STM32CubeMX学习笔记12 ---低功耗模式

在实际使用中很多产品都需要考虑低功耗的问题,STM32F10X提供了三种低功耗模式:睡眠模式(Sleep mode)、停机模式(Stop mode)和待机模式(Standby mode)。这些低功耗模式可以有效减少系统功耗,延长电池寿命,对于需要长时间运行的电池供电设备尤为重要。

注意:在进入低功耗模式时,STlink将无法下载程序,需要重启单片机!!

1、 低功耗模式简介

        系统或电源复位后,微处理器处于运行状态,运行状态下HCLK为CPU提供时钟,内核执行程序代码。当CPU不需继续运行时(例如等待某个外部事件),可以利用多个低功耗模式来节省功耗。用户需要根据最低电源消耗、最快速启动时间和可用的唤醒源等条件,选定一个最佳的低功耗模式。STM32提供了3种低功耗模式,以达到不同层次的降低功耗的目的: - 睡眠模式(CM3内核停止工作,外设仍在运行)(功耗最高) - 停止模式(所有时钟都停止)(典型电流消耗20uA左右) - 待机模式(1.8V内核电源关闭)(最低电流消耗2uA左右)

        在运行模式下,也可以通过如下方式降低功耗: - 降低系统时钟 - 关闭APB和AHB总线上未被使用的外设的时钟

一、睡眠模式

1、睡眠模式简介

        睡眠模式,它使处理器暂停执行,并且可以通过外部事件或中断来唤醒。在睡眠模式下,(Cortex™-M3内核停止,所有外设包括Cortex-M3核心的外设,如NVIC、系统时钟(SysTick)等仍在运行,以便在唤醒时快速恢复正常运行。

睡眠模式的进入:两种睡眠模式,SLEEP-NOW或 SLEEP-ON-EXIT。

SLEEP-NOW:如果SLEEPONEXIT位被清除,当WRI或WFE被执行时,微控制器立即进入睡眠模式。
SLEEP-ON-EXIT:如果SLEEPONEXIT位被置位,系统从最低优先级的中断处理程序中退出时,微控制器就立即进入睡眠模式。
睡眠模式的唤醒:两种唤醒方式,任一中断(WFI)或唤醒事件(WFE)。

WFI:任意一个中断的触发都能唤醒该模式。
WFE:唤醒事件

2、硬件设置

本实验用LED2指示灯提示系统正常运行,指示灯熄灭表示进入睡眠模式,S4按键用外部中断的方式来唤醒待机模式,并使用串口1打印相关调试信息

 3、STM32CubeMX设置

选择芯片STM32F103ZET6,建立工程,设置好工程名称及目录。

RCC设置外接HSE,时钟设置为72M。

设置串口1,并打开串口中断。

将PA0设置成外部中断模式,触发模式选择上升沿触发,GPIO Pull-up/Pull-down中选择Pull-up上拉,并命名为S4。使能外部中断,并将优先级都设置为2.

 输入工程名,选择工程路径(不要有中文),选择MDK-ARM V5;勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ;点击GENERATE CODE,生成工程代码

4、程序编程

在main.c文件中添加以下程序

int main(void)
{
while (1){printf1("Time: 5\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);     HAL_Delay(1000);printf1("Time: 4\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);       HAL_Delay(1000);printf1("Time: 3\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);     HAL_Delay(1000);printf1("Time: 2\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);       HAL_Delay(1000);printf1("Time: 1\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);     HAL_Delay(1000);printf1("进入睡眠模式!\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);   //进入睡眠模式// 挂起(暂停)系统时钟中断,这里是主要的减少功耗的地方HAL_SuspendTick();/* 进入睡眠模式, 等待任意中断唤醒 ,程序进入睡眠模式后就会在这里停住,往下的程序就不运行了,等待中断触发,就可以唤醒睡眠模式,然后继续运行往下的程序*/HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);/* 恢复系统时钟中断 */HAL_ResumeTick();printf1("退出睡眠模式!\r\n");}
}

