细说STM32F407单片机电源低功耗StopMode模式及应用示例

news2025/1/24 4:11:57

目录

一、停止模式基础知识

1、进入停止模式

2、停止模式的状态

3、退出停止模式

4、SysTick定时器的影响

二、停止模式应用示例

1、示例功能和CubeMX项目配置

（1）时钟

（2）RTC

（3）ADC1

（4） NVIC

（5）DEBUG、LED1、USART6、CodeGenerator

2、软件设计

（1）KEYLED 

（2）main.h

（3）main.c

3、运行并调试

一、停止模式基础知识

1、进入停止模式

        用户可以通过执行WFI指令或WFE指令进入停止模式。进入停止模式之前，用户需要将Cortex-M4F系统控制寄存器SCR的SLEEPDEEP位置1，内部调压器可以设置为正常运行或低功耗模式。函数HAL_PWR_EnterSTOPMode()用于进入停止模式，其源代码如下：

        函数HAL_PWR_EnterSTOPMode()用于进入停止模式，其源代码如下：

void HAL_PWR_EnterSTOPMode(uint32_t Regulator,uint8_t STOPEntry)
{
    /*Check the parameters */
    assert_param(IS_PWR_REGULATOR(Regulator));
    assert_param(IS_PWR_STOP_ENTRY(STOPEntry));

    /*设置调压器的模式：根据参数Regulator设置PDDS位和LPDS位*/
    MODIFY_REG(PWR->CR,(PWR_CR_PDDS I PWR_CR_LPDS),Regulator);

    /*将Cortex系统控制寄存器SCR的SLEEPDEEP位置1*/
    SET_BIT(SCB->SCR,((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk));

    /*Select Stop mode entry*/
    if(STOPEntry == PWR_STOPENTRY_WFI)
    {
        /*Request Wait For Interrupt */
    __WFI();
    }
    else
    {
        /*Request Wait For Event */
        __SEV();
        __WFE();
        __WFE();
    }
    /*唤醒后，将SLEEPDEEP位清零*/
    CLEAR_BIT(SCB->SCR,((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk));
}

        参数Regulator用于表示调压器在停止模式下的工作方式，取值为宏定义常量PWR_MAINREGULATOR_ON（调压器正常运行）或PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON（调压器处于低功耗模式）。

        参数SLEEPEntry表示用何种指令进入睡眠模式，WFI或WFE指令。其取值为宏定义常量PWR_SLEEPENTRY_WFI或PWR_SLEEPENTRY_WFE。

        函数HAL_PWR_EnterSTOPMode()在进入停止模式之前，将Cortex-M4F系统控制寄存器SCR的SLEEPDEEP位置1，被唤醒后再将SLEEPDEEP位清零。

        特别地，要进入停止模式，所有EXTI线的中断挂起标志都必须清零，否则，将忽略进入停止模式的操作，而继续执行程序。

        在停止模式下，可以保持或关闭Flash的电源，在进入停止模式之前，可以使用以下两个函数进行设置。

HAL_PWREX_EnableFlashPowerDown();  //关闭Flash的电源
HAL_PWREx_DisableFlashPowerDown(); //不关闭Flash的电源

2、停止模式的状态

        进入停止模式后，系统的状态如下。

  • CPU的时钟关闭，CPU停止运行，也就是程序暂停。
  • 所有1.2V域外设的时钟停止，外设停止工作。
  • ADC和DAC不会自动停止工作，需要编程使其停止。
  • 1.2V调压器开启或处于低功耗状态，所有寄存器、SRAM的内容保留。
  • Flash处于正常模式或掉电模式。
  • HSI振荡器和HSE振荡器关闭。

