MSP430單片機(jī)的軟硬件C延時(shí)程序設(shè)計(jì)

可讀性好,易于移植和維護(hù),已被很多單片機(jī)編程人員所采用。MSP430集成開發(fā)環(huán)境(如
IAR Embedded Workbench和AQ430)都集成了C編譯器和C語(yǔ)言級(jí)調(diào)試器C-SPY。但是C
語(yǔ)言難以實(shí)現(xiàn)精確延時(shí),這一直困擾著很多MSP430
單片機(jī)程序員。筆者在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中,遇到很多需要嚴(yán)格時(shí)序控制的接口器件,
如單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8820、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563(需要用普通]／o模擬12C
總線時(shí)序)、三線制數(shù)字電位器AD8402、CF卡(Compact Flash Card)等都需要μs級(jí)甚至納
ns級(jí)精確延時(shí);而一些慢速設(shè)備只需要ms到s級(jí)的延時(shí)。為此,
筆者提出了適合于不同延時(shí)級(jí)別需要的軟件或硬件精確延時(shí)方法,并已實(shí)際應(yīng)用,效果良好
,大大縮短了開發(fā)周期。 　
1 硬件延時(shí)
MSP430單片機(jī)系統(tǒng)程序多采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制,即在沒有外部事件觸發(fā)的情況下CPU
休眠于低功耗模式中。當(dāng)外部事件到來時(shí),產(chǎn)生中斷激活CPU,進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序(
ISR)中。中斷響應(yīng)程序只完成兩個(gè)任務(wù),一是置位相應(yīng)事件的標(biāo)志,二是使MCU
退出低功耗模式。主程序負(fù)責(zé)使MCU在低功耗模式和事件處理程序之間切換,
即在主程序中設(shè)一個(gè)無限循環(huán),系統(tǒng)初始化以后直接進(jìn)入低功耗模式。MCU被喚醒后,
判斷各標(biāo)志是否置位。如果是單一標(biāo)志置位,那么MCU執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序,
完成后轉(zhuǎn)入低功耗模式;若是有多個(gè)標(biāo)志同時(shí)置位,
主程序按照事先排好的消息隊(duì)列對(duì)它們依次判別并進(jìn)行處理,所有事件處理完畢以后MCU
休眠,系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)(該消息隊(duì)列的順序是按照任務(wù)的重要性設(shè)定的優(yōu)先級(jí))
。在這種前后臺(tái)系統(tǒng)中,由于主程序是無限循環(huán),就必須關(guān)閉看門狗,與其閑置,
不如用其定時(shí)器的功能作硬件延時(shí)。使用MSP430
單片機(jī)看門狗定時(shí)器實(shí)現(xiàn)任意時(shí)長(zhǎng)精確延時(shí),既滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)低功耗的要求,
也彌補(bǔ)了使用無限循環(huán)延時(shí)的時(shí)間難確定和占用CPU時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。通過下例,講解在同一
WDT ISR中完成不同時(shí)長(zhǎng)延時(shí)的技巧。
#pragma vector=WD_r_VECTOR
interrupt void WDT_Delay(void)
{
//看門狗中斷服務(wù)程序
if((DelayTime&Delay500ms)==Delay500ms)
{
//判斷需要500 ms延時(shí)的標(biāo)志是否置位
static unsigned int n250MS=O;
n250MS++;
if(n250MS==2)
{
//延時(shí)250ms×2=500ms
n250MS=0; //清零計(jì)數(shù)器
DelayTime＆=~Delay500ms;//復(fù)位標(biāo)志位
WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW;
1El＆=～WDTlE;//關(guān)閉看門狗定時(shí)器并禁止其中斷
}
}
if((DelayTime＆Delay30s)==Delay30s)
{
//判斷需要的30 s延時(shí)標(biāo)志是否置位
static unsigned int nS=0;
nS++;
if(nS==30){ //延時(shí)1 s×30=30 s
nS=0; //清零計(jì)數(shù)器
DelayTime＆=～Delay30s;//復(fù)位標(biāo)志位
WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW;
IEl&=～WDTlE; //關(guān)閉看門狗定時(shí)器并禁止其中斷
}
}
如果任務(wù)1需要500 ms的延時(shí),只需在需要延時(shí)處執(zhí)行如下語(yǔ)句：
WDTCTL=WDT_ADLY_250;
IE|=WDTIE; //①
DelayTime|=Delay500ms //②
