PWR 电源控制-stm32入门

这一节我们来学习 STM32 的 PWR 电源控制。

其中，我们重点学习的主要就是 3 种低功耗模式：睡眠模式、停机模式和待机模式。

低功耗模式的目的呢？简单明了，就是省电，这对于一些使用电池供电，又需要长时间待机的设备，十分重要。

所以我们本节课的任务，就是学习电源控制部分，看看如何配置这些低功耗模式，让 STM32 在空闲时，能够尽可能地节省电量。

好，那先看一下本节最终的程序现象。本节总共有 4 个程序，分别是 13-1 修改主频；13-2 睡眠模式+串口发送+接收；13-3 停止模式+对射式红外传感器计次；13-4 待机模式+实时时钟。因为低功耗模式的代码都不是很多，所以多给大家演示几个。

那我们先看一下第一个程序，修改主频。修改主频不属于 3 种低功耗模式，但是也是降低 STM32 功耗的一种方法，这个代码非常简单，就是初始化显示一下 SystemCoreClock 这个变量，这个变量指示了当前主频频率，之后，主循环，以 1s 为周期，显示 Running，再清除。那我们看一下程序现象，目前可以看到，第一行 SCKCLK，系统主频，是 36 MHz；第二行，我们让它以 1s 为周期显示，但现在实际上是 2s 的周期，这是因为系统主频，正常情况下是 72 MHz，现在我们降频到 36 MHz 了，所以运行时间，就是原来的 2 倍。那这就是修改主频这个程序的现象，有关这个 system 文件的详细解释，还有配置主频的更多玩法，我们写程序的时候，再来介绍。

那在这个程序的哪个部分，我修改了主频呢？答案是在 system_stm32f10x.c 文件里，system 这个文件，里面就是用来配置时钟的，在 110 行这个位置，它给我们预留好了配置时钟的宏定义，我们只需要将其中一个宏定义解除注释，就能直接配置系统的主频，非常简单。目前看到，我是把 36 M 的宏解除注释了，所以目前主频就是 36 M，这个文件在我改之前默认是 72 M，如果我们把 72 M 解除注释，把 36 M 注释掉，这样系统主频就是 72 M 了，想配置为其他的频率，也是同理，先把原来的注释掉，再解除对应频率的注释即可，是不是非常简单。
我们编译下载看一下，可以看到，目前显示主频是 72 M，Running 闪烁的周期是 1s，这是默认主频 72M 的正常现象。

如果文件图标带有钥匙标志说明此文件为只读，必须先解除只读才能修改程序，解除只读的方法为：文件夹里找到文件 -> 右键 -> 属性 ->取消只读。

接着继续看第二个程序，睡眠模式 + 串口的发送和接收，那这个程序就是从串口那一节直接复制过来的，这个代码的功能就是，当收到一个字节时，中断触发，置标志位，主循环查询到标志位时，读取数据，并用串口发送出去，在这个功能后面，我又新加了一段代码，就是用来配置睡眠模式的，关键代码实际上就一句 __WFI(); 执行完这一句，芯片进入睡眠，睡眠的目的是如果 STM32 一直没收到数据，那这个主循环也会一直查询标志位，这是无意义的耗电操作，那不如我们就让它睡眠，收到数据后，自动退出睡眠模式，执行一遍任务后，继续睡眠，这样在空闲时，芯片一直在睡眠，可以降低系统功耗。那我们下载看一下程序现象，目前是串口发送加接收，我们按照串口那一节的接线接好串口，然后打开串口，随便发送一个数据，可以看到，STM32 成功接收，并回传了这个数据，这个现象和没使用睡眠模式的是一样的，但是，细节就在于，看一下第二行，只有在我们发送数据时刻，OLED 才会显示一次 Running，在空闲时，芯片一直都在睡眠，这样就是在不影响程序功能的前提下，使用睡眠模式节约电量，这就是这个程序的功能。

另外，还要重点提醒一下，芯片在 3 种低功耗模式下，是没法直接再下载程序的，你看现在是下载成功的，如果直接再点下载，就会提示报错，这是因为芯片现在在睡眠，不会理你调试端口了，解决方法也很简单，需要我们有一些操作：

第一步，我们按住复位键不放；
第二步，点下载按钮；
第三步，及时松开复位键。这样就能下载成功了。

在我们本节 3 种低功耗模式下，都需要这样下载程序，大家注意一下。另外，如果你不小心禁用了调试端口，其实也可以这样来解决。

接着继续看，第三个程序，停止模式 + 对射红外计次，这个程序是在之前外部中断那一节的代码基础上修改的，类似的操作，主循环中加入了 Running 的指示和最后进入停止模式的代码。那下载看一下程序现象，每遮挡一次，执行一次计次，也显示一下 Running，在没有外部中断信号时，STM32 处于停止模式，可以省电，这就是第三个程序的现象。

