STM32CubeMX学习笔记10 ---低功耗模式

news2024/7/6 19:14:56

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"); //A0
        printf1("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"); //A0
        printf1("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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