while((DelayTime＆Delay500ms)==Delay500ms); //③
①處是配置看門狗工作在定時(shí)器模式,WDT每隔250 ms
產(chǎn)生一次中斷請(qǐng)求。可以根據(jù)需要改變時(shí)鐘節(jié)拍,在使用32768 Hz晶振作為時(shí)鐘源時(shí),
可以產(chǎn)生1．9ms、16 ms、250 ms和1000 ms的延時(shí)基數(shù)。在頭文件msp430xl4x．h中,將這
4種翻轉(zhuǎn)時(shí)間的WDT配置宏定義為：WDT_ADLY_1_9、WDT_ADLY_16、WDT_ADLY_250和
WDT_ADLY_1000。如果用DCOCLK作為SMCLK的時(shí)鐘源,WDT選擇SMCLK=1 MHz為時(shí)鐘源,
這樣可以有O．064 ms、0．5 ms、8 ms和32 ms延時(shí)基數(shù)可供使用。
②處設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位,方便WDT ISR判別并進(jìn)入相應(yīng)的延時(shí)分支。
③處一直判別DelayTime標(biāo)志組中的Delay500ms位,如果處于置位狀態(tài),
說明所需的延時(shí)未到,執(zhí)行空操作,直到延時(shí)時(shí)間到,在WDTISR中將Delay500ms復(fù)位,跳出
while()循環(huán),執(zhí)行下一條指令。
同理,如果任務(wù)2需要30 s延時(shí),通過WDTCTL=WDT_ADLY_1000激活WDT中斷,每隔1 s
進(jìn)中斷一次,在WDT ISR中判別標(biāo)志發(fā)現(xiàn)是Delay30s置位而不是Delay500ms執(zhí)行30 s
延時(shí)程序分支。每中斷一次,計(jì)數(shù)器nS加l,直到計(jì)到30,說明30 s延時(shí)完成,清零計(jì)數(shù)器,
停止看門狗(WETCTL=WE)THOLD+WDTPW;)可停止產(chǎn)生中斷,并復(fù)位該延時(shí)標(biāo)志,
以通知任務(wù)延時(shí)時(shí)間到,可以執(zhí)行下面的指令了。
在WDT ISR
中可以根據(jù)延時(shí)基數(shù)和計(jì)數(shù)器的搭配實(shí)現(xiàn)任意長(zhǎng)度的時(shí)間延時(shí)。在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí),
先確定所需的不同延時(shí)時(shí)間,然后在WDT。ISR
中添加相應(yīng)的延時(shí)分支即可。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II移植于MSP430
單片機(jī)就是使用看門狗定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍的。
對(duì)于系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單,只需要單一時(shí)長(zhǎng)的延時(shí)．而又要考慮系統(tǒng)功耗時(shí),
介紹另一種使用看門狗定時(shí)器中斷完成延時(shí)的方法。若要延時(shí)1 s,則設(shè)定WDT每250 ms
中斷一次。在需要延時(shí)處,啟動(dòng)看門狗定時(shí)器并允許其中斷,系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式3(共有5
種．模式)休眠。在中斷服務(wù)程序中對(duì)延時(shí)時(shí)間累加,當(dāng)達(dá)到1 s時(shí)喚醒CPU,
并停止看門狗定時(shí)器中斷。實(shí)例代碼如下：
void main(void)
{
WDTCTL=WDT_ADT_ADLY_250)//啟動(dòng)WDT,每250 ms中斷一次
IEII=WDTIE)//使能看門狗定時(shí)器中斷
BIS_SR(LPM3_bitS+GIE);//系統(tǒng)休眠于低功耗模式3,開總中斷
}
#pragrna vector=WDT_VECTOR
__interrupt void WDT_Delay(void)//看門狗中斷服務(wù)程序
{
statlc unsigned charn=4;
if(一一n==O){ //延時(shí)4×250 ms=1 s
_BlC_SR_IRQ(LPM3_blts);//將CPU從低功耗模式3喚醒
WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW：
IEl＆=～WDTIE;)//關(guān)閉看門狗定時(shí)器并禁止其中斷
}
這種方法充分發(fā)揮了MSP430系列的超低功耗特性,在等待延時(shí)的過程中,CPU
不需要一直判斷標(biāo)志位以得知延時(shí)結(jié)束,而是進(jìn)入省電模式。等待過程中,
只有極短的時(shí)間會(huì)在中斷服務(wù)程序中累計(jì)時(shí)間并進(jìn)行判斷。可以根據(jù)需要設(shè)置CPU
進(jìn)入不同的低功耗模式LPMx。如果系統(tǒng)使用了多種外設(shè)中斷,
并在其他中斷服務(wù)程序中也有喚醒CPU的語(yǔ)句,這種方法便不再適用了。
μs級(jí)延時(shí)不宜使用硬件延時(shí),因?yàn)轭l繁的進(jìn)出中斷會(huì)使CPU
用大量時(shí)間來響應(yīng)中斷和執(zhí)行中斷返回等操作。硬件延時(shí)的方法適用于ms