3、退出停止模式

        如果使用WFI指令进入停止模式，所有配置为中断模式的EXTI线都可以唤醒系统。由中断唤醒后，先执行中断的ISR，然后执行WFI指令后面的程序。

        如果使用WFE指令进入停止模式，所有配置为事件模式的EXTI线都可以唤醒系统，唤醒后执行WFE后面的程序。

        EXTI线共23根，EXTI线0:15对应于外部引脚中断，EXTI线16:22对应一些内部事件，如RTC闹钟事件、RTC周期唤醒事件等。

        从停止模式唤醒时，系统有一定的唤醒延迟时间，包括以下几个时间。

  • HSI振荡器的启动时间。系统将重新启动HSI振荡器，并且将HSI作为HCLK的时钟源。对STM32F407来说，HSI频率为16MHz，使用HSI作为时钟源的HCLK最高频率为16MHz。如果需要系统从停止模式唤醒后使用更高频率的HCLK，需要重新配置系统时钟。
  • 如果调压器处于低功耗模式，需要从低功耗模式恢复到正常模式的时间。
  • 若Flash处于掉电模式，需要从掉电模式恢复到正常模式的时间。

        在停止模式下，如果调压器处于低功耗模式、Flash处于掉电模式，则可以降低停止模式的功耗，但这同时也会增加唤醒延迟。

4、SysTick定时器的影响

        MCU进入停止模式后，将只会由EXTI中断或事件唤醒，而不受SysTick定时器的影响。此外，在进入停止模式后，所有的1.2V域外设都会停止工作，SysTick定时器其实也停止了。

二、停止模式应用示例

        本文将创建一个示例项目，测试系统的STOP模式。继续使用旺宝红龙开发板STM32F407ZGT6 KIT V1.0。一些设置参考本文作者的其他文章。

        参考文章：细说STM32F407单片机电源低功耗SleepMode模式及应用示例-CSDN博客  https://wenchm.blog.csdn.net/article/details/145226004

1、示例功能和CubeMX项目配置

        本文演示MCU的停止模式。示例的功能和操作流程如下。

  • 在主程序的while循环里，让MCU进入停止模式。
  • 使用RTC的周期唤醒中断，使MCU从停止模式唤醒，RTC唤醒周期为5s。
  • MCU从停止模式唤醒后，进行一次轮询方式ADC转换。

（1）时钟

        禁用HSE，这样做很重要，因为不这样做，依旧设置外部时钟的话，系统将不能清空EXTI的中断线标志位。将HSI直接作为HCLK时钟源，HCLK设置为16MHz。因为MCU从停止模式唤醒后，自动使用HSI作为SYSCLK时钟源，所以，如果要使用HSE或更高频率的HCLK，需要重新配置系统时钟。本示例在系统唤醒后，不再配置HCLK时钟频率，故正常运行时也使用HSI作为HCLK时钟源。

（2）RTC

        并使用LSE作为RTC的时钟源。开启RTC的周期唤醒功能，

        并设置唤醒时钟为1Hz信号，唤醒计数值为4。RTC的周期唤醒使用的是EXTI线22中断，在NVIC中开启RTC周期唤醒中断，设置其抢占优先级为1。这样设置后，每5s发生一次EXTI线22中断。

（3）ADC1

        启用ADC1的内部参考电压通道，设置为12位精度、右对齐、软件触发转换。ADC1的参数设置结果如图。

 

（4） NVIC

 

（5）DEBUG、LED1、USART6、CodeGenerator

        同参考文章。 

2、软件设计

（1）KEYLED 

        本示例工程继续引用KEYLED文件夹中的keyled.h，详见参考文章。

（2）main.h

        声明一个函数，用于EXTI线清零。 

/* USER CODE BEGIN Private defines */
void EXTI_ClearITPendingBit();
/* USER CODE END Private defines */

（3）main.c

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "keyled.h"
#include <stdio.h>	//用到函数sprintf()
#include <string.h>	//用到函数strlen()
/* USER CODE END Includes */
/* USER CODE BEGIN 2 */
  printf("Demo22_2_StopMode:Test Stop Mode.\r\n");
  printf("Wake up by RTC every 5s.\r\n");

  //如果配置了FSMC
  //HAL_PWREx_EnableFlashPowerDown();	//在停止模式下关闭Flash电源
  //HAL_PWREx_DisableFlashPowerDown();	//不关闭Flash电源
  /* USER CODE END 2 */
 /* USER CODE BEGIN 3 */
	LED1_OFF();								//LED1熄灭
	//以下3种清零除EXTI线pending位的方法都是正确的,确保能进入STOP模式
	//EXTI->PR = 0; 						//将EXTI线的pending位清零
	EXTI->PR = EXTI_PR_PR0 << 22; 		    //将EXTI线22的pending位清零
	//EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_PR_PR22);	//将EXTI线22的pending位清零
	//进入停止模式, WFI指令进入
	HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON,PWR_SLEEPENTRY_WFI);

