【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

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文章简介:	STM32L4系列单片机的低功耗问题

基于STM32L4系列单片机的低功耗问题

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
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

**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

Low-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

**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。

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

**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。
几种模式的相互转换关系:

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）

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

图为官方给出的标准参照
具体的软件处理方法：
1：底层初始化HAL_Init();重置所有外设，FLASH 和Systick，
2：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
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
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。
4：串口的配置及初始化，按照常规配置即可
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Shutdowm模式。
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
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
当WUCKSEL[2：1]=10时为：1s到18h。
当WUCKSEL[2：1]=11时约为：18h到36h。
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

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。
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。
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。
现在来看一下加入RTC的处理方法
1：底层初始化HAL_Init();重置所有外设，FLASH 和Systick，
2：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
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
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。
4：串口的配置及初始化，按照常规配置即可
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)
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。
6：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。
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）
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。
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。
综合来看，依需求来选择，
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
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。
还有存在的一些问题就是：
1：串口和下载器对电流的测量很大，测量时要去掉。
2：然后下载完程序后需要重新上电，要不电流可能会有误。
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。
4：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。