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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( k9 P9 F2 B' q( e: Z5 i

0 k( U% ^- k) D4 \) z) Q( }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) z: P: f4 _2 C$ g( Q: j7 Z$ H
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9 b9 a. {$ d( z- f* c* Z
+ `7 H. g/ w4 X: W! j
**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& n& P# Y8 X* Y- K- _

( E7 T# }7 m5 x- b- dLow-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
8 y* \- n3 c- e7 p7 d3 n5 g: _
2 i  l% ]& l( d7 E2 F9 ]* J% z7 h**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。6 H( B- Z. I- F9 R# p. Y$ N! ~( i3 V
0 L2 ^* @6 [1 H4 w
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
$ H8 _! E6 _( D1 m
. q* O9 E. F- l3 W2 [/ \4 T+ w! a**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。" v! f6 c( T' k: X  r
几种模式的相互转换关系:
1 K$ E8 `  }5 D+ _4 g3 k; {0 n
5 b0 ]( P% j9 ^, T2 l3 c6 M5 D& O! c
20201215085233410.png

  e0 I& y$ @8 G3 j' c8 k
7 o- O% w& J" ?# H9 e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)
7 i' K4 B' e& U7 [( A7 @/ N
& n1 L6 e, s% \' r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0.52uA4 _% N* J1 Y& Y4 e
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" o% Q5 M5 L& l( W
; p- v( \+ Y2 Z0 F* _! t图为官方给出的标准参照8 z7 g  q& |& K9 f) T! E& e$ M" E
具体的软件处理方法:
3 C* |9 f4 B' [2 U$ p3 s+ Y8 b1:底层初始化HAL_Init();重置所有外设,FLASH 和Systick,
: S/ M( F) K; n& n; A9 K+ }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8 x/ h% K$ _! O, L
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
4 ~- }" l) J! }6 ]4 e  K/ F7 I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。1 ?4 u, ]4 e1 o  d0 z' G; ?' ~
4:串口的配置及初始化,按照常规配置即可
2 [+ P0 H% L; d: s1 d0 B( j5: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。" k" u% l" n- R6 e- I4 i- R
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
) i' T( X) n: ?! _3 v9 b$ X: 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' e% n8 y/ Q! D8 Y/ {
当WUCKSEL[2:1]=10时为:1s到18h。8 u* B: ^  c6 e) R5 q* n) o/ ]
当WUCKSEL[2:1]=11时约为:18h到36h。, \( r# \9 H8 p$ W( L
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; Q- i7 }0 O$ Y% j4 M6 |+ W8 \

- F0 O( G3 h; J' h) P8 R
20201215085412675.png

9 E. _# i& x+ A& G1 y* u4 r$ ~% w  d9 b) x$ q8 C( I# l' N
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。
! {5 L2 ^/ t: W7 ]! Q7 K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 M/ V: ^5 y' W. G8 Z; C+ Z2 T& N
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。
; t$ T- N4 B: F+ G: Z5 E现在来看一下加入RTC的处理方法! t0 V9 N5 d$ A8 m; P2 C: E
1:底层初始化HAL_Init();重置所有外设,FLASH 和Systick,
$ h4 m: d9 @4 B8 Z) |, p2: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
- r  {" M- C* K0 `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
3 k8 ^# _% s4 ?% k. |3 z4 u4 w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。" @0 ~4 h/ e9 |4 ]8 W" s; l
4:串口的配置及初始化,按照常规配置即可1 X% ]3 C3 \, f: M5 \- ?% m/ k
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)( _7 c- U8 T" L
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。* i" ~: K7 V0 C: c2 E. }6 E
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。
" x7 |$ u: _4 T8 [: k0 f: t0 u7: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). h: L! l5 g% c7 S- q( V/ Q* E6 g+ O
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。4 E7 H. v7 q9 G8 j1 ]
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。" Q6 B& V; P1 ^) m
综合来看,依需求来选择,4 ^9 u% a# K/ q3 M+ b* ~* b
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- F  k* N' R" ]; o  {( _, R; _
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。
% a/ ]; c' D% F# O还有存在的一些问题就是:
1 I# i# o  T0 \0 G! p/ M' T8 b: F1:串口和下载器对电流的测量很大,测量时要去掉。
0 F/ T1 |9 s% z) i- p: g0 f5 K2:然后下载完程序后需要重新上电,要不电流可能会有误。
' _1 ~2 F( P5 I3 |$ x3: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。+ D# V' `9 Y; c( ~
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。
! a' }$ V5 z5 L' n: Q
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