低功耗STM32L-Discovery开发板评测（二）

阿呆提问时间：2013-5-22 17:04 /

众所周知，在饱受能源危机的今天，全球半导体行业一直致力研发新工艺，新架构IC，以求在提高性能的同时降低能耗，在移动互联的时代，更低能耗的产品意味着更能让市场接受，让用户青睐，从而易于主控市场，引领业界产品的布局与革新。爱板网立志为广大用户服务，发现，评测全球优异的开发板，提供可靠的数据供大家学习参考。上周爱板网发布了低功耗STM32L-Discovery开发板评测（一），从中我们已经初步了解过ST公司的诚意之作，这次，爱板网将更加详细的解析STM32L-DISCOVERY开发板。
MCU STM32T152RBT6
开发板的MCU决定了其具有什么样的特点，能开发什么样的外设，功能。通过先前评测中的数据，我们已经知道STM32L的低功耗特点，那ST公司是如何做到这一点的？这其中最大的功臣莫过于其基于新型工艺EnergyLite研发的32位MCUSTM32T152RBT6。

STM32T152RBT6为130纳米超低耗工艺，以LQFP64形式封装成10*10mm大小，它整合了工作频率为32MHz的高性能ARM Cortex™-M3 32位RISC内核、存储器保护单元(MPU)、高速嵌入式存储器(Flash存储器和RAM的容量分别高达128K字节和16K字节)，和大量连至2条APB总线的增强型I/O与外设。
这样介绍可能大家没什么概念，那先来看下STM32L的原理框图。

很明显，STM32T152RBT6是整个板子的核心大脑，通过IO口控制可以实现，触摸，仿真调试，LED，LCD,按键，电流测试等功能。尤为重要的是STM32T152RBT6支持多达7个低功耗运行模式，在前面的评测中我们已经一一测试过，那么这么多功能的实现，MCU内部又是要做到如何复杂？
STM32T152RBT6原理框图

STM32T152RBT6内部集成了1个12位ADC、2个DAC、2个超低功耗比较器、6个16位通用定时器和2个可以用作时基的基本定时器，另外集成式的LCD控制器内置有LCD电压发生器，让您最多能够驱动8个多路复用LCD，而且LCD的对比度不受电源电压的影响。
这么多功能又是如何相互协调工作的呢？从STM32T152RBT6原理框图我们可以看到，各个模块都是通过总线连在一起，这样我们可以通过软件配置MCU内部的寄存器来实现这些功能的打开或者关闭。可以自由的设定，关闭不需要运行的模块，进一步减小功耗。
IDD电流测试
初见STM32L开发板，除了好奇它配置什么型号的MCU，令一个值得探究的就是这块28-pin DIP封装的LCD显示屏，在高清大屏幕满街跑的时代，这么一块24段式LCD屏幕是干什么用呢？

依据笔者的使用感受，ST公司搭载这么一块LCD主要是出于为用户考虑，能比较方便的评估其MCU的性能。在上篇评测中我们已经初步了解了通过LCD的显示信息能了解开发板的上的触摸按键及功耗的情况，触摸按键的原理和之前的评测文Atmel之SAM4S Xplained开发板评测（二）中Qtouch原理类似，大家可以参考。值得注意的是，STM32L开发板实现触摸按键的IO口需要按照规定的配对才能使用

例如从上图中我们可以看到，PA6与PA7组成一对，实现一个触摸按键的功能，PC4与PC5，PB0与PB1同理，如果想更加深入的了解ST公司的几种触摸技术，可以访问ST公司触摸屏的工业设计及layout。
我们接下来主要探讨IDD电流测试的原理。

U3：M74HC4060TTR 高速cmos 14级二进制计数器
U5：MAX9938FEUK+ 高精度电流检测放大器
U6：74H1G66STR cmos开关，高电平有效
U7：74LX1G04CTR 低电压cmos信号转换IC
U20：STS4DPF20L 双P型沟道功率MOSFET

ST公司在IDD电流检测电路上十分上用心，就单纯检测电路所涉及到的IC就多达5颗，比较有意思的是，其中有4颗都是自家的产品，可见ST公司有着丰富的产品线，在半导体行业内的地位举足轻重。而且在IDD_WAKEUP ,IDD_CNT_EN, IDD_Measurement 等信号线layout中加入了0欧姆的电阻，方便大家测量信号线状态以及用于调试。
要搞清楚它是如何测出功耗的?需要搞清楚的它各个模式下的工作原理。
1.高功耗电流的测量模式

插上USB电源线供电，IDD_CNT_EN信号脚被拉高，计数器U3实现复位功能，Q13脚输出低电平，P-MOSFET U20 S1脚与D1脚导通，电阻R22被短路，放大器U5直接与分流电阻R21连接。计数器U3的Q14引脚经过信号转换IC U7翻转为高电平，cmos开关 U6 C脚被拉高，开关打开，充电至电容C13， IDD_Measurement检测出电容C13上的电压，除以负载电阻R21，就能得到所测得的电流。
2.低功耗电流的测量模式

和高功耗电流的测量相比，低功耗电流的测量的原理相对复杂，有几条规则要注意

在 IDD_Measurement脚配置好ADC
配置PA0作为唤醒引脚
IDD_CNT_EN信号拉低后将进入低功耗电流的测量
IDD_CNT_EN信号拉低300ms后唤醒测量信号IDD_Measurement
唤醒IDD_Measurement后立即开启AD转换器以测量低功耗模式下电容C13上的电压
通过编程来复位（复位的时间要在IDD_WAKEUP拉高后150ms内）计数器置高IDD_CNT_EN信号来避免稍后电阻R22被连接在高功耗电流测量模式

可以对应下面STM32L低功耗电流测试模式下的时序图来理解

在高功耗工作模式下，要进入低功耗模式电流测量，首先MCU发出一个使能信号拉低IDD_CNT_EN引脚，150ms延迟后计数器U3的Q13被拉高，P-MOSFET U20 S1脚与D1脚截止，电阻R22被连接在电路中，此时电容C13储存的是电阻R22上的电压，又经过150ms延迟，计数器U3的Q14脚被拉高，P-MOSFET U20 S2脚与D2脚导通，IDD_WAKEUP被拉高，唤醒MCU测量信号IDD_Measurement，测得此时电容C13上的电压，再经过计算处理，就得到低功耗模式下的电流。工作原理虽然比较容易理解，但在实际电路设计中却要考虑各方面的因素，软硬件也要配合的相得益彰，不然哪怕只是一个小小的错误，也会导致整个电路瘫痪。
能不能换种方法测功耗？
答案是肯定的！如果你对自己之外的人设计的产品抱有怀疑的态度，如果你只相信自己实际动手看到的结果。那我告诉你，ST公司已经为你考虑到了，你只需准备一个安培表，或者是万用表，断开JP1短帽

把安培表或者万用表（注意万用表需要调到测量电流的功能）的探针分别连接中间一个引脚和off位置的引脚

此时你在安培表或者万用表上看到的数值就是STM32L开发板实际运行时的功耗。
总结
本篇评测主要给大家介绍了STM32L开发板硬件功能的实现，重点阐述了IDD电流分别在高功耗模式和低功耗模式时的工作原理。我们可以看到，在嵌入式的领域，一个功能的实现，软硬件是密不可分的，就如上面探讨的电流测量功能，时序控制的把握尤为重要。ST公司作为一个全球知名的半导体公司，其开发的STM32L开发板的确不负众望，经过笔者多次使用，效果还是相当满意的，有兴趣的朋友可以买一块玩玩，相信你得到的远超过你所期待的!
参考资料