STM32低功耗实验学习日记

STM32低功耗实验学习日记

写于2024/9/25晚

1. 简介

我们将介绍 STM32F103 的电源控制（PWR），并实现低功耗模式相关功能。我们将通过四个实验来学习并实现低功耗相关功能，分别是 PVD 电压监控实验、睡眠模式实验、停止模式实验和待机模式实验

2. STM32F1电源系统

电源控制部分（PWR）概述了不同电源域的电源架构以及电源配置控制器。PWR 的内容比较多，我们把它们的主要特性概括为以下 3 点：

• 电源系统：VDDA供电区域、VDD供电区域、1.8V 供电区域、后备供电区域。

• 电源监控：POR/PDR 监控器、PVD 监控器。

• 电源管理：低功耗模式。

下面将分别对这 3 个特性进行简单介绍。

2.1 电源系统

在电源概述框图中我们划分了 3 个区域①②③，分别是独立的 A/D 转换器供电和参考电压、电压调节器、电池备份区域。下面分别进行简单介绍：

① 独立的 A/D转换器供电和参考电压（VDDA供电区域）

VDDA 供电区域，主要是 ADC 电源以及参考电压，STM32 的 ADC 模块配备独立的供电方式，使用了 VDDA 引脚作为输入，使用 VSSA 引脚作为独立地连接，VREF 引脚为提供给 ADC 的参考电压。

② 电压调节器（VDD /1.8V供电区域）

电压调节器是 STM32 的电源系统中最核心部分，连接 VDD供电区域和 1.8 V供电区域。VDD供电来自于 VSS 和 VDD，给 I/O 电路以及待机电路供电，电压调节器主要为备份域以及待机电路以外的所有数字电路供电，其中包括内核、数字外设以及RAM，调节器的输出电压约为1.8V，因此由调压器供电的区域称为 1.8V 供电区域。电压调节器根据应用方式不同有三种不同的工作模式。在运行模式下，调节器以正常工作模式为内核、内存和外设提供 1.8V；在停止模式下，调节器以低功耗模式提供 1.8V 电源，以保存寄存器和 SRAM 的内容。在待机模式下，调节器停止供电，除了备用电路和备份域外，寄存器和 SRAM 的内容全部丢失。

③ 电池备份区域（后备供电区域）

电池备份区域也就是后备供电区域，使用电池或者其他电源连接到 VBAT脚上，当 VDD断电时，可以保存备份寄存器的内容和维持 RTC 的功能。同时 VBAT 引脚也为 RTC 和 LSE 振荡器供电，这保证了当主要电源被切断时，RTC 能够继续工作。切换到 VBAT 供电由复位模块中的掉电复位功能控制。

2.2 电源管理

电源管理的部分我们要关注低功耗模式，在 STM32 的正常工作中，具有四种工作模式，运行、睡眠、停止以及待机。在上电复位后，STM32 处于运行状态时，当内核不需要继续运行，就可以选择进入后面的三种模式降低功耗。

这三种低功耗模式电源消耗不同、唤醒时间不同和唤醒源不同，我们要根据自身的需要选择合适的低功耗模式。下面是低功耗模式汇总介绍，如下表所示。

2.2.1 睡眠模式

进入睡眠模式，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，有两种进入睡眠模式的模式 WFI 和 WFE。WFI(Wait for interrupt等待中断)和 WFE(Wait for event等待事件)是内核指令，会调用一些汇编指令，会使用即可。睡眠后唤醒的方式即由等待“中断”唤醒和“事件”唤醒。

2.2.2 停止模式

进入停止模式，所有的时钟都关闭，所有的外设也就停止了工作。但是 VDD电源是没有关闭的，所以内核的寄存器和内存信息都保留下来，等待重新开启时钟就可以从上次停止的地方继续执行程序。

值得注意的是：当电压调节器处于低功耗模式下，当系统从停止模式退出时，将会有一段额外的启动延时。如果在停止模式期间保持内部调节器开启，则退出启动时间会缩短，但相应的功耗会增加。