编写外部中断函数

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin){delay(10);  //延时消抖,不建议if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_0)==1)printf1("STM32F103 EXTI test this key is S4\r\n"); //A0printf1("中断唤醒睡眠模式\r\n"); //A0}
}

5、下载验证:

程序编译无误后下载到板子上查看串口输出结果,以看到系统运行时LED2指示灯不断闪烁,5秒钟后进入睡眠模式,此时LDE2指示灯熄灭。当按下S4按键或复位按键时,睡眠模式被唤醒,系统继续运行,同时串口打印提示信息


                        

二、停机模式

1、停机模式简介


  停止模式是在Cortex™-M3的深睡眠模式基础上结合了外设的时钟控制机制,在停止模式下电压 调节器可运行在正常或低功耗模式。此时在1.8V供电区域的的所有时钟都被停止,PLL、HSI和 HSE RC振荡器的功能被禁止,SRAM和寄存器内容被保留下来。在停止模式下,所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态。当一个中断或唤醒事件导致退出停止模式时,会自动选用内部高速时钟(HSI RC振荡器)为系统时钟。

2、硬件设计

本实验用LED2指示灯提示系统正常运行,指示灯熄灭表示进入停机模式,S4按键用外部中断的方式来唤醒停机模式,并使用串口1打印相关调试信息。跟睡眠模式一致。

 3、STM32CubeMX设置

选择芯片STM32F103ZET6,建立工程,设置好工程名称及目录。

RCC设置外接HSE,时钟设置为72M。

设置串口1,并打开串口中断。

将PA0设置成外部中断模式,触发模式选择上升沿触发,GPIO Pull-up/Pull-down中选择Pull-up上拉,并命名为S4。使能外部中断,并将优先级都设置为2.

 输入工程名,选择工程路径(不要有中文),选择MDK-ARM V5;勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ;点击GENERATE CODE,生成工程代码

4、程序编程

在main.c文件中添加以下程序

int main(void)
{//****省略 ****//while(1){printf1("Time: 5\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);     HAL_Delay(1000);printf1("Time: 4\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);       HAL_Delay(1000);printf1("Time: 3\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);     HAL_Delay(1000);printf1("Time: 2\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);       HAL_Delay(1000);printf1("Time: 1\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);     HAL_Delay(1000);printf1("进入停机模式!\r\n");// 暂停滴答时钟,防止通过滴答时钟中断唤醒HAL_SuspendTick();/* 进入停止模式,设置电压调节器为低功耗模式,等待中断唤醒 */HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON,PWR_STOPENTRY_WFI);//在此停止//唤醒后需要重新配置RCC时钟才能正常运行SYSCLKConfig_STOP();// 被唤醒后,恢复滴答时钟HAL_ResumeTick();printf1("退出停机模式!\r\n");}
}//重新配置RCC时钟函数
static void SYSCLKConfig_STOP(void)
{RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};uint32_t pFLatency = 0;/* 启用电源控制时钟 */__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();/* 根据内部 RCC 寄存器获取振荡器配置 */HAL_RCC_GetOscConfig(&RCC_OscInitStruct);/* 从停止模式唤醒后重新配置系统时钟: 启用 HSE 和 PLL */RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {while (1){;}}/* 根据内部 RCC 寄存器获取时钟配置 */HAL_RCC_GetClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, &pFLatency);/* 选择 PLL 作为系统时钟源, 并配置 HCLK、PCLK1 和 PCLK2 时钟分频系数 */RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK;RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, pFLatency) != HAL_OK) {while (1) {;}}
}

编写外部中断函数

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin){delay(10);  //延时消抖,不建议if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_0)==1)printf1("STM32F103 EXTI test this key is S4\r\n"); //A0printf1("中断唤醒睡眠模式\r\n"); //A0}
}

5、下载验证:

