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【ESP32】ESP-IDF开发 | 低功耗管理+RTC唤醒和按键唤醒例程

article 2024/11/14 14:16:14

1. 简介

ESP32支持5种低功耗模式，低功耗管理单元包括调压器、功耗控制器、电源开关单元、电源域隔离单元 (Isolation Cell) 等部分。

1.1 RTC单元

RTC单元是ESP32低功耗管理的核心，可用于管理低功耗模式的进入和退出，控制时钟源、PLL、电源开关和隔离单元以产生电源门控、时钟门控和复位信号。

RTC单元主要包含以下几个模块：

RTC主状态机：记录电源状态；
数字和模拟电源控制器：可用于为RTC的数字模块和模拟模块生成电源门控／时钟门控信号；
睡眠和唤醒控制器：可处理低功耗模式的进入和退出；
计时器：包括RTC主计时器、ULP协处理器计时器和触摸计时器；
低功耗处理器和传感器控制器：ULP协处理器、触摸控制器、SAR ADC控制器等；
保留内存：RTC慢速内存，绝大部分用作保留内存或存储ULP协处理器的指令和数据内存；RTC快速内存，绝大部分用作保留内存；
保留寄存器：该寄存器永远开启，可用于数据存储；
RTC IO管脚：18 个“always-on”管脚，通常作为唤醒源。

1.2 低功耗时钟

在低功耗模式下，ESP32的40 MHz晶振和PLL通常将断电以降低功耗，转而使用低功耗时钟维持工作。

RTC模块可以使用5个低功耗时钟源：

外部低速晶振时钟XTL32K_CLK（32.768 kHz）；
外部高速晶振时钟XTAL_DIV_CLK（2 MHz ~ 40 MHz）；
内部RC振荡器RC_SLOW_CLK（频率可调，通常为150 kHz）；
内部8MHz振荡器RC_FAST_CLK；
内部31.25 kHz时钟RC_FAST_DIV_CLK（来自内部8MHz振荡器，256分频）。

以上的时钟源在RTC内部会区分成慢速时钟和快速时钟，每个RTC内部模块所使用的时钟类型是不同的；像RTC定时器、RTC主状态机和电源管理模块使用的是慢速时钟，ULP协处理器、传感器控制器、RTC内存和RTC寄存器使用的是快速时钟。

对于数字内核（无线模块）则可以使用上面的4种时钟源。

1.3 低功耗模式

1. Active模式

CPU的工作时钟为XTAL_DIV_N（40 MHz/26 MHz）或PLL（80 MHz/160 MHz/240 MHz）；
芯片可以接收、发射或监听信号。

2. Modem-sleep模式

CPU可以工作，时钟可以配置；
Wi-Fi／蓝牙基带受时钟门限控制或关闭，射频模块关闭；
PLL 为 80 MHz 时，电流消耗：≈ 30 mA；
XTAL 为 2 MHz 时，电流消耗：≈ 3 mA；
即刻唤醒；

3. Light-sleep模式

内部 8 MHz 振荡器、40 MHz 高速晶振、PLL 及射频模块均禁用；
数字内核时钟受门限限制，CPU暂停工作；
ULP 协处理器和触摸控制器可以周期性触发，对传感器进行监测；
电流消耗：≈ 800 µA；
唤醒延迟：< 1 ms；

4. Deep-sleep模式

内部 8 MHz 振荡器、40 MHz 高速晶振、PLL 及射频模块均禁用；
数字内核断电，CPU内容丢失；
RTC 内核的供电电压降至 0.7V；
8 x 32 位数据保存在通用保留寄存器中；
RTC 内存和快速 RTC 内存可以保持；
电流消耗：≈ 6.5 µA；
唤醒延迟：< 1 ms。

5. 休眠模式

内部 8 MHz 振荡器、40 MHz 高速晶振、PLL 及射频模块均禁用；
数字内核断电，CPU 内容丢失；
RTC 外设域断电；
RTC 内核的供电电压降至 0.7V；
8 x 32 位数据保存在通用保留寄存器中；
RTC 内存和快速 RTC 内存断电；
电流消耗：≈ 4.5 µA；
唤醒源：仅支持 RTC 计时器；
唤醒延迟：< 1 ms。

1.4 唤醒源

唤醒源	Light-sleep	Deep-sleep	休眠
EXT0	Y	Y	N
EXT1	Y	Y	Y
GPIO	Y	Y	N
RTC定时器	Y	Y	Y
SDIO	Y	N	N
WiFi	Y	N	N
UART0	Y	N	N
UART1	Y	N	N
TOUCH	Y	Y	N
ULP协处理器	Y	Y	N
蓝牙	Y	N	N

2. 例程

2.1 RTC定时器唤醒

这个例程中配置RTC定时器，使处理器在进入深度睡眠后5秒自动唤醒。

#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "esp_log.h"
#include "esp_sleep.h"

#include <string.h>

#define TAG "app"

int app_main()
{
    while (1) {
        ESP_ERROR_CHECK(esp_sleep_enable_timer_wakeup(5 * 1000000));
        ESP_LOGI(TAG, "Enter deep sleep");
        esp_deep_sleep_start();
        ESP_LOGI(TAG, "Exit deep sleep");
    }
}

idf对低功耗的封装是比较完善的，仅需两个函数就可以完成。

esp_sleep_enable_timer_wakeup配置定时器唤醒的时间，单位为微秒。

默认情况下，RTC定时器的时钟源选择的是RC_SLOW_CLK，即内部150kHz振荡器，因为该时钟源的功耗是最小的。如果需要更改时钟源，需要修改CONFIG_RTC_CLK_SRC编译选项。

esp_deep_sleep_start使处理器进入深度睡眠模式；当然也可以调用esp_light_sleep_start进入浅睡眠模式。

下面就是程序的系统打印log。需要注意的是，因为深度睡眠下CPU会断电，内部寄存器的内容丢失，所以唤醒后程序是从头开始执行的。

2.2 按键唤醒

这个例程中配置处理器进入深度睡眠，使用GPIO按键唤醒。

#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "esp_log.h"
#include "esp_sleep.h"
#include "driver/rtc_io.h"

#include <string.h>

#define TAG "app"

int app_main()
{
    esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();
    if (cause == ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0) {
        ESP_LOGI(TAG, "Wake up by EXT0");
    }

    while (1) {
        ESP_ERROR_CHECK(esp_sleep_enable_ext0_wakeup(0, 0));
        ESP_ERROR_CHECK(rtc_gpio_pullup_en(0));  // 内部上拉
        ESP_ERROR_CHECK(rtc_gpio_pulldown_dis(0));
        ESP_LOGI(TAG, "Enter deep sleep");
        esp_deep_sleep_start();
    }
}

如果要在深度睡眠模式下使用GPIO唤醒，必须使用RTC GPIO，ESP32中只有部分GPIO可以复用为该功能。