MCS51單片機(jī)邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時(shí)刻的測(cè)量

MCS51單片機(jī)系列屬于8位單片機(jī)，它是Intel公司繼MCS48系列的成功設(shè)計(jì)之后，于1980年推出的產(chǎn)品。由于MCS51系列具有很強(qiáng)的片內(nèi)功能和指令系統(tǒng)，因而使單片機(jī)的應(yīng)用發(fā)生了一個(gè)飛躍，這個(gè)系列的產(chǎn)品也很快成為世界上第二代的標(biāo)準(zhǔn)控制器。51系列單片機(jī)有5個(gè)中斷源，其中有2個(gè)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。 　　
1問題的引出
　　
幾乎國內(nèi)所有的單片機(jī)資料對(duì)單片機(jī)邊沿觸發(fā)中斷的響應(yīng)時(shí)刻方面的定義都是不明確的或者是錯(cuò)誤的。例如文獻(xiàn)[1]中關(guān)于邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時(shí)刻的描述為“對(duì)于脈沖觸發(fā)方式（即邊沿觸發(fā)方式）要檢測(cè)兩次電平，若前一次為高電平，后一次為低電平，則表示檢測(cè)到了負(fù)跳變的有效中斷請(qǐng)求信號(hào)”，但實(shí)際情況卻并非如此。
　　
我們知道,單片機(jī)外部輸入的中斷觸發(fā)電平是TTL電平。對(duì)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(biāo)稱值為3.6 V；輸出低電平的允許范圍為0~0.7 V，其標(biāo)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(shí)際應(yīng)用中，假設(shè)單片機(jī)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(hào)，單片機(jī)在某個(gè)時(shí)鐘周期采樣INT0引腳得到2.4 V的高電平；而在下一個(gè)時(shí)鐘周期到來進(jìn)行采樣時(shí)，由于實(shí)際的外部輸入中斷觸發(fā)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖酵枰欢ǖ臅r(shí)間，因此，檢測(cè)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(duì)于這種情況，單片機(jī)是否會(huì)依然置位中斷觸發(fā)標(biāo)志從而引發(fā)中斷呢？關(guān)于這一點(diǎn)，國內(nèi)的絕大部分教材以及單片機(jī)生產(chǎn)商提供的器件資料都沒有給予準(zhǔn)確的定義，但在實(shí)際應(yīng)用中這種情況確實(shí)會(huì)碰到。
　　
以美國Analog公司生產(chǎn)的運(yùn)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(shí)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(shí)間，下降沿才真正地由高電平下降為低電平，在實(shí)際應(yīng)用電路中，這個(gè)下降時(shí)間往往可達(dá)10 μs以上。對(duì)于精密的測(cè)量系統(tǒng)，這么長(zhǎng)的不確定時(shí)間是無法接受的，因此，有必要對(duì)單片機(jī)邊沿中斷觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行精確的測(cè)定。
　　
2測(cè)試波形的設(shè)計(jì)與分析
　　
為了測(cè)定MCS51單片機(jī)下降沿觸發(fā)的實(shí)際時(shí)刻，使用Agilent公司生產(chǎn)的型號(hào)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(jī)的外部中斷0輸入，可以測(cè)出下降沿中斷觸發(fā)的實(shí)際時(shí)刻，下面對(duì)該波形進(jìn)行具體分析。建立如圖2所示的直角坐標(biāo)。

圖2建立的直角坐標(biāo)設(shè)

　　
圖2所示波形的周期為T，單片機(jī)在電壓下降到y(tǒng)=y′時(shí)刻觸發(fā)中斷，t1′、t2′、t3′分別為前后周期的中斷觸發(fā)時(shí)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(jī)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(cè)取T1或者T2的值，從而可求出中斷發(fā)生時(shí)刻的電平值y′，即邊沿觸發(fā)中斷的實(shí)際時(shí)刻。
　　
在使用單片機(jī)對(duì)中斷時(shí)刻進(jìn)行測(cè)量時(shí)，使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器，均設(shè)為方式1(16位計(jì)數(shù)方式)。其中，第一個(gè)計(jì)數(shù)器用于記錄從程序開始執(zhí)行到第一個(gè)下降沿到來所經(jīng)歷的時(shí)間，第二個(gè)計(jì)數(shù)器用來記錄程序開始執(zhí)行到第二個(gè)下降沿到來所經(jīng)歷的時(shí)間，將兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相減便可以得到兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔。由前面的分析可知，該時(shí)間間隔可能有兩種情況： 一種是T1時(shí)間，即t1′與t2′之間的時(shí)間間隔；另一種是T2時(shí)間，即t2′與t3′之間的時(shí)間間隔。其中，T1＋T2＝T，T1時(shí)間要小于T2時(shí)間。通過測(cè)量得到T1或者T2時(shí)間,利用式(4)便可求得下降沿觸發(fā)中斷時(shí)刻的實(shí)際電平。
　　
3測(cè)試流程和相應(yīng)的單片機(jī)程序
　　
該單片機(jī)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?yàn)椋?

　　
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(shí)，在中斷返回后，還需對(duì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出值進(jìn)行校正。本實(shí)驗(yàn)采用偉福公司生產(chǎn)的H51/L仿真器為單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)得T1值為6.514 ms，由式(4)可得：y′=0.729 V，即當(dāng)y′約為0.73 V時(shí)，單片機(jī)下降沿觸發(fā)中斷。
　　
4結(jié)論
　　
本文通過設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)單的波形，對(duì)單片機(jī)的邊沿觸發(fā)中斷響應(yīng)時(shí)刻進(jìn)行了準(zhǔn)確的測(cè)量，從而糾正了國內(nèi)單片機(jī)學(xué)習(xí)資料在邊沿觸發(fā)中斷時(shí)刻方面的不明確定義，且最終結(jié)果經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。