最后我们来看一下第四个程序，待机模式 + 实时时钟，这个程序是在实时时钟的基础上，加入了待机模式，目前这个程序，使用的是 LSE 外部低速时钟，如果你没有 RTC 晶振，或者 RTC 晶振不起振，也可以使用 LSI 内部低速时钟，LSI 在待机模式下，可以继续工作。然后在主循环中可以加入唤醒后要执行的功能，在进入待机模式之前，可以关闭各个外部连接的模块，以最大化省电，我目前是用 OLED_Clear(); 模拟了一下，那这个程序，会用实时时钟设定闹钟，每隔一段时间，会自动唤醒一次，这里我演示的是，每隔 10s 唤醒一次，唤醒之后，执行一遍程序任务，随后继续待机。那看一下程序现象，复位一下，可以看到 OLED 上显示了当前时间和闹钟，随后进入待机，然后等一会闹钟触发之后，自动唤醒一次，设定新的闹钟，执行程序功能，之后继续待机，等待下一次唤醒，这就是使用 RTC 和闹钟配合待机模式的自动唤醒程序。非常适合那种，需要每隔一段时间操作一次，空闲时间又需要最大化省电的设备。

好，那程序现象，我们就看到这里。接下来看一下 PWR 的理论部分。

1. PWR 理论部分

1.1 PWR 简介

PWR（Power Control，电源控制）

PWR 就是 Power 的缩写。

PWR 的作用：PWR 负责管理 STM32 内部的电源供电部分，可以实现可编程电压监测器和低功耗模式的功能。

PWR 有一部分是硬件的介绍，就是告诉你，内部供电电路的结构是啥样的，这些是设计硬件电路时要考虑的，暂时不涉及程序。涉及程序的功能，主要就是两个，一个是可编程电压监测器，另一个是低功耗模式。

可编程电压监测器（PVD）可以监控VDD电源电压，当 VDD 下降到 PVD 阀值以下或上升到 PVD 阀值之上时，PVD 会触发中断，用于执行紧急关闭任务。

这个功能预想的场景应该是，使用电池供电，或者对安全要求比较高的设备，如果供电电压在逐渐下降，在电压过低的情况下，可能会导致内部或者外部电路发送不确定的错误，为了避免不确定的因素，在电源电压低于设定的阈值时，我们可以主动出击，提前发出警告，并且关闭比较危险的设备，这是 PVD 的设计。不过 PVD 这个功能不是我们本节课的重点，我们暂时也不演示代码，大家了解即可，后续需要的话可以再研究。

低功耗模式* 包括睡眠模式（Sleep）、停机模式（Stop）和待机模式（Standby），作用就是：可在系统空闲时，降低STM32的功耗，延长设备使用时间。尤其是像一些用电池供电的设备，对空闲时候的耗电量是有极大要求的，比如数据采集设备，车钥匙，遥控器，报警器等等。

这些产品都有特点，就是在它们的生命周期里，绝大部分时间，都是空闲状态。但是我们知道，单片机程序一旦开始，正常运行的状态下，程序永远都不会停下来，所以主程序的最后，一般都是个死循环，即使需要空闲，让程序停下来，那也得来个空循环让程序一直转圈卡住。但是，程序运行就会耗电，空循环的耗电量也是很大的，比如遥控器，如果不用它的时候，程序一直空循环，那么用不到几天，电池就没电了，这显然是不行的。
所以说对于这些设备，我们需要这样的低功耗模式，在空闲状态时，关闭不必要的硬件，比如我直接把 CPU 断电，或者关闭时钟，这样程序自然就不会运行了。但是在低功耗模式下，我们也需要保留必要的唤醒电路，比如串口接收数据的中断唤醒、外部中断唤醒、RTC 闹钟唤醒，等等，在需要设备工作时，STM32 能够立刻重新投入工作，这样才行，如果你只考虑进入低功耗而不考虑唤醒，STM32 一睡不醒，那不就跟直接断电没区别了嘛。所以，低功耗模式，我们要考虑关闭哪些硬件，保留哪些硬件，以及如何去唤醒，当然关闭越多的硬件，设备越省电，唤醒就越麻烦，这也是这 3 种低功耗模式在设计时，所区分的地方。

