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【经验分享】STM32L4系列单片机的低功耗问题

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STMCU小助手 发布时间:2022-1-2 09:00
基于STM32L4系列单片机的低功耗问题
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首先看ST关于L4系列的官方文档官方给出了多个低功耗模式并且介绍了这几种模式  g9 `" i" R  A1 y# L" H7 ?
Sleep mode:CUP时钟关闭,IO口保持与运行状态相同的状态。可由wake事件,NVIC,SysTick,外部中断等,无唤醒时间,唤醒后执行唤醒源中断回调函数(和标准库中断服务函数功能一样,但意义不同),然后按原来代码执行: t- j# v4 R$ A) ^' B3 g
, o7 ]9 q) c: U: [: o4 I$ _3 T& ~4 E
**Low-power run mode:**当系统时钟频率降低到2MHZ以下时,即可实现此模式。代码可从SRAM或闪存中执行。调整器处于低功耗模式,以最小化调整器的工作电流。IO口保持与运行状态相同的状态,退出此模式需按照三步1:清除PWR CR1寄存器中的LPR位,强制调整器进入主模式。2:等待直到PWR SR2寄存器中的REGLPF 位被清除3:增加时钟频率
. W' `  {; X# }" D5 [, H
! h+ W9 u# h+ W1 G9 MLow-power sleep mode: 此模式从Low-power run mode进入,IO口状态与运行模式相同,可由外部中断,wake事件唤醒,无唤醒时间,唤醒后执行中断回调函数,后按原来代码执行
* e* [( _% }/ s
# P* J$ A/ L  U! l" c- @3 I**Stop 0, Stop 1 and Stop 2 modes:**此模式中SRAM1,SRAM2和寄存器中的内容都将保留,所有时钟在VCORE 域停止,PLL,MSI,HSI16,HSE禁止。LSE和LSI保持运行,RTC可保持运行,一些具有唤醒功能的外设也可等待唤醒条件。在STOP2模式下,大多数的VCORE域处于低泄漏状态。SPOP1模式提供了最多数量的活动外设和唤醒源,唤醒时间较小,但电流比STOP2消耗更多,在STOP0模式主调节器仍然时开着的,这允许最快的唤醒时间,但消耗多。功耗大小SPOP2< STOP1<STOP0.可由wake事件,外部中断唤醒。当退出SPOP模式时时钟源可选MSI或HSI16这取决于软件配置。退出后执行唤醒源中断回调,后按主代码执行。+ r. e9 g# C  z( @7 W8 }
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Standby mode: VCORE域是关闭电源的。然而,它可以保留SRAM2的内容:待机模式与SRAM2保留当位RRS被设置在CR3寄存器,在这种情况下。SRAM2由低功率调节器提供。在PWR CR3寄存器中清除位RRS时的备用模式。在这种情况下,主调节器和低功率调节器电源关闭,所有的时钟在VCORE域停止,PLL,MSI,HSI16和HSE被禁止。LSI和LSE可以继续运行。IO口可配置位上拉或下拉或模拟。RTC可以保持。外部中断和wake时间唤醒等可退出Standby模式,唤醒后系统复位
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**Shutdown:**VCORE域电源关闭,所有时钟在VCORE停止,PLL,MSI,HSI16,HSE禁止,LSE可以保持运行,系统时钟,当退出Shutdowm模式MSI在4MHZ在这种模式下电源监控是关闭的。IO口可配置成 上拉,下拉,模拟。可用wake事件唤醒,io口外部中断,唤醒后系统复位。( ^- Q' r$ H- p  N
几种模式的相互转换关系:# e  x% i" l5 w
2 C" }9 e) t: y" c+ N
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3 p1 ~0 a; `! k( N$ @
