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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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6 a2 K# U7 L( e4 T& m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+ W3 A" L6 i+ W& c
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; U7 v7 b! i$ o% t8 m

: _' X; t# I& U# c- q**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
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; ?9 W  G( J2 J! lLow-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
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4 C0 k! N+ ^. M& q6 y; v% y7 L: [**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。
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4 L5 U( n; r' Y1 jStandby 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。
1 ~7 N8 `( T) z1 a- \几种模式的相互转换关系:
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4 n& q1 H: n/ O5 D# E7 l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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7 \/ A! L/ D8 l$ ^. G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
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图为官方给出的标准参照' Q) T6 l) C! i3 e' `
具体的软件处理方法:5 g, @" \! a' |$ N
1:底层初始化HAL_Init();重置所有外设,FLASH 和Systick,
- x/ [5 K, R+ R2: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/ C. ^, [/ q5 ]. O. T- D
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
; B  Z& D+ S& @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 ~! I. J# D2 c) X/ G* [  @4:串口的配置及初始化,按照常规配置即可- E$ ^1 H5 T% Q$ T8 T+ Q
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。) O: Z: X7 U: x+ N
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
- I8 `6 R! Y# ^2 I  t' \2 c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
. ?2 t, M2 |! j0 w% {- z当WUCKSEL[2:1]=10时为:1s到18h。# }& l' W! K7 ?
当WUCKSEL[2:1]=11时约为:18h到36h。8 N* b$ N! x7 T
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% j/ C& Q* ]5 Y  s! |0 x# T3 d" n8 r+ ^
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) o. N9 K# Q% L. W* k2 k0 D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。
& y2 ~* l% ]; F- G) Z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。/ w  v- Z3 J' V! X: B$ x
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。
& l# w/ T/ V: S/ Z) O) n& U现在来看一下加入RTC的处理方法
. y9 |; G& \# Y, n: x4 ~1:底层初始化HAL_Init();重置所有外设,FLASH 和Systick,# g# B: ~1 U8 Q* ]6 w
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
$ v) H" N- v' M+ `$ g4 g9 [  E: \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- a  [5 c# d0 e: ?
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。
/ E% i8 Y0 \6 }/ c# n( D$ Z4:串口的配置及初始化,按照常规配置即可3 i/ \) _& y6 R" Q0 Y1 S8 G2 o
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)& p7 _' E8 r1 f
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。+ c% Q; E) r; L5 }) F' h
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。
8 q/ U( z/ C2 f% g# S* U, |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)
" H3 I) O3 |4 t- u4 @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。) u1 O# h3 z3 u! L3 E
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。
  f9 e4 F9 {8 @) ?7 w7 Y4 \! c综合来看,依需求来选择,/ ?( v  l! w5 p$ G
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
" @2 {/ x3 B& J) q4 b" z8 ]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 b: V  [- h, H6 |, z* y) p) \
还有存在的一些问题就是:9 U' B& O% Q; G) h1 L& p
1:串口和下载器对电流的测量很大,测量时要去掉。
% o  U* f- B  @6 |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 v: G+ S' p) c! X& T- C
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。9 _6 L( x: }# W- Z0 j3 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。' O: ^( Z& d2 l+ \

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