嵌入式系统应用-拓展-STM32 低功耗设计

1 低功耗介绍

在手持设备使用过程中，功耗一直是一个比较敏感的问题。 如何优化低功耗设计，以下有几个方案：

1. 关闭未使用的外设时钟

通过 RCC_AHB1ENR、RCC_APB1ENR 等寄存器禁用不需要的外设时钟。

2. 降低主频

降低系统时钟频率（如使用 HSI 或 MSI 时钟源代替 HSE）。

3. 配置 GPIO 为低功耗状态

未使用的 GPIO 设置为模拟输入（高阻态）或输出低电平。

4. 使用 RTC 和低功耗定时器

利用 RTC 或 LPTIM（低功耗定时器）唤醒系统，替代普通定时器。

5. 电源管理

使用低功耗稳压器（如 STM32F407 支持电压调节范围）。

1.1 睡眠模式（Sleep Mode）

进入方式：通过执行 WFI（Wait for Interrupt）或 WFE（Wait for Event）指令。

功耗：内核停止运行，但外设（如 GPIO、定时器、UART 等）仍可工作。

唤醒方式：任何中断或事件均可唤醒。

1.2 停止模式（Stop Mode）

进入方式：通过配置电源控制寄存器（PWR_CR）进入。

功耗：关闭内核和大部分外设的时钟，仅保留 SRAM 和寄存器内容。

唤醒方式：

1. 外部中断（EXTI）

2. RTC 闹钟

3. USB 唤醒信号等

注意：退出后需要重新配置时钟（HSI 作为默认时钟源）。

1.3 待机模式（Standby Mode）

进入方式：通过配置 PWR_CR 寄存器的 PDDS 位和 SLEEPDEEP 位。

功耗：最低功耗模式，关闭所有时钟（包括 SRAM），仅备份域（RTC、备份寄存器）可工作。

唤醒方式：

1.1 外部复位（NRST 引脚）

1.2 RTC 闹钟

1.2 独立看门狗（IWDG）

1.3 WKUP 引脚上升沿

注意：退出后相当于系统复位，程序从头开始执行

2 代码编写

2.1 进入睡眠模式

2.1.1代码说明

1. 进入睡眠模式（内核停止，外设可选运行）。

2. 通过 PA0（WKUP 引脚）的上升沿 触发外部中断（EXTI）唤醒。

3. 唤醒后继续执行主程序。

2.1.2 参考代码

1. 发送指令进入睡眠模式

// 进入睡眠模式
Enter_Sleep_Mode();
void Enter_Sleep_Mode(void) {
    // 执行 WFI（Wait For Interrupt），进入睡眠模式
    __WFI();
}

2. 配置wakeup指令进入中断

// 配置 EXTI 中断（PA0 上升沿触发）
void EXTI_Configuration(void) {
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    
    // 连接 PA0 到 EXTI0
    SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOA, EXTI_PinSource0);
    
    // 配置 EXTI0 为上升沿触发
    EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
    EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);
    
    // 配置 NVIC（设置中断优先级）
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x00;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}

// EXTI0 中断服务函数（唤醒后自动执行）
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
        // 清除中断标志
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
        
        // 唤醒后无需额外操作，系统会继续执行主循环
    }
}

2.1.3 功耗优化建议

在进入睡眠模式前关闭不必要的外设时钟（如 ADC、UART 等）。
将未使用的 GPIO 设置为模拟输入（高阻态）。
如果无需快速唤醒，可以降低系统时钟频率（如切换至 HSI）。

一般情况下，电流从几百mA降低到10或者20mA左右。

2.2 停止模式

2.2.1 代码说明

1. 更低功耗（典型值约 1~2 μA，具体取决于外设状态）。

2. 内核停止，SRAM 和寄存器内容保留。

3. 唤醒后需重新配置时钟（默认切换为 HSI 时钟源）

2.2.2 代码编写

1. 发送指令，进入停止模式

// 进入停止模式（最低功耗，保留 SRAM）
void Enter_Stop_Mode(void) {
    // 使能 PWR 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
    
    // 设置电压调节器为低功耗模式（进一步降低功耗）
    PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);
}

