STM32-笔记43-低功耗

一、什么是低功耗？

        低功耗‌是指通过优化设计和采用特定的技术手段，降低电子设备在运行过程中消耗的能量，从而延长电池寿命、提高性能和减少发热。低功耗设计主要从芯片设计和系统设计两个方面进行，旨在减少所有器件的功率损耗，从而降低总体功耗‌。

低功耗_百度百科

        STM32的低功耗（low power mode）特性是其嵌入式处理器系列的一个重要优势，特别适用于需要长时间 运行且功耗敏感的应用场景，如便携式设备、物联网设备、智能家居系统等。

        在很多应用场合中都对电子设备的功耗要求非常苛刻，如某些传感器信息采集设备，仅靠小型的电池提供电源，要求工作长达数年之久，且期间不需要任何维护；由于智慧穿戴设备的小型化要求，电池体积不能太大导致容量也比较小，所以也很有必要从控制功耗入手，提高设备的续行时间。

二、STM32电源系统结构

三、低功耗模式介绍

STM32具有运行、睡眠、停止和待机四种工作模式。

上电后默认是在运行模式，当内核不需要继续运行时，可以选择后面三种低功耗模式。

3.1 睡眠模式（sleep mode）

        在睡眠模式下，CPU停止工作，但所有外设（如ADC、通信接口等）仍然运行，时钟继续运转。这适用于需要暂时关闭CPU但外围设备需要继续工作的场景。

模式特点：

• 对系统影响小，但是节能效果最差。
• 在睡眠模式下，所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态。

进入条件：

• 当系统控制寄存器中的SLEEPDEEP位被清除（通常为0），并且SLEEPONEXIT位根据需求设置时（如果设置为1，则在最低优先级中断处理程序退出时进入Sleep模式；如果为0，则执行WFI或WFE时立即进入）。
• 执行WFI（Wait For Interrupt）或WFE（Wait For Event）指令来进入。

唤醒条件：

• 任意一个中断都能将系统从Sleep模式唤醒。
• 如果执行WFE指令进入Sleep模式，则一旦发生唤醒事件时，MCU将唤醒。

3.2 停机模式（stop mode）

        在停机模式下，CPU和核心外围设备的时钟会停止，但部分唤醒源（如外部中断和某些定时器）仍然运行。这适用于需要长时间等待外部事件唤醒的应用，如等待用户输入或外部信号。Stop模式实现了非常低的功耗，同时保留了SRAM和寄存器的内容。

模式特点：

• 节能效果好，程序不会复位。但恢复时间较长（比如震荡器需要重新起震等）。
• 在停机模式下，所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态。
• 退出停止模式，HSI RC振荡器被选为系统时钟

进入条件：

• 需要将SLEEPDEEP位设置为1以进入深度睡眠模式，然后通过设置电源控制/状态寄存器（PWR_CSR）中的PDDS位为0来选择进入Stop模式。
• 根据需求设置LPDS位（LPDS = 0：表示在深睡眠模式下，电压调节器保持开启状态；LPDS = 1：表示在深睡眠模式下，电压调节器进入低功耗模式。）。
• 执行WFI（Wait For Interrupt）或WFE（Wait For Event）指令来进入。
• 在进入Stop模式之前，通常需要关闭不必要的外设时钟，并保存需要保留的状态信息。

唤醒条件：

• Stop模式可以通过外部中断（如按键中断、USART接收中断等）唤醒。
• RTC闹钟事件、USB唤醒、以太网（ETH）唤醒等也可以作为唤醒源，但这些通常需要通过外部中断来触发。

3.3 待机模式（standby mode）

        在该模式下，CPU、外围设备和时钟都被关闭，只保留唤醒逻辑和备份寄存器。这适用于不需要保留RAM内容且可以从复位状态恢复的设备，常见于需要极低功耗且稀疏唤醒的应用。Standby模式是STM32中功耗最低的模式之一。

模式特点：

• 节能效果最好，但程序会复位，只有少数条件唤醒。
• 在Standby模式下，大部分IO引脚处于高阻态，只有复位引脚、TAMPER引脚（如果配置为防侵入或校准输出）和WKUP引脚可用作唤醒源。

进入条件：

• Standby模式进入前，需要清除电源控制/状态寄存器（PWR_CSR）中的WUF位，以确保没有未处理的唤醒标志。
• 将SLEEPDEEP位设置为1以进入深度睡眠模式，并设置PDDS位为1来选择进入Standby模式。
• 执行WFI或WFE指令进入Standby模式。

唤醒条件：

• Standby模式可以通过WKUP引脚的上升沿唤醒。
• RTC闹钟事件也可以作为唤醒源。
• 独立看门狗（IWDG）复位和NRST引脚上的外部复位也可以唤醒STM32，但这通常用于系统复位而非低功耗唤醒。

图片展示如下：

四、寄存器及库函数介绍

关于低功耗模式都集中在电源控制模块下

4.1 电源控制寄存器(PWR_CR)

4.2 电源控制/状态寄存器(PWR_CSR)

 

