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MSP430的軟硬件C延時程序設(shè)計
MSP430的軟硬件C延時程序設(shè)計
MSP430是超低功耗16位單片機，越來越受到電子工程師親睞并得到廣泛應(yīng)用,。因此,，上海正偉就此解析MSP430的軟硬件C延時程序設(shè)計，C程序直觀,，可讀性好,，易于移植和維護，已被很多單片機編程人員所采用,。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語言級調(diào)試器C—SPY,。但是C語言難以實現(xiàn)精確延時，這一直困擾著很多MSP430單片機程序員,。筆者在實際項目開發(fā)過程中,，遇到很多需要嚴格時序控制的接口器件，如單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8820、實時時鐘芯片PCF8563(需要用普通]／o模擬12C總線時序),、三線制數(shù)字電位器AD8402,、CF卡(Compact Flash Card)等都需要μs級甚至納ns級精確延時；而一些慢速設(shè)備只需要ms到s級的延時,。為此,，筆者提出了適合于不同延時級別需要的軟件或硬件精確延時方法，并已實際應(yīng)用,，效果良好,，大大縮短了開發(fā)周期。
1 . 硬件延時,
MSP430單片機系統(tǒng)程序多采用事件驅(qū)動機制,，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,。當外部事件到來時，產(chǎn)生中斷激活CPU,，進入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序(ISR)中,。中斷響應(yīng)程序只完成兩個任務(wù)，一是置位相應(yīng)事件的標志,，二是使MCU退出低功耗模式,。主程序負責使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)一個無限循環(huán),，系統(tǒng)初始化以后直接進入低功耗模式,。MCU被喚醒后，判斷各標志是否置位,。如果是單一標志置位,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；若是有多個標志同時置位,，主程序按照事先排好的消息隊列對它們依次判別并進行處理,，所有事件處理完畢以后MCU休眠，系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)(該消息隊列的順序是按照任務(wù)的重要性設(shè)定的優(yōu)先級),。在這種前后臺系統(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,，不如用其定時器的功能作硬件延時。使用MSP430單片機看門狗定時器實現(xiàn)任意時長精確延時,，既滿足了系統(tǒng)實時低功耗的要求,，也彌補了使用無限循環(huán)延時的時間難確定和占用CPU時間長的缺點。通過下例,，講解在同一WDT ISR中完成不同時長延時的技巧,。
#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延時的標志是否置位
static unsigned int n250MS=O,；
n250MS++；
if(n250MS==2){ ／／延時250ms×2=500ms
n250MS=0,； ／／清零計數(shù)器
DelayTime＆=~Delay500ms,；／／復(fù)位標志位
WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW;
1El＆=～WDTlE；／／關(guān)閉看門狗定時器并禁止其中斷
}
}
if((DelayTime＆Delay30s)==Delay30s){
／／判斷需要的30 s延時標志是否置位
static unsigned int nS=0,；
nS++,；
if(nS==30){ ／／延時1 s×30=30 s
nS=0； ／／清零計數(shù)器
DelayTime＆=～Delay30s,；／／復(fù)位標志位
WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW;
IEl&=～WDTlE,； ／／關(guān)閉看門狗定時器并禁止其中斷
}
}
}
如果任務(wù)1需要500 ms的延時，只需在需要延時處執(zhí)行如下語句：
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器模式,，WDT每隔250 ms產(chǎn)生一次中斷請求?？梢愿鶕?jù)需要改變時鐘節(jié)拍,，在使用32768 Hz晶振作為時鐘源時，可以產(chǎn)生1．9ms,、16 ms,、250 ms和1000 ms的延時基數(shù)。在頭文件msp430xl4x．h中,，將這4種翻轉(zhuǎn)時間的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的時鐘源,，WDT選擇SMCLK=1 MHz為時鐘源，這樣可以有O．064 ms,、0．5 ms,、8 ms和32 ms延時基數(shù)可供使用。
②處設(shè)置一個標志位,，方便WDT ISR判別并進入相應(yīng)的延時分支,。
