stm32幾種低功耗模式的實(shí)現(xiàn)和差別
01
前言
按功耗由高到低排列，STM32具有運(yùn)行、睡眠、停止和待機(jī)四種工作模式。上電復(fù)位后 STM32 處于運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)核不需要繼續(xù)運(yùn)行，就可以選擇進(jìn)入后面的三種低功耗模式降低功耗，這三種模式中，電源消耗不同、喚醒時間不同、喚醒源不同，用戶需要根據(jù)應(yīng)用需求，選擇最佳的低功耗模式。三種低功耗的模式說明如下圖：
從表中可以看到，這三種低功耗模式層層遞進(jìn)，運(yùn)行的時鐘或芯片功能越來越少，因而功耗越來越低。
02
不同模式下軟件工作方式的對比
1、睡眠模式：在睡眠模式中，僅關(guān)閉了內(nèi)核時鐘，內(nèi)核停止運(yùn)行，但其片上外設(shè)，CM4核心的外設(shè)全都還照常運(yùn)行，在軟件上表現(xiàn)為不再執(zhí)行新的代碼。這個狀態(tài)會保留睡眠前的內(nèi)核寄存器、內(nèi)存的數(shù)據(jù)。喚醒后 ，若由中斷喚醒，先進(jìn)入中斷，退出中斷服務(wù)程序后，接著執(zhí)行 WFI指令后的程序；若由事件喚醒，直接接著執(zhí)行 WFE 后的程序。喚醒延遲：無延遲。（WFI:Wait For Interrupt，WFE:Wait For Event）
2、停止模式：在停止模式中，進(jìn)一步關(guān)閉了其它所有的時鐘，于是所有的外設(shè)都停止了工作，但由于其 1.2V 區(qū)域的部分電源沒有關(guān)閉，還保留了內(nèi)核的寄存器、內(nèi)存的信息，所以從停止模式喚醒，并重新開啟時鐘后，還可以從上次停止處繼續(xù)執(zhí)行代碼。喚醒后，若由中斷喚醒，先進(jìn)入中斷，退出中斷服務(wù)程序后，接著執(zhí)行 WFI指令后的程序；若由事件喚醒，直接接著執(zhí)行 WFE 后的程序。停止模式喚醒后，STM32會使用 HSI（f1的HSI為8M，f4為12M）作為系統(tǒng)時鐘。所以，有必要在喚醒以后，在程序上重新配置系統(tǒng)時鐘，將時鐘切換回HSE。喚醒延遲 ：基礎(chǔ)延遲為 HSI振蕩器的啟動時間，若調(diào)壓器工作在低功耗模式，還需要加上調(diào)壓器從低功耗切換至正常模式下的時間，若 FLASH 工作在掉電模式，還需要加上 FLASH 從掉電模式喚醒的時間。
3、待機(jī)模式：它除了關(guān)閉所有的時鐘，還把 1.2V區(qū)域的電源也完全關(guān)閉了，也就是說，從待機(jī)模式喚醒后，由于沒有之前代碼的運(yùn)行記錄，只能對芯片復(fù)位，重新檢測 boot條件，從頭開始執(zhí)行程序。
03
不同模式下喚醒方式對比
睡眠模式下，任一一個中斷都是可以喚醒的（針對調(diào)用WFI命令進(jìn)入的睡眠）；
停止模式下，是任一一個外部中斷才能喚醒，注意是任一外部中斷，不是任一中斷；
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待機(jī)模式又有所不同，外部中斷并不能喚醒待機(jī)模式，比較常見的喚醒有：
WKUP引腳上升沿（按下PA0，使之出現(xiàn)上升沿，只要PA0出現(xiàn)一個上升沿即可喚醒單片機(jī)，而不管這個上升沿持續(xù)多長時間，軟件上只需要在進(jìn)入待機(jī)模式之前，將PA0配置為喚醒功能即可）；
NRST引腳復(fù)位（即按下復(fù)位按鍵），這種方式是讓單片機(jī)重新復(fù)位了，這是硬件上的喚醒；
單片機(jī)系統(tǒng)重新上電，這跟第2點(diǎn)是一樣的，都是硬件復(fù)位。
04
不同模式下功耗的對比
目前這方面的資料比較少，stm32的中文參考手冊上提及的也比較少，因此以下內(nèi)容只能作為參考，stm32F1在停機(jī)模式下的功耗大概是20幾UA，而在待機(jī)模式下最低可以達(dá)到5UA；而stm32F4在停機(jī)模式下的功耗大概是350UA，而在待機(jī)模式下最低可以達(dá)到2.2UA。資料參考來源于正點(diǎn)原子《stm32f1開發(fā)指南》和《stm32f4開發(fā)指南》。
05
實(shí)際項目中應(yīng)用