这是本节的重点内容。英文大概记一下，前面两个应该都很熟悉，主要记一下 Standby，表示待机模式，这个在很多其他芯片里，都有出现。

那简介就看到这里，接着我们看一下电源框图。

1.2 电源框图

在这里插入图片描述
这个图就是 STM32 内部的供电方案。其中有些部分我们之前也已经了解过，现在再来看看。整体上看，这个图可以分为 3 个部分。

最上面是模拟供电，叫做 VDDA（VDD Analog）。VDDA 供电区域，主要负责模拟部分的供电，其中包括 AD 转换器、温度传感器、复位模块、PLL 锁相环，这些电路的供电正极是 VDDA，负极是 VSSA。其中 AD 转换器还有两根参考电压的供电脚，叫做 VREF+ 和 VREF-，这两个脚在引脚多的型号里会单独引出来。在引脚少的型号，比如我们这个 C8T6，VREF+ 和 VREF- 在内部就已经分别接到了 VDDA 和 VSSA 了。
中间是数字部分供电，包括两块区域，VDD 供电区域和 1.8V 供电区域。左边部分是 VDD 供电区域，其中包括 IO 电路、待机电路、唤醒逻辑和独立看门狗；右边部分是 VDD 通过电压调节器，降压到 1.8V，提供给后面这一块的 1.8V 供电区域，1.8V 区域包括 CPU 核心、存储器和内置数字外设。可以看出，STM32 内部的大部分关键电路，CPU、存储器和外设，其实都是以 1.8V 的低电压运行的，当这些外设需要与外界进行交流时，才会通过 IO 电路转换到 3.3V；所以我们从外部看好像 STM32 内部全是 3.3V，但实际上它内部的 CPU、外设等，都是以 1.8V 供电运行，使用低电压运行的主要目的是降低功耗，电压越低，内部电路运行的功耗就相对越低。
当然我们其实也不用了解这么多，主要是记住，CPU 核心、存储器和数字外设，都属于 1.8V 供电区域；而待机电路，唤醒逻辑等，属于 VDD 供电区域，它们的位置要清楚。然后电压调节器它的作用是给 1.8V 区域供电，因为后面我们会提到这个 1.8V 区域和电压调节器，你要知道是啥。
下面是后备供电，叫做 VBAT（V Battery）。VBAT 后备供电区域其中包括 LSE 32K 晶体振荡器、后备寄存器、RCC BDCR 寄存器和 RTC。RTC BDCR 是 RCC 的寄存器，叫备份域控制寄存器，也是和后备区域有关的寄存器，所以也可以由 VBAT 供电。然后上面有个低电压检测器，可以控制开关，VDD 有电时，由 VDD 供电；VDD 没电时，由 VBAT 供电。

好，那这些就是电源框图的介绍了。大家需要了解的是，STM32 内部有哪几部分供电区域，以及每部分供电区域里都有啥，这就是这个框图的内容。

然后继续看下两个图，分别是上电复位和掉电复位还有可编程电压监测器。这两个内容了解即可，快速介绍一下。

1.3 上电复位和掉电复位

在这里插入图片描述
首先是上电复位和掉电复位。这个的意思是，当 VDD 或者 VDDA 电压过低时，内部电路直接产生复位，让 STM32 复位住，不要乱操作，这个复位和不复位的界限之间，设置了一个 40 mV 迟滞电压，大于上限 POR（Power On Reset）时解除复位，小于下限 PDR（Power Down Reset）时复位。这是一个典型的迟滞比较器，设置两个阈值的作用，就是防止电压在某个阈值附近波动时，造成输出也来回抖动。下面的复位信号 Reset，是低电平有效的，所以在前面和后面，电压过低时，是复位的，中间电压正常的时候，不复位。

那这个电压上限和下限，具体是多少 V 呢，还有这里解除复位，还有个滞后时间，是多久呢，这些参数，可以看一下 STM32 数据手册，在 5.3.3 内嵌复位和电源控制模块特性里有个表，这里写了上电或掉电复位阈值，下降沿，也就是 PDR 掉电复位的阈值下限，典型值是 1.88V；上升沿，也就是 PDR 上电复位的阈值上限，典型值是 1.92V；1.92 - 1.88 V 就是迟滞的阈值，40 mV，所以如果忽略迟滞的话，简单来说，就是大于 1.9V 上电，低于 1.9V 掉电。然后最后一行，就是 TRSTTEMPO 复位持续时间，典型值是 2.5 ms，这就是这个上电复位和掉电复位。知道一下就行，也不需要我们操作啥的。