01
前言
按功耗由高到低排列,STM32 具有运行、睡眠、停止和待机四种工作模式。上电复位后 STM32 处于运行状态,当内核不需要继续运行,就可以选择进入后面的三种低功耗模式降低功耗,这三种模式中,电源消耗不同、唤醒时间不同、唤醒源不同,用户需要根据应用需求,选择最佳的低功耗模式。三种低功耗的模式说明如下图:
从表中可以看到,这三种低功耗模式层层递进,运行的时钟或芯片功能越来越少,因而功耗越来越低。
02
不同模式下软件工作方式的对比
1、睡眠模式:在睡眠模式中,仅关闭了内核时钟,内核停止运行,但其片上外设,CM4 核心的外设全都还照常运行,在软件上表现为不再执行新的代码。这个状态会保留睡眠前的内核寄存器、内存的数据。唤醒后 ,若由中断唤醒,先进入中断,退出中断服务程序后,接着执行 WFI 指令后的程序;若由事件唤醒,直接接着执行 WFE 后的程序。唤醒延迟:无延迟。(WFI:Wait For Interrupt,WFE:Wait For Event)
2、停止模式:在停止模式中,进一步关闭了其它所有的时钟,于是所有的外设都停止了工作,但由于其 1.2V 区域的部分电源没有关闭,还保留了内核的寄存器、内存的信息,所以从停止模式唤醒,并重新开启时钟后,还可以从上次停止处继续执行代码。唤醒后,若由中断唤醒,先进入中断,退出中断服务程序后,接着执行 WFI 指令后的程序;若由事件唤醒,直接接着执行 WFE 后的程序。停止模式唤醒后,STM32 会使用 HSI(f1 的 HSI 为 8M,f4 为 12M)作为系统时钟。所以,有必要在唤醒以后,在程序上重新配置系统时钟,将时钟切换回 HSE。唤醒延迟 :基础延迟为 HSI 振荡器的启动时间,若调压器工作在低功耗模式,还需要加上调压器从低功耗切换至正常模式下的时间,若 FLASH 工作在掉电模式,还需要加上 FLASH 从掉电模式唤醒的时间。
3、待机模式:它除了关闭所有的时钟,还把 1.2V 区域的电源也完全关闭了,也就是说,从待机模式唤醒后,由于没有之前代码的运行记录,只能对芯片复位,重新检测 boot 条件,从头开始执行程序。
03
不同模式下唤醒方式对比
- 睡眠模式下,任一一个中断都是可以唤醒的(针对调用 WFI 命令进入的睡眠);
- 停止模式下,是任一一个外部中断才能唤醒,注意是任一外部中断,不是任一中断;
- 待机模式又有所不同,外部中断并不能唤醒待机模式,比较常见的唤醒有:
1.WKUP 引脚上升沿(按下 PA0,使之出现上升沿,只要 PA0 出现一个上升沿即可唤醒单片机,而不管这个上升沿持续多长时间,软件上只需要在进入待机模式之前,将 PA0 配置为唤醒功能即可);
2.NRST 引脚复位(即按下复位按键),这种方式是让单片机重新复位了,这是硬件上的唤醒;
3. 单片机系统重新上电,这跟第 2 点是一样的,都是硬件复位。
04
不同模式下功耗的对比
目前这方面的资料比较少,stm32 的中文参考手册上提及的也比较少,因此以下内容只能作为参考,stm32F1 在停机模式下的功耗大概是 20 几 UA,而在待机模式下最低可以达到 5UA;而 stm32F4 在停机模式下的功耗大概是 350UA,而在待机模式下最低可以达到 2.2UA。资料参考来源于正点原子《stm32f1 开发指南》和《stm32f4 开发指南》。
05
实际项目中应用
在很多应用场合中都对电子设备的功耗要求非常苛刻,如某些传感器信息采集设备,仅靠小型的电池提供电源,要求工作长达数年之久,且期间不需要任何维护;由于智慧穿戴设备的小型化要求,电池体积不能太大导致容量也比较小,所以也很有必要从控制功耗入手,提高设备的续行时间。其实,只要是涉及到便携式的产品,都免不了要使用电池作为电源,否则,如果还是需要接一个插头使用市电来供电的话,那就无法称之为便携式了, 比如手机、运动手环、蓝牙耳机、智能手表等都是类似的。所以,控制功耗,提高产品的续航时间,就显得尤为重要。
目前来说,针对 stm32 而言,比较常用的低功耗模式是停止模式和待机模式。具体如下:
- 待机模式:在实际应用中,通常会有一个开关机的按键(PA0),如果用户按下按键的话,就会开机或者关机,开机对应的就是唤醒,而关机对应的就是待机(类似于手机的开关机按键)。在此过程中,电池会一直给单片机的 3.3V 电源供电,也就是说,单片机一直都是有电的,但是它的所有外设以及时钟都处于关闭状态,之所以还要给单片机供电,只是为了在用户按下按键时检测 PA0 的上升沿而已,如果不给单片机供电的话,那么还怎么检测呢?检测不了。
- 停止模式:按道理来说,待机模式的功耗远比停止模式要低,为什么还要选择停止模式呢?通常是这样的,一个便携式的系统,除了考虑按键开关机以为,通常还需要给电池充电,而在充电的时候呢,往往需要显示一些充电的信息(现在的手机充电就是这样的),如果是在开机状态下充电的话,完全没有问题;但是,如果是在关机状态下充电呢?如果是在关机状态下充电,肯定就需要单片机能够自己唤醒自己(不需要用户按下 PA0),然后才有可能在 OLED 上显示充电的信息(手机关机了,或者没有电了,接通电源以后,可以自动显示充电的动画,就是这样做的)。
不按下 PA0 就实现唤醒功能,可以实现吗?可以,只需要在硬件上做一些改动即可,比如,将充电口的电压降压以后跟 PA0 相连,这样,只要充电口在充电,PA0 必定会出现一个从低到高的脉冲,这样就可以唤醒了。然而……,可是……,如果真的这么做的话,从软件的层面上,到底应该怎么样来区分 PA0 的上升沿是由于充电造成的呢?还是由于用户按下按键造成的呢(毕竟,如果是用户按下按键的话,软件上是要开机的,而如果只是充电,那么,只需要显示一下充电的信息就好了)?恐怕不好判断。
所以,这个时候,就可以考虑选择停止模式了,开关机按键接到一个引脚,充电口接到另外一个引脚,两个引脚都配置为外部中断,两个引脚也都可以唤醒单片机,分开了不同的信号电平,这样子,在软件上就可以很容易地判断出,当前到底是用户按下按键,还是充电口在充电了。
改进方式:针对第 2 点提出的问题,其实是有改进空间的,改进的空间就是在硬件上实现一个脉冲电路(在这里完全可以用一个简单的 RC 延时就实现了),就是说充电口的电平再经过一个 RC 电路以后,出来的就不会一直是高电平,而只是一个脉冲了,再把这个脉冲信号接到 PA0 即可,这个时候插入充电口和按下 PA0 就都会在 PA0 上出现一个脉冲了。软件上,可以利用长按开机,再长按关机(或者是先短按再长按也行)的机制来进行判别,如果 PA0 仅仅只是出现一个上升沿并且检测到充电芯片正在充电,此时就是充电口插入了,唤醒单片机,显示充电效果即可,如果是先短按再长按的话,就开机。
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