程序编译无误后下载到板子上查看串口输出结果,以看到系统运行时LED2指示灯不断闪烁,5秒钟后进入停止模式,此时LDE2指示灯熄灭。当按下S4按键或复位按键时,停止模式被唤醒,系统继续运行,同时串口打印提示信息

三、待机模式

        本文仅对STM32的最低功耗模式(即待机模式)来做介绍。待机模式可实现STM32的最低功耗,该模式实在CM3深睡眠模式时关闭电压调节器,整个1.8V供电区域被断电,PLL/HSI/HSE振荡器也被断电,SRAM和寄存器内容丢失,仅备份的寄存器和待机电路维持供电 下图为STM32进入及退出待机模式的条件:

2、 硬件设计

本实验用LED2指示灯提示系统正常运行,指示灯熄灭表示进入待机模式,S4按键用来唤醒待机模式,并使用串口1打印相关调试信息

  • LED2指示灯
  • S4按键
  • USART1串口

3、STM32CubeMX设置

  • RCC设置外接HSE,时钟设置为72M
  • PE5(LED2)设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平
  • PA0(S4)设置为GPIO上拉输入模式,F103中指定PA0脚为唤醒引脚。
  • USART1选择为异步通讯方式,波特率设置为115200Bits/s,传输数据长度为8Bit,无奇偶校验,1位停止位

  • 输入工程名,选择工程路径(不要有中文),选择MDK-ARM V5;勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ;点击GENERATE CODE,生成工程代码 

4、程序编程

在main.c中添加一下程序

void Sys_Enter_Standby(void){__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();     //使能PWR时钟__HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);      //清除Wake_UP标志HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);   //设置WAKEUP用于唤醒HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();     //进入待机模式
}int main(void)
{
///****省略*****///while (1){printf1("Time: 5\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);     HAL_Delay(1000);printf1("Time: 4\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);       HAL_Delay(1000);printf1("Time: 3\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);     HAL_Delay(1000);printf1("Time: 2\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);       HAL_Delay(1000);printf1("Time: 1\r\n");HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);     HAL_Delay(1000);printf1("Entered Standby Mode...Please press KEY_UP to wakeup system!\r\n");Sys_Enter_Standby();		///* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}

 5、下载验证:

程序编译无误后下载到板子上查看串口输出结果,以看到系统运行时LED2指示灯不断闪烁,5秒钟后进入待机模式,此时LDE2指示灯熄灭。当按下S4按键或复位按键时,待机模式被唤醒,系统重新运行,同时串口打印提示信息

总结

1.1 睡眠模式
        在睡眠模式中,仅关闭了内核时钟,内核停止运行,但其片上外设,CM3 核心的外设全都还照常运行。有两种方式进入睡眠模式,它的进入方式决定了从睡眠唤醒的方式,分别是 WFI(wait for interrupt) 和 WFE(wait for event),即由等待“中断”唤醒和由“事件”唤醒。

特性和说明:

  • 立即睡眠: 在执行 WFI 或 WFE 指令时立即进入睡眠模式。
  • 退出时睡眠: 在退出优先级最低的中断服务程序后才进入睡眠模式。
  • 进入方式: 内核寄存器的 SLEEPDEEP=0 ,然后调用 WFI 或 WFE 指令即可进入睡眠模式;SLEEPONEXIT=1 时,进入“退出时睡眠”模式。
  • 唤醒方式: 如果是使用 WFI 指令睡眠的,则可使用任意中断唤醒;如果是使用 WFE 指令睡眠的,则由事件唤醒。
  • 睡眠时: 关闭内核时钟,内核停止,而外设正常运行,在软件上表现为不再执行新的代码。这个状态会保留睡眠前的内核寄存器、内存的数据。
  • 唤醒延迟: 无延迟。
  • 唤醒后: 若由中断唤醒,先进入中断,退出中断服务程序后,接着执行 WFI 指令后的程序;若由事件唤醒,直接接着执行 WFE 后的程序。