2.2.3 待机模式

待机模式可实现最低功耗。该模式是在 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 和 HSE 振荡器也被断电。除备份域（RTC 寄存器、RTC 备份寄存器和备份 SRAM）和待机电路中的寄存器外，SRAM 和其他寄存器内容都将丢失。不过如果我们使能了备份区域（备份 SRAM、RTC、LSE），那么待机模式下的功耗，将达到 3.8uA 左右。

2.3 相关寄存器介绍

2.3.1 系统控制寄存器(SCB_SCR)

2.3.2 电源控制寄存器(PWR_CR)

2.3.3 电源控制/状态寄存器（PWR_CSR）

2.3.4 WFI与WFE指令

内核指令，使用函数的格式__WFI()和__WFE()来调用。__wfi和__wfe是编译器内置的函数，函数内部调用了相对应的汇编指令。

3. 进入低功耗模式的使用步骤

在退出停止模式后，需要重新设置时钟、重新选择滴答时钟源、失能systick中断

待机模式配置步骤

1. 初始化WKUP为中断触发源
2. 使能电源时钟：__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE
3. 使能WKUP的唤醒功能：HAL_PWR_EnableWakeUpPin
4. 清除唤醒标记WUF：__HAL_PWR_CLEAR_FLAG
5. 进入待机模式：HAL_PWR_EnterSTANDBYMode

4. 代码解析

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/BEEP/beep.h"
#include "./BSP/KEY/key.h"
#include "./BSP/PWR/pwr.h"



void pwr_wkup_key_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
    
    PWR_WKUP_GPIO_CLK_ENABLE();                             /* WKUP引脚时钟使能 */

    gpio_init_struct.Pin = PWR_WKUP_GPIO_PIN;               /* WKUP引脚 */
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;            /* 中断,上升沿 */
    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLDOWN;                  /* 下拉 */
    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;          /* 高速 */
    HAL_GPIO_Init(PWR_WKUP_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);   /* WKUP引脚初始化 */

    HAL_NVIC_SetPriority(PWR_WKUP_INT_IRQn, 2, 2);          /* 抢占优先级2，子优先级2 */
    HAL_NVIC_EnableIRQ(PWR_WKUP_INT_IRQn); 
}

void PWR_WKUP_INT_IRQHandler(void)
{
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(PWR_WKUP_GPIO_PIN);
}

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == PWR_WKUP_GPIO_PIN)
    {
        /* HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()函数已经为我们清除了中断标志位，所以我们进了回调函数可以不做任何事 */
    }
}


int main(void)
{
    uint8_t key;
    uint8_t t = 0;
    
    HAL_Init();                             /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */
    delay_init(72);                         /* 延时初始化 */
    usart_init(115200);                     /* 串口初始化 */
    led_init();                             /* 初始化LED */
    key_init();                             /* 初始化按键 */
    pwr_wkup_key_init();                    /* WKUP引脚初始化 */
    pwr_pvd_init();                         /* PVD配置 */
    
    printf("Enter to LowPower Test \r\n");
    
    while(1)
    {
        key = key_scan(0);                  /* 得到键值 */

        if (key)
        {
            switch (key)
            {
                /* 进入待机模式 */
                case KEY2_PRES:
                
                    /* 使能电源时钟 */
                    __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
                
                    /* 使能WKUP上升沿的唤醒功能 */
                    HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);
                
                    /* 清除唤醒标记 */
                    __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);
                
                    printf("Enter STANDBY Mode \r\n");
                    
                    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
                
                    printf("Exit STANDBY Mode \r\n");

                    break;

                /* 进入停止模式 */
                case KEY1_PRES:
                    
                    LED1(0);        /* 点亮绿灯,提示进入停止模式 */
                    
                    printf("Enter STOP Mode \r\n");
                    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);
                    
                    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 重新设置时钟, 72Mhz */
                    HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK_DIV8);
                    HAL_SuspendTick();
                
                    printf("Exit STOP Mode \r\n");
                
                    LED1(1);
                    break;
                
                /* 进入睡眠模式 */
                case KEY0_PRES:
                    
                    printf("Enter SLEEP Mode \r\n");
                    HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);
                    printf("Exit SLEEP Mode \r\n");
                
                    break;
            } 
        }
        
        if ((t % 20) == 0)
        {
            LED0_TOGGLE();              /* 每200ms,翻转一次LED0 */
        }

        delay_ms(10);
        t++;
    
    }
}