# P2 i1 W$ t& k6 d' u由这几种模式转换且保持系统运行无异常,最初我选择了Run mode(运行)和Shutdown mode 和Standby mode 模式进行测试,手里的板子的MCU是STM32L31RCT6.对比官方库中的测试和自己的工程看电流,刚开始测试的时候电流差距很大,首先找硬件原因,因为我使用的不是ST官方的板,无引出的电流测试点,所以我测的是整体板子的电流,我所使用的板子比较简单,无任何外设,去除5转3.3芯片,直接使用3.3v供电,单片机的启动模式为模式0在FLASH中启动 BOOT0和B00T1设置为上拉电阻。(BOOT0和BOOT1一定要处理好影响电流很大)
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) i& ~, V0 z9 X+ ~8 ]9 b首先单独测试Shutdown模式,最初测试的时候电流还是很大,在经过硬件与软件的结合后最终电流最低可达到0.03uA 且可由外部中断唤醒。加上RTC周期唤醒后,电流最低到0.52uA$ q/ {" B  E; @% A
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) i  b: S4 v' a- Y0 U! ~- q/ ]
0 G) y! D6 ?5 l' u4 h# C/ Q
图为官方给出的标准参照' R" u5 w# a( x* b
具体的软件处理方法:# g8 D  O* C5 w) r) }
1:底层初始化HAL_Init();重置所有外设,FLASH 和Systick,
) x& L9 j/ G8 K' s) b2:系统时钟配置SystemClock_Config();STM32L4最高时钟可跑到80M,我在STM32Cube中时钟设置为72MHZ因为现在只是测试低功耗对系统的运行速度无太大要求. F/ H. E. I" v# I( j3 X
3:开启所用时钟MX_GPIO_Init();在这我开启了所有时钟,并在此处将没
0 t- B" y/ @; g; j, |6 m6 l# {用到的引脚全部设置为模拟输入,外设我只用了串口.并开启外部中断。% p8 u! h1 W; D( t# |8 B
4:串口的配置及初始化,按照常规配置即可
, k6 t2 u$ i# J5 e: Q7 O! k5:进入低功耗模式前的准备,首先在此函数中禁用Debug调试端口,关闭所有时钟。关闭串口,然后进入Shutdowm模式。& W3 b4 u4 \$ |7 W4 \: l2 T
进入Standy模式和Shutdowm模式软件配置相同只不过最后进入的是Standy模式,Standy模式测试电流为0.12uA 加入RTC后电流大约在0.63uA, L, [9 X, H# X% l6 b$ U
在之后唤醒这一开始使用的RTC周期唤醒即HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT()函数,此函数使用的是一个16位可编程自动重载递减计数器(RTC_WUTR)生成,可用于周期性中断/唤醒。此唤醒定时器的时钟输入可以是:2,4,8或16分频的RTC时钟,也可以是ck_spre时钟(一般为1HZ)当使用RTC时钟时,可配置的唤醒中断介于122us和32s之间。当使用ck_spre时钟的时候唤醒时间为1s到36h左右分辨率为1s,这个范围分为两个部分+ p. I+ |2 H: ]. b" {' B* f
当WUCKSEL[2:1]=10时为:1s到18h。4 L: a+ L: ?1 a' o
当WUCKSEL[2:1]=11时约为:18h到36h。1 W6 m* s! z1 r! s
在后一种情况下,会将2^16添加到16位计数器当前值(即扩展到17位,相当于最高位用WUCKSEL[1]代替) 如图7 g( D) l; e6 q; h& C8 L- m& k1 ]
% H; B0 G2 ~. h; ]) A5 L
20201215085412675.png

7 y4 @. n8 z+ V: l1 m3 I
0 w8 {& R2 C: L" p在使用RTC周期唤醒的时候 要清零WUTF标志,因为当计数器到0时,RTC_ISR寄存器的WUTF标志会置1,并且唤醒寄存器会使用其重载值重载,会出现进不去低功耗模式的情况。用此种方式退出低功耗模式,系统复位以及低功耗模式不会影响计数器的计数。% s9 x' Z5 Y- T& H) E  a