	//RTC周期唤醒中断(EXTI22)唤醒系统
	LED1_ON();
	HAL_ADC_Start(&hadc1);		//使能ADC1并开始转换,内部通道参考电压
	if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,200) == HAL_OK)
	{
	  uint32_t val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1) & 0x0000FFFF;	//12位数
	  uint32_t Volt = 3300*val;	//单位：mV
	  Volt = Volt>>12;			//除以2^12
	  printf("ADC Voltage(mV) = %ld\r\n",Volt);
	}
	HAL_ADC_Stop(&hadc1);		//停止ADC1
	HAL_Delay(500);				//消除按键抖动影响，并且使LED1亮500ms
  }
  /* USER CODE END 3 */

        在进入while循环之前，调用了函数HAL_PWREx_EnableFlashPowerDown()，这可以在MCU进入停止模式后，关闭Flash存储器的电源，进一步降低功耗。也可以不关闭Flash存储器电源，也就是调用函数HAL_PWREx_DisableFlashPowerDown()（可选）。

        在while循环里，调用函数HAL PWR EnterSTOPMode()使系统进入停止模式。必须在所有EXTI线中断的挂起标志位清零的情况下，才能进入停止模式。为此，直接将外部中断挂起标志寄存器PR的内容清零，即执行语句：

EXTI->PR =0;

        进入停止模式后，CPU停止运行，程序暂停，所有外设停止工作，但RTC仍能正常工作。停止模式可以由任意EXTI线的中断或事件唤醒，RTC的周期唤醒中断是EXTI线22。本示例中设置的RTC唤醒周期是5s，所以，在发生RTC周期唤醒中断时系统会被唤醒，但是会先执行RTC中断的ISR，也就是会执行RTC周期唤醒回调函数HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback()，这个回调函数里读取RTC当前时间并显示在串口助手上。RTC中断的ISR退出后，再继续执行WFI指令后面的程序。后面的程序用轮询方式进行一次ADC转换，将结果显示在串口助手上。ADC转换结束后停止，然后MCU又进入停止模式。

/* USER CODE BEGIN 4 */
// RTC 周期唤醒中断回调函数
void HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{
	RTC_TimeTypeDef sTime;
	RTC_DateTypeDef sDate;
	if (HAL_RTC_GetTime(hrtc,&sTime,RTC_FORMAT_BIN) == HAL_OK)
	{
		HAL_RTC_GetDate(hrtc,&sDate,RTC_FORMAT_BIN);
		uint8_t	str[30];
		sprintf((char *)str,"%2d:%2d:%2d",sTime.Hours,sTime.Minutes,sTime.Seconds);
		//HAL_UART_Transmit(&huart6,str,strlen ((const char *)(str)),200);
		printf("RTC current time: %s\r\n",str);
	}
}

//清除EXTI线[0:22]的Pending register
void EXTI_ClearITPendingBit(uint32_t EXTI_Line)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_EXTI_LINE(EXTI_Line));
  EXTI->PR = EXTI_Line;
}

int __io_putchar(int ch)
{
	HAL_UART_Transmit(&huart6,(uint8_t*)&ch,1,0xFFFF);
	return ch;
}
/* USER CODE END 4 */

3、运行并调试

        运行时会发现：每隔5s串口助手上刷新显示一次RTC时间和ADC转换结果，LED1点亮500ms后熄灭。

        停止模式比较适合于需要周期性唤醒，执行完一些操作后又进入低功耗模式的应用。例如，网络化的温度监测，可能每隔60s才需要测量一次数据并通过网络发送出去，使用周期唤醒的停止模式就可以大大降低功耗。 

        在CubeMX里可以对本示例进行功耗计算。因为使用了16MHz的HCLK，RUN模式下的耗电流是8.78mA，STOP模式下的耗电流是280μA。如果还选用3400mAh的锂电池供电，如果一个序列中RUN模式持续10ms，STOP模式持续100ms，电池可以用4月12天10小时；若修改为STOP模式持续1000ms，其他参数不变，电池可以用1年28天，可见降低功耗的效果是非常明显的。

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