STM32F4_待机唤醒详解

news2024/10/6 10:31:48

目录

1. 低功耗模式

1.1 降低系统时钟速度

1.2 外设时钟门控

2. 睡眠模式

2.1 进入睡眠模式

2.2 退出休眠模式

3. 停止模式

3.1 进入停止模式

3.2 退出停止模式

4. 待机模式

4.1 进入待机模式

4.2 退出待机模式

4.3 电源控制寄存器：PWR_CR

4.4 电源控制/状态寄存器：PWR_CSR

5. 库函数配置进入待机模式

6. 实验程序

        在学习STM32待机唤醒功能之前，我们首先来系统的学习32单片机的低功耗模式，这将对于我们理解睡眠/停止/待机模式有很大的帮助。

1. 低功耗模式

        默认情况下，系统复位或者上电复位后，MCU微控制器进入运行模式。在运行模式下，CPU通过HCLK提供时钟，并且执行程序代码。系统提供了多个低功耗模式，可在CPU不需要运行时（例如等待外部事件时）节省功耗。由用户根据应用选择具体的低功耗模式，以在低功耗、短启动时间和可用唤醒源之间寻求最佳平衡。

STM32有三种低功耗模式：

  • 睡眠模式（Cortex -M4F内核停止，外设保持运行）
  • 停止模式（所有时钟都停止）
  • 待机模式（1.2V域断电）

此外，还可以通过其他方式降低功耗：

        1. 降低系统时钟速度

        2. 不使用APBx和AHBx外设时，将对应的外设时钟关闭

其中：嵌入式线性调压器为备份域和待机电路以外的所有数字电路供电。调压器输出电压约为1.2V。

1.1 降低系统时钟速度

        在运行模式下