn)了溫度采集。充分說明了高效的延時程序設(shè)計，在開發(fā)一些需要使用到延時程序時，可以先用Keil C51先設(shè)計好延時程序，然后利用以上方法進行分析計算，最后直接調(diào)用，可節(jié)省大量的時間、提高CPU的使用效率［2，7－12］。

4 結(jié)束語

Keil C51具有強大的功能，只要利用合理，可以給開發(fā)者節(jié)省大量的時間，從而提高開發(fā)效率。另外在設(shè)計延時程序的時候，應(yīng)該綜合考慮各種延時程序的特點，以優(yōu)化CPU的使用效率。

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