但是一开始的时候我并没有注意到唤醒Shutdown和Standy模式后会复位确实是周期性唤醒,但是每次都复位,这样不方便添加外部中断唤醒方式。(在软件的第五步进入低功耗模式前加入RTC唤醒函数,开启计数或者闹钟)闹钟的话根据所配置来唤醒,闹钟在唤醒Standy和Shutdown时也可以实现周期性唤醒。3 D6 B/ g6 r4 N6 k- |% e/ U
因此换用第三功耗小的模式,STOP2模式。STOP2无RTC可跑电流1.1uA,加入RTC后1.4uA左右。STOP2模式具体软件处理方法与整体框架相同。
8 ]! x! D: A: b% W' R现在来看一下加入RTC的处理方法
+ E8 }1 m+ U2 o9 }( Q* \$ S1:底层初始化HAL_Init();重置所有外设,FLASH 和Systick,
& V8 m, Y6 I" y& Z2:系统时钟配置SystemClock_Config();STM32L4最高时钟可跑到80M,我在STM32Cube中时钟设置为72MHZ因为现在只是测试低功耗对系统的运行速度无太大要求% @; E: J2 ]& a4 A$ S  @
3:开启所用时钟MX_GPIO_Init();在这我开启了所有时钟,并在此处将没
) j2 K" Q1 u3 s/ k  H* c, [用到的引脚全部设置为模拟输入,外设我只用了串口.并开启外部中断。5 E' q+ W; o5 E. W* G& Z
4:串口的配置及初始化,按照常规配置即可" `$ z5 K7 c+ z8 h3 i: h9 a
5:RTC初始化目的主要是为了开启RTC的时钟(如果需要RTC时钟需要另加时间配置函数,闹钟函数也可直接在此设置)8 J7 F% s3 O  W2 W- M" n
5:进入低功耗模式前的准备,首先在此函数中禁用Debug调试端口,关闭所有时钟。关闭串口,然后进入低功耗模式。
% x$ y& y! s* d$ k6:进入低功耗模式后,系统等待RTC计数减到0,发生中断,然后进入相应的中断服务函数。
* `3 }% \! |% i+ m; x2 Q3 y) _7:在服务函数中,重新初始化底层硬件并配置时钟,初始化所用外设,具体的函数功能在这添加,清除WKAEUP_pin标志,然后再次进入低功耗模式(除Shutdown和Standy)
* @( P$ O$ q- z; K( h3 s  ]加入外部中断唤醒,也只需开启对应引脚外设,开启中断,配置优先级,然后在低功耗模式只能上升沿触发中断,在中断服务函数中的处理与RTC唤醒中断服务函数一样。# E( X8 B1 W  \2 Y4 n7 O  y
因为复位和中断都不会引起RTC计数器的异样,所以这两个中断只要不是同时发生是不会产生冲突的。0 g/ Z6 o0 j7 X4 J
综合来看,依需求来选择," b( i; q+ H) z7 e; |, L
一:第一种方案可以使用RTC闹钟,实现按天唤醒,或按星期唤醒,当然RTC与Shutdown和Standy结合可以实现超低低功耗0.4uA左右,并加上这两种模式的唤醒复位的特性,也可实现周期唤醒,就是这样每唤醒一次都需要系统配置相应的RTC寄存器,时间长了可能对MCU有损坏; L. h3 r! G; L; j/ {
二:在就是使用wake计数器周期唤醒,搭配STOP模式,唤醒周期方便调节,精确度为S,电流达到1.4uA。
9 |  e4 g0 k$ N0 u7 {还有存在的一些问题就是:4 f  W9 p" L) l' ^) D, Z( d
1:串口和下载器对电流的测量很大,测量时要去掉。
( _. N6 A( u) V7 N6 ~2:然后下载完程序后需要重新上电,要不电流可能会有误。$ \( }& j& }- ^' b
3:然后就是外部中断我测试的时候硬件连接可能不规范,有些不稳定。
7 e, c" F2 i: U, o) z' x( B4:然后就是功耗问题,与官方的这几种功耗模式多多少少的有点差距,软件部分对比官方测试代码,没有什么本质上的区别。猜测可能是硬件部分,也有可能官方说的是MCU的功耗。
- y2 _. Q/ v% a
" m; _/ u9 S3 y" d; b0 ^7 R. {3 {
( w1 W$ ~/ {8 X9 U! E( p( @
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