吳挺運(yùn)，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(yǔ)言具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、語(yǔ)言功能齊全、使用靈活方便、開(kāi)發(fā)效率高，被廣泛應(yīng)用于在單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用中。在單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，經(jīng)常需要使用到延時(shí)程序，但C語(yǔ)言代碼執(zhí)行時(shí)間的可預(yù)見(jiàn)性和實(shí)時(shí)性較差，在開(kāi)發(fā)一些具有嚴(yán)格通信時(shí)序要求的系統(tǒng)時(shí)，往往需要反復(fù)調(diào)試延時(shí)代碼，給開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了較大困難。比如使用DS18B20進(jìn)行溫度測(cè)控時(shí)，必須按照其單總線(xiàn)通信協(xié)議，否則無(wú)法讀取溫度數(shù)據(jù)。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合Keil C51開(kāi)發(fā)工具和Proteus仿真軟件，介紹在Keil C51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，利用C語(yǔ)言編寫(xiě)的延時(shí)程序設(shè)計(jì)及其運(yùn)行的時(shí)間的計(jì)算方法［1－2］。

1 常用延時(shí)程序的設(shè)計(jì)方法

1.1 利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器延時(shí)

利用C51單片機(jī)內(nèi)部2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)精確的程序，由于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器不占用CPU的運(yùn)行時(shí)間，可以提高 CPU的使用效率。但假設(shè)使用12 MHz晶振，定時(shí)器工作在方式1模式下，其最長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間也只能達(dá)到65.53 ms，由此，可以采用中斷方式進(jìn)行溢出次數(shù)累加的方法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)程序設(shè)計(jì)。但在開(kāi)發(fā)過(guò)程中要考慮C51自動(dòng)對(duì)斷點(diǎn)的保護(hù)和重裝初值所帶來(lái)的延時(shí)誤差，也可以使用定時(shí)器工作在方式2模式下，減少重裝初值所帶來(lái)的誤差。

1.2 利用空操作實(shí)現(xiàn)延時(shí)

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

當(dāng)主程序調(diào)用delay()函數(shù)時(shí)，首先執(zhí)行LCALL指令，占用2個(gè)機(jī)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(gè)指令周期，最后執(zhí)行一個(gè)RET返回指令，一共占用5個(gè)機(jī)器周期。若要增加延時(shí)時(shí)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(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)，會(huì)降低成程序的可讀性［3－5］。

1.3 利用C語(yǔ)言中嵌套匯編程序?qū)崿F(xiàn)延時(shí)

與C語(yǔ)言相比，在編寫(xiě)匯編程序的時(shí)候可以清楚地知道執(zhí)行每一條指令所需的機(jī)器周期，從而精確確定其執(zhí)行時(shí)間。Keil C51開(kāi)發(fā)環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言中嵌入?yún)R編語(yǔ)言，可以在延時(shí)程序設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，精確確定延時(shí)時(shí)間。C語(yǔ)言中嵌入?yún)R編程序的方法［6］:

以12 MHz晶振為例，介紹C語(yǔ)言嵌套匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)延時(shí)程序:

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

1.4 利用for循環(huán)實(shí)現(xiàn)延時(shí)

在單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，for語(yǔ)句和while語(yǔ)句也經(jīng)常用于延時(shí)程序的設(shè)計(jì)。設(shè)晶振頻率為12 MHz，在調(diào)用延時(shí)函數(shù)時(shí)，一共需要18個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)delay函數(shù)中的實(shí)參改變時(shí)，函數(shù)的延長(zhǎng)時(shí)間變長(zhǎng)，具體的延時(shí)時(shí)間Δt=3×i+5×(i+1)+5。由于delay函數(shù)中變量的類(lèi)型為unsigned char，最大值為255，不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)。可以通過(guò)改變變量的類(lèi)型和利用for語(yǔ)句嵌套，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)，但是延時(shí)時(shí)間的計(jì)算和delay函數(shù)有差異。

表1 常用延時(shí)方法的比較

如表1所示，在設(shè)計(jì)延時(shí)程序時(shí)，應(yīng)該考慮延時(shí)的長(zhǎng)短，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的資源利用與二次開(kāi)發(fā)等情況進(jìn)而確定設(shè)計(jì)延時(shí)程序設(shè)計(jì)的方法。

2 延時(shí)時(shí)間的精確計(jì)算

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常需要知道代碼執(zhí)行的時(shí)間，以確定延時(shí)時(shí)間。在單片機(jī)開(kāi)發(fā)中經(jīng)常使用硬件或Keil C51中的一些功能來(lái)確定延時(shí)時(shí)間。下面通過(guò)在頻率12 MHz晶振下的一些實(shí)例進(jìn)行分析。