4.3 系统控制寄存器（SCB_SCR）

System control register (SCB_SCR)

4.4 库函数

    //使能电源时钟（关闭电压调节器）
    __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
    //使能WKUP引脚唤醒功能
    HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);
    //清除唤醒标记，否则会持续唤醒，无法进入待机模式
    __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);

五、低功耗实验

实验目的：

1. 按下按键 2 ，进入低功耗模式（睡眠、停机、待机）；

2. 按下按键 1 ，退出低功耗模式；

3. 正常模式下， LED1 闪烁；

4.进入停机模式， LED2 长亮，退出停机模式，则 LED2 熄灭；

我们需要有一种方式，触发之后可以同时对三种低功耗模式进行唤醒，通过如下图可知

睡眠模式对任一中断都可以唤醒，停机模式对任一外部中断可以唤醒，待机模式对WKUP引脚产生上升沿可以唤醒。这里可以对WKUP引脚产生上升沿之后，设置中断处理函数，即可产生中断，并且WKUP引脚产生 的中断是一种外部中断。

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5.1 睡眠模式：

在lpwr.c函数中

//睡眠模式
void lpwr_enter_sleep(void)
{
    HAL_SuspendTick();//使用WFI，必须关闭滴答定时器中断，否则会把整个程序唤醒
    HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON,PWR_SLEEPENTRY_WFI);
}

在主函数中

uint8_t i=0;
    while(1)
    {
        if(key_scan() == 2)
        {
            lpwr_enter_sleep();
        }
        if(i%20 == 0)
            led1_Toggle();
        i++;
        delay_ms(10);
    }

测试睡眠模式时，会出现什么现象？

烧录代码之后led1以200ms的频率疯狂闪烁，此时摁下按键2，就会进入睡眠模式，led1可能会瞬间保持当前状态进入睡眠模式（可能是亮灯，也可能是灭灯状态），然后摁下按键1（WKUP引脚产生上升沿），就会通过中断退出睡眠模式，这时led1再次以200ms的状态疯狂闪烁。

在lpwr.c文件中HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON,PWR_SLEEPENTRY_WFI);函数，查看库文件发现：

翻译是：

（电压）调节器：在睡眠模式下是不使用（电压）调节器的，但是为了保持一致这里要使用这个参数。

当使用WFI入口时，如果不希望滴答定时器中断唤醒源，则必须取消勾选滴答中断。

5.2 停机模式：

在lpwr.c函数中

void lpwr_enter_stop(void)
{
    //关闭滴答定时器
    HAL_SuspendTick();
    //点亮led2，使其知道进入了停机模式
    led2_ON();
    //直接进入停机模式
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON,PWR_SLEEPENTRY_WFI);
    //熄灭led2，使其知道退出了停机模式
    led2_OFF();
}

在主函数中

    uint8_t i=0;
    while(1)
    {
        if(key_scan() == 2)
        {
            lpwr_enter_stop();
        }
        if(i%20 == 0)
            led1_Toggle();
        i++;
        delay_ms(10);
    }

测试停机模式，会出现什么现象？

        烧录上面代码会发现led1以200ms的速度疯狂闪烁，此时摁下按键2，led1会立刻以当前状态进入停机模式（可能是亮灯，也可能是灭灯状态），并且led1常亮，当摁下按键1时，led1从常亮状态变成熄灭状态，led2会从以200ms的闪烁的状态变成慢速度闪烁。

为什么led2会从以200ms的闪烁的状态变成慢速度闪烁？为什么不是原速度闪烁？

        因为停机模式第三条：退出停止模式，HSI RC振荡器被选为系统时钟。在原来振荡器是以系统时钟的频率进行震荡（72MHZ），当进入停止模式之后，再退出一次停止模式，振荡器会选择HSI RC（8MHZ），所以led2灯闪烁的状态会下降，如果需要变回原来的频率，需要在退出停止模式之后，再次配置系统时钟为振荡器。代码如下：

5.3 待机模式：

在lpwr.c函数中

//待机模式
void lpwr_enter_standby(void)
{
    //使能电源时钟（关闭电压调节器）
    __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
    //使能WKUP引脚唤醒功能
    HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);
    //清除唤醒标记，否则会持续唤醒，无法进入待机模式
    __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);
    //进入待机模式
    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
    //测试：看看代码会不会运行到下面
    led2_ON();
}

在主函数中

while(1)
    {
        if(key_scan() == 2)
        {
            lpwr_enter_standby();
        }
        if(i%20 == 0)
            led1_Toggle();
        i++;
        delay_ms(10);
    }

测试待机模式时，会出现什么现象？

        烧录代码之后，led1会以200ms的频率疯狂闪烁，当摁下按键2时，led1会立刻以当前状态进入待机模式（可能是亮灯，也可能是灭灯状态），然后摁下按键1之后，led1再次以200ms的频率疯狂闪烁，并且，在此期间，led2没有亮。

led2为什么没有亮？

        退出一次待机模式之后，代码会从主函数重新执行，而不是继续执行，所以led2没有亮。