MSP430的軟硬件C延時(shí)程序設(shè)計(jì)

  MSP430是超低功耗16位單片機(jī)，越來越受到電子工程師親睞并得到廣泛應(yīng)用。C程序直觀，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語言級(jí)調(diào)試器C—SPY。但是C語言難以實(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?？梢愿鶕?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：

      vold main(vold){

      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?？梢愿鶕?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)?！?/P>

  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 μs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。通過匯編語言編寫的程序，很容易控制時(shí)間，我們知道每條語句的執(zhí)行時(shí)間，每段宏的執(zhí)行時(shí)間及每段子程序加調(diào)用的語句所消耗的時(shí)間。因此，要用C語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?？梢钥吹?，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)*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*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)*好通過空操作語句_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()；}