2.1 利用示波器確定延時(shí)時(shí)間

單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，經(jīng)常用示波器來(lái)確定代碼執(zhí)行的時(shí)間，如在延時(shí)后面進(jìn)行IO口中的某位電平翻轉(zhuǎn)，用示波器來(lái)觀察IO中某位輸出的標(biāo)準(zhǔn)PWM波形來(lái)確定延時(shí)時(shí)間，但是此方法必須是用來(lái)計(jì)算延時(shí)時(shí)間為毫秒級(jí)別的延時(shí)程序，否則會(huì)存在誤差因?yàn)樵谶M(jìn)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(shí)間。例如上面介紹的for循環(huán)編寫(xiě)的延時(shí)程序中，假設(shè)實(shí)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(xiě)入C51單片機(jī)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(shí)間分別為2 ms，即為以上延時(shí)程序所執(zhí)行的時(shí)間，由于示波器精度的問(wèn)題，存在誤差為2μs。所以用這種方法確定延時(shí)時(shí)間，會(huì)存在一定誤差。

2.2 利用Keil C51確定延時(shí)時(shí)間

2.2.1 Keil C51反匯編

對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的開(kāi)發(fā)者，可以利用Keil C51中反匯編的功能，仔細(xì)分析C語(yǔ)言轉(zhuǎn)化成的匯編代碼，從而也可以計(jì)算出代碼執(zhí)行所需的時(shí)間，精確得出延時(shí)時(shí)間。在Keil C51中編寫(xiě)好程序后，按ctrl+F5進(jìn)入軟件調(diào)試狀態(tài)，然后點(diǎn)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(shí)，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(gè)機(jī)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(yǔ)句被執(zhí)行了249次。最后執(zhí)行RET語(yǔ)句，占用2個(gè)機(jī)器周期。則delay函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間Δt=3×249+5×250+5=2 002μs。另外從上述匯編語(yǔ)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(gè)機(jī)器周期。

2.2.2 Keil C51軟件調(diào)試模式

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，還可以利用Keil C51編譯器中的斷點(diǎn)調(diào)試功能來(lái)模擬執(zhí)行延時(shí)代碼所需的時(shí)間。上述舉例進(jìn)入軟件調(diào)試狀態(tài)后如圖2所示。

圖2 對(duì)延時(shí)程序設(shè)置斷點(diǎn)

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(chēng)及其值?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置斷點(diǎn)的功能，每遇到斷點(diǎn)，程序會(huì)自動(dòng)停止在斷點(diǎn)處?！皊ec”中數(shù)據(jù)的變化即為程序執(zhí)行處到斷點(diǎn)處所需的時(shí)間。對(duì)上述程序?qū)帱c(diǎn)設(shè)置在“P1=P1^0x01”代碼處，然后點(diǎn)擊全速運(yùn)行可以得表2所示。

表2 sec顯示時(shí)間

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

3 應(yīng)用實(shí)例

DS18B20是一款單總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器，對(duì)其控制必須按照嚴(yán)格的時(shí)序要求，有3個(gè)重要時(shí)序，分別是初始化、讀以及寫(xiě)時(shí)序，時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 DS18B20時(shí)序圖

由圖3可知，涉及到延時(shí)程序的要求為:

初始化。(1)將總線(xiàn)低480～960μs，然后釋放總線(xiàn)。(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(xiě)時(shí)序。(1)將總線(xiàn)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(shí)60～120μs然后將總線(xiàn)拉高并持續(xù)至少1μs的時(shí)間后開(kāi)始下一次發(fā)送。

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

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

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

4 結(jié)束語(yǔ)

Keil C51具有強(qiáng)大的功能，只要利用合理，可以給開(kāi)發(fā)者節(jié)省大量的時(shí)間，從而提高開(kāi)發(fā)效率。另外在設(shè)計(jì)延時(shí)程序的時(shí)候，應(yīng)該綜合考慮各種延時(shí)程序的特點(diǎn)，以?xún)?yōu)化CPU的使用效率。

［1］LU Chao.Wireless granary temperature and humidity monitoring system［J］.Advanced Materials Research，2011(15):1536 －1540.

［2］盛文利.單片機(jī)C語(yǔ)言的精確延時(shí)程序設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004(10):67－69.

［3］盧超.糧倉(cāng)無(wú)線(xiàn)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011(9):161－164.

［4］盧超.分布式無(wú)線(xiàn)土壤電導(dǎo)率測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011(8):37－40.

［5］鄧全，李磊，彭鳳超.用Keil C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)精確延時(shí)的技術(shù)研究［J］.電光系統(tǒng)，2006(6):37－39.

［6］楊加國(guó).單片機(jī)C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合變成［J］.成都大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008(9):208－211.

［7］盧超.單片機(jī)系統(tǒng)中的抗干擾及可靠性設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)，2010(2):43－48.

［8］盧超.基于CAN總線(xiàn)分布式礦井溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011(9):94－99.

［9］盧進(jìn)軍.ASP.NET遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.通化師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(3):111－113

［10］盧超.禽舍內(nèi)環(huán)境濕度無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2011(12):135－138.

［11］盧超.基于AT89C51多路信號(hào)檢測(cè)和語(yǔ)音報(bào)警器的設(shè)計(jì)［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009(2):181 －184.

［12］Maxim Conpration.DS18B20:programmable resolution 1－wire digital thermometer［M］.USA:Maxim Conpration，2008.