級(jí)以上的長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)。
2 軟件延時(shí)
在對(duì)數(shù)字溫度傳感器DS18820的操作中,用到的延時(shí)有：15 μs、90μs、270 μs、540 μ
s等。這些延時(shí)短暫,占用CPU時(shí)間不是太多,
所以比較適合軟件延時(shí)的方法。通過匯編語(yǔ)言編寫的程序,很容易控制時(shí)間,
我們知道每條語(yǔ)句的執(zhí)行時(shí)間,
每段宏的執(zhí)行時(shí)間及每段子程序加調(diào)用的語(yǔ)句所消耗的時(shí)間。因此,要用C
語(yǔ)言編制出較為精確的延時(shí)程序,就必須研究該段C程序生成的匯編代碼。
循環(huán)結(jié)構(gòu)延時(shí)：延時(shí)時(shí)間等于指令執(zhí)行時(shí)間與指令循環(huán)次數(shù)的乘積,舉例來講,
對(duì)如下延時(shí)程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。
void delay(unsigned int time){
while(time一一){};
在main()中調(diào)用延時(shí)函數(shù)delayr(n);得到的延時(shí)時(shí)間是多少,需要在MSP430
單片機(jī)的集成編譯環(huán)境IAR Em-bedded Wclrkbeneh IDE 3．10A中編制測(cè)試。
使用C430寫好一段可執(zhí)行代碼,在其中加入延時(shí)函數(shù),并在主函數(shù)中調(diào)用,以delay(1OO)
為例。設(shè)置工程選項(xiàng)Options,在Debugger欄中將Drivet選為Simulator,
進(jìn)行軟件仿真。在仿真環(huán)境C-SPY Debugger中,從菜單View中調(diào)出Disassembly和Register
窗口,前者顯示編程軟件根據(jù)C語(yǔ)言程序編譯生成的匯編程序,在后者窗口中打開CPU
Register子窗體,觀察指令周期計(jì)數(shù)器CYCLE-COUNTER。可以看到,delay()
編譯得到如下代碼段：
delav：
001112 OF4C mov．w R12,R15
OOlll4 0C4F mov．w R15．R12
001116 3C53 add．w #0xFFFF．R12
001118 0F93 tst．w R15
00111A FB23 jne deIay
單步執(zhí)行,觀察CYCI正COUNTER,發(fā)現(xiàn)每執(zhí)行一條指令,CYCLECOUNTER的值加1,說明這5
條指令各占用1個(gè)指令周期,循環(huán)體while()每執(zhí)行一次需要5個(gè)指令周期,
加上函數(shù)調(diào)用和函數(shù)返回各占用3個(gè)指令周期,delay(100)延時(shí)了5×100+6-506
個(gè)指令周期。只要知道指令周期,
就能容易的計(jì)算出延時(shí)時(shí)長(zhǎng)了。延時(shí)函數(shù)因循環(huán)語(yǔ)句和編譯器的不同,
執(zhí)行時(shí)間也有所不同,依照上述方法具體分析,可以達(dá)到靈活編程的目的。
MSP430的指令執(zhí)行速度即指令所用的周期數(shù),這里的時(shí)鐘周期指主系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK
的周期。單片機(jī)上電后,如果不對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置,默認(rèn)800 kHz的DCOCLK為MCLK和SMCLK
的時(shí)鐘源,LFXTl接32768 Hz晶體,工作在低頻模式(XTS=O)作為ACLK的時(shí)鐘源。CPU
的指令周期由MCLK決定,所以默認(rèn)的指令周期就是1／800 kHz=1．25μs。要得到lμs
的指令周期需要調(diào)整DCO頻率,即MCLK=1 MHz,只需進(jìn)行如下設(shè)置：BCSCTLl=XT20FF+RSEL2;
//關(guān)閉XT2振蕩器,設(shè)定DCO頻率為1 MHz
DCOCTL=DCO2
//使得單指令周期為lμs
并不是說MSP430單片機(jī)軟件延時(shí)最小的延時(shí)基準(zhǔn)是lμs,當(dāng)開啟XT2=8 MHz高頻振蕩器,
指令周期可以達(dá)到125 ns。MSP430F4XX系列的單片機(jī)由于采用了增強(qiáng)型鎖頻環(huán)技術(shù)FLL+,
可以將DCO頻率倍增到40MHz,從而得到最快25 ns的指令周期。
調(diào)用延時(shí)函數(shù)的方法適合于100 μs～1 ms之間的延時(shí),100μs
以下的短延時(shí)最好通過空操作語(yǔ)句_NoP()
或其任意個(gè)組合來實(shí)現(xiàn)。可使用宏定義實(shí)現(xiàn)需要的延時(shí),如要延時(shí)3 μs,則： #define
DELAY5US{_NOP();_NOP();_NOP();}　
結(jié)語(yǔ)
本文提出的基于MSP430
片內(nèi)看門狗定時(shí)器的硬件延時(shí)方案和軟件延時(shí)方法滿足了不同時(shí)寬級(jí)別的延時(shí)需求,
尤其軟件延時(shí),采用匯編程序分析法得到了延時(shí)函數(shù)準(zhǔn)確的延時(shí)時(shí)間,
大大提高了軟件延時(shí)精確度和程序調(diào)試效率,并在多種芯片接口程序中應(yīng)用,
運(yùn)行效果良好。