1.2 停止模式
        在停止模式中,进一步关闭了其它所有的时钟,于是所有的外设都停止了工作,但由于其 1.8V 区域的部分电源没有关闭,还保留了内核的寄存器、内存的信息,所以从停止模式唤醒,并重新开启时钟后,还可以从上次停止处继续执行代码。停止模式可以由任意一个外部中断(EXTI)唤醒,在停止模式中可以选择电压调节器为开模式或低功耗模式。

特性和说明:

  • 调压器低功耗模式: 在停止模式下调压器可工作在正常模式或低功耗模式,可进一步降低功耗。
  • 进入方式: 内核寄存器的 SLEEPDEEP=1,PWR_CR 寄存器中的 PDDS=0,然后调用 WFI 或 WFE 指令即可进入停止模式;PWR_CR 寄存器的 LPDS=0 时,调压器工作在正常模式,LPDS=1 时工作在低功耗模式。
  • 唤醒方式: 如果是使用 WFI 指令睡眠的,可使用任意 EXTI 线的中断唤醒;如果是使用 WFE 指令睡眠的,可使用任意配置为事件模式的 EXTI 线事件唤醒。
  • 停止时: 内核停止,片上外设也停止。这个状态会保留停止前的内核寄存器、内存的数据。
  • 唤醒延迟: 基础延迟为 HSI 振荡器的启动时间,若调压器工作在低功耗模式,还需要加上调压器从低功耗切换至正常模式下的时间。
  • 唤醒后: 若由中断唤醒,先进入中断,退出中断服务程序后,接着执行 WFI 指令后的程序;若由事件唤醒,直接接着执行 WFE 后的程序。唤醒后,STM32 会使用 HSI 作为系统时钟。

1.3 待机模式
        待机模式,它除了关闭所有的时钟,还把 1.8V 区域的电源也完全关闭了,也就是说,从待机模式唤醒后,由于没有之前代码的运行记录,只能对芯片复位,重新检测 boot 条件,从头开始执行程序。它有四种唤醒方式,分别是 WKUP(PA0)引脚的上升沿,RTC 闹钟事件,NRST 引脚的复位和 IWDG(独立看门狗)复位。

特性和说明:

  • 进入方式: 内核寄存器的 SLEEPDEEP=1,PWR_CR 寄存器中的 PDDS=1,PWR_CR 寄存器中的唤醒状态位 WUF=0,然后调用 WFI 或 WFE 指令即可进入待机模式。
  • 唤醒方式: 通过 WKUP 引脚的上升沿,RTC 闹钟、唤醒、入侵、时间戳事件或 NRST 引脚外部复位及 IWDG 复位唤醒。
  • 待机时: 内核停止,片上外设也停止;内核寄存器、内存的数据会丢失;除复位引脚、RTC_AF1 引脚及 WKUP 引脚,其它 I/O 口均工作在高阻态。
  • 唤醒延迟: 芯片复位的时间。
  • 唤醒后: 相当于芯片复位,在程序表现为从头开始执行代码。

WFI与WFE命令

我们了解到进入各种低功耗模式时都需要调用 WFI 或 WFE 命令,它们实质上都是内核指令,在库文件 core_cm3.h 中把这些指令封装成了函数。

/** brief 等待中断等待中断 是一个暂停执行指令暂停至任意中断产生后被唤醒
*/
#define __WFI        __wfi /** brief 等待事件等待事件 是一个暂停执行指令暂停至任意事件产生后被唤醒
*/
#define __WFE        __wfe

对于这两个指令,我们应用时一般只需要知道,调用它们都能进入低功耗模式,需要使用函数的格式“__WFI();”和“__WFE();”来调用(因为__wfi 及__wfe 是编译器内置的函数,函数内部调用了相应的汇编指令)。

其中 WFI 指令决定了它需要用中断唤醒,而 WFE 则决定了它可用事件来唤醒。

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