③處一直判別DelayTime標志組中的Delay500ms位，如果處于置位狀態(tài),，說明所需的延時未到,，執(zhí)行空操作，直到延時時間到,，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,，通過WDTCTL=WDT_ADLY_1000激活WDT中斷，每隔1 s進中斷一次,，在WDT ISR中判別標志發(fā)現(xiàn)是Delay30s置位而不是Delay500ms執(zhí)行30 s延時程序分支,。每中斷一次，計數(shù)器nS加l,，直到計到30,，說明30 s延時完成，清零計數(shù)器,，停止看門狗(WETCTL=WE)THOLD+WDTPW,；)可停止產(chǎn)生中斷，并復(fù)位該延時標志,，以通知任務(wù)延時時間到,，可以執(zhí)行下面的指令了。
在WDT ISR中可以根據(jù)延時基數(shù)和計數(shù)器的搭配實現(xiàn)任意長度的時間延時,。在系統(tǒng)程序設(shè)計時,，先確定所需的不同延時時間，然后在WDT,。ISR中添加相應(yīng)的延時分支即可,。嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS—II移植于MSP430單片機就是使用看門狗定時器產(chǎn)生時鐘節(jié)拍的。
對于系統(tǒng)比較簡單,，只需要單一時長的延時．而又要考慮系統(tǒng)功耗時,，介紹另一種使用看門狗定時器中斷完成延時的方法。若要延時1 s,，則設(shè)定WDT每250 ms中斷一次,。在需要延時處，啟動看門狗定時器并允許其中斷,，系統(tǒng)進入低功耗模式3(共有5種．模式)休眠,。在中斷服務(wù)程序中對延時時間累加，當達到1 s時喚醒CPU,，并停止看門狗定時器中斷,。實例代碼如下：
vold main(vold){
WDTCTL=WDT_ADT_ADLY_250)
／／啟動WDT,每250 ms中斷一次
IEII=WDTIE)／／使能看門狗定時器中斷
_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,，在等待延時的過程中,，CPU不需要一直判斷標志位以得知延時結(jié)束，而是進入省電模式,。等待過程中,，只有極短的時間會在中斷服務(wù)程序中累計時間并進行判斷?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)置CPU進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的語句,，這種方法便不再適用了,。
μs級延時不宜使用硬件延時，因為頻繁的進出中斷會使CPU用大量時間來響應(yīng)中斷和執(zhí)行中斷返回等操作,。硬件延時的方法適用于ms級以上的長時間延時,。
2 . 軟件延時
在對數(shù)字溫度傳感器DS18820的操作中,，用到的延時有：15 μs,、90μs、270 μs,、540 μs等。這些延時短暫,，占用CPU時間不是太多,，所以比較適合軟件延時的方法。通過匯編語言編寫的程序,，很容易控制時間,，我們知道每條語句的執(zhí)行時間，每段宏的執(zhí)行時間及每段子程序加調(diào)用的語句所消耗的時間,。因此,，要用C語言編制出較為精確的延時程序，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：延時時間等于指令執(zhí)行時間與指令循環(huán)次數(shù)的乘積,，舉例來講，對如下延時程序進行實驗分析,。
void delay(unsigned int time){
while(time一一){},；
在main()中調(diào)用延時函數(shù)delayr(n)；得到的延時時間是多少,，需要在MSP430單片機的集成編譯環(huán)境IAR Em—bedded Wclrkbeneh IDE 3．10A中編制測試,。
使用C430寫好一段可執(zhí)行代碼，在其中加入延時函數(shù),，并在主函數(shù)中調(diào)用,，以delay(1OO)為例,。設(shè)置工程選項Options，在Debugger欄中將Drivet選為Simulator,，進行軟件仿真,。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，觀察指令周期計數(shù)器CYCLE—COUNTER,?？梢钥吹剑琩elay()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個指令周期，循環(huán)體while()每執(zhí)行一次需要5個指令周期,，加上函數(shù)調(diào)用和函數(shù)返回各占用3個指令周期,，delay(100)延時了5×100+6—506個指令周期。只要知道指令周期,，就能容易的計算出延時時長了,。延時函數(shù)因循環(huán)語句和編譯器的不同，執(zhí)行時間也有所不同,，依照上述方法具體分析,，可以達到靈活編程的目的。
MSP430的指令執(zhí)行速度即指令所用的周期數(shù),，這里的時鐘周期指主系統(tǒng)時鐘MCLK的周期,。單片機上電后，如果不對時鐘系統(tǒng)進行設(shè)置,，默認800 kHz的DCOCLK為MCLK和SMCLK的時鐘源,，LFXTl接32768 Hz晶體，工作在低頻模式(XTS=O)作為ACLK的時鐘源,。CPU的指令周期由MCLK決定,，所以默認的指令周期就是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單片機軟件延時最小的延時基準是lμs,，當開啟XT2=8 MHz高頻振蕩器,，指令周期可以達到125 ns。MSP430F4XX系列的單片機由于采用了增強型鎖頻環(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)用延時函數(shù)的方法適合于100 μs～1 ms之間的延時,，100μs以下的短延時最好通過空操作語句_NoP()或其任意個組合來實現(xiàn),。可使用宏定義實現(xiàn)需要的延時,，如要延時3 μs,，則：
#define DELAY5US{_NOP();_NOP()；_NOP(),；}