在很多應(yīng)用場合中都對電子設(shè)備的功耗要求非?？量?，如某些傳感器信息采集設(shè)備，僅靠小型的電池提供電源，要求工作長達(dá)數(shù)年之久，且期間不需要任何維護(hù)；由于智慧穿戴設(shè)備的小型化要求，電池體積不能太大導(dǎo)致容量也比較小，所以也很有必要從控制功耗入手，提高設(shè)備的續(xù)行時間。其實(shí)，只要是涉及到便攜式的產(chǎn)品，都免不了要使用電池作為電源，否則，如果還是需要接一個插頭使用市電來供電的話，那就無法稱之為便攜式了， 比如手機(jī)、運(yùn)動手環(huán)、藍(lán)牙耳機(jī)、智能手表等都是類似的。所以，控制功耗，提高產(chǎn)品的續(xù)航時間，就顯得尤為重要。
目前來說，針對stm32而言，比較常用的低功耗模式是停止模式和待機(jī)模式。具體如下：
待機(jī)模式：在實(shí)際應(yīng)用中，通常會有一個開關(guān)機(jī)的按鍵（PA0），如果用戶按下按鍵的話，就會開機(jī)或者關(guān)機(jī)，開機(jī)對應(yīng)的就是喚醒，而關(guān)機(jī)對應(yīng)的就是待機(jī)（類似于手機(jī)的開關(guān)機(jī)按鍵）。在此過程中，電池會一直給單片機(jī)的3.3V電源供電，也就是說，單片機(jī)一直都是有電的，但是它的所有外設(shè)以及時鐘都處于關(guān)閉狀態(tài)，之所以還要給單片機(jī)供電，只是為了在用戶按下按鍵時檢測PA0的上升沿而已，如果不給單片機(jī)供電的話，那么還怎么檢測呢？檢測不了。
停止模式：按道理來說，待機(jī)模式的功耗遠(yuǎn)比停止模式要低，為什么還要選擇停止模式呢？通常是這樣的，一個便攜式的系統(tǒng)，除了考慮按鍵開關(guān)機(jī)以為，通常還需要給電池充電，而在充電的時候呢，往往需要顯示一些充電的信息（現(xiàn)在的手機(jī)充電就是這樣的），如果是在開機(jī)狀態(tài)下充電的話，完全沒有問題；但是，如果是在關(guān)機(jī)狀態(tài)下充電呢？如果是在關(guān)機(jī)狀態(tài)下充電，肯定就需要單片機(jī)能夠自己喚醒自己（不需要用戶按下PA0），然后才有可能在OLED上顯示充電的信息（手機(jī)關(guān)機(jī)了，或者沒有電了，接通電源以后，可以自動顯示充電的動畫，就是這樣做的）。
不按下PA0就實(shí)現(xiàn)喚醒功能，可以實(shí)現(xiàn)嗎？可以，只需要在硬件上做一些改動即可，比如，將充電口的電壓降壓以后跟PA0相連，這樣，只要充電口在充電，PA0必定會出現(xiàn)一個從低到高的脈沖，這樣就可以喚醒了。然而……，可是……，如果真的這么做的話，從軟件的層面上，到底應(yīng)該怎么樣來區(qū)分PA0的上升沿是由于充電造成的呢？還是由于用戶按下按鍵造成的呢（畢竟，如果是用戶按下按鍵的話，軟件上是要開機(jī)的，而如果只是充電，那么，只需要顯示一下充電的信息就好了）？恐怕不好判斷。
所以，這個時候，就可以考慮選擇停止模式了，開關(guān)機(jī)按鍵接到一個引腳，充電口接到另外一個引腳，兩個引腳都配置為外部中斷，兩個引腳也都可以喚醒單片機(jī)，分開了不同的信號電平，這樣子，在軟件上就可以很容易地判斷出，當(dāng)前到底是用戶按下按鍵，還是充電口在充電了。
改進(jìn)方式：針對第2點(diǎn)提出的問題，其實(shí)是有改進(jìn)空間的，改進(jìn)的空間就是在硬件上實(shí)現(xiàn)一個脈沖電路（在這里完全可以用一個簡單的RC延時就實(shí)現(xiàn)了），就是說充電口的電平再經(jīng)過一個RC電路以后，出來的就不會一直是高電平，而只是一個脈沖了，再把這個脈沖信號接到PA0即可，這個時候插入充電口和按下PA0就都會在PA0上出現(xiàn)一個脈沖了。軟件上，可以利用長按開機(jī)，再長按關(guān)機(jī)（或者是先短按再長按也行）的機(jī)制來進(jìn)行判別，如果PA0僅僅只是出現(xiàn)一個上升沿并且檢測到充電芯片正在充電，此時就是充電口插入了，喚醒單片機(jī)，顯示充電效果即可，如果是先短按再長按的話，就開機(jī)。
本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號“嵌入式案例Show”，作者潛Sir
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