2. 配置唤醒中断

void EXTI_Config(void) {
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    
    // 连接 PA0 到 EXTI0
    SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOA, EXTI_PinSource0);
    
    // 设置 EXTI0 为上升沿触发
    EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
    EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);
    
    // 配置 NVIC 中断
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}

// EXTI0 中断服务函数（唤醒时不需额外操作）
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0); // 清除中断标志
    }
}

3. 重新配置时钟

// 唤醒后重新配置时钟（Stop 模式会复位为 HSI）
void Clock_Reconfig(void) {
    // 重新启用 HSE 和 PLL
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
    while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET);
    
    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE, 8, 336, 2, 7); // 168MHz 配置
    RCC_PLLCmd(ENABLE);
    while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);
    
    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
    while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);
}

2.2.3 代码优化建议

1. 更低功耗配置

进入停止模式前调用 PWR_Regulator_LowPower，进一步降低稳压器功耗。

关闭所有不必要的外设时钟（如 RCC_AHB1PeriphClockCmd 仅启用 GPIOA 和 GPIOD）。

2. 唤醒后时钟恢复

停止模式会复位系统时钟为 HSI（16MHz），需手动重新配置为 HSE+PLL（168MHz）。

3. GPIO 状态优化

PA0 设置为 内部上拉，避免悬空误触发。

未使用的 GPIO 应设为 模拟输入（代码中未体现，实际需补充）。

4 功耗

停止模式 1~2 μA

2.3 待机模式

2.3.1 代码说明

1. 最低功耗（约 2μA）。

2. 完全关闭内核和大部分外设，仅备份域（RTC、备份寄存器）可选保持。

3. 唤醒后系统复位（程序从头执行）。

4. 唤醒源：WKUP 引脚（PA0）上升沿，RTC 闹钟事件，NRST 引脚外部复位，独立看门狗（IWDG）复位。

5. 调用 PWR_EnterSTANDBYMode() 后，系统立即进入待机模式。需提前使能 PWR_WakeUpPin_1（对应 PA0）。

6. 唤醒后程序 从头开始执行（相当于复位），可通过 PWR_GetFlagStatus(PWR_FLAG_SB) 检测是否从待机模式唤醒。需手动清除唤醒标志 PWR_ClearFlag(PWR_FLAG_SB)。

7. PA0（WKUP 引脚）必须配置为 无内部上下拉（GPIO_PuPd_NOPULL），由外部电路确保明确电平。未使用的 GPIO 应设为 模拟输入 以降低漏电流

2.3.2 代码编写

1. 进入待机模式

// 进入待机模式（通过 WKUP 引脚或 RTC 唤醒）
void Enter_Standby_Mode(void) {
    // 使能 PWR 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
    
    // 使能 WKUP 引脚唤醒功能（PA0 上升沿）
    PWR_WakeUpPinCmd(PWR_WakeUpPin_1, ENABLE);
    
    // 清除唤醒标志（避免误触发）
    PWR_ClearFlag(PWR_FLAG_WU);
    
    // 进入待机模式
    PWR_EnterSTANDBYMode();
}

2. PA0 配置输入口，不需要中断；但是需要注意事情是，需要外部电路确定IO的电平。一个上升沿就可以触发复位。

2.3.3 优化建议

1. 关闭所有外设时钟，在进入待机模式前关闭不必要的时钟（如 ADC、USART 等）；
2. 配置 GPIO 为模拟输入，将所有未使用的 GPIO 设置为模拟输入（高阻态）；
3. 由于待机模式唤醒后程序会复位，若需保存状态，可使用：
4. 备份寄存器（Backup Registers）（需启用 RCC_APB1Periph_BKP 时钟）。RTC 数据寄存器（需配置 RTC 和备份域）

3 总结

1. 功耗对比图
   

2 . STM32F4系列 不是专为低功耗设计，如需极低功耗，建议选择 STM32L 系列（如 STM32L4）。退出待机模式后，程序会从头执行（相当于复位）。在停止模式下，部分外设需要重新初始化。通过合理配置低功耗模式，STM32F407 可以用于电池供电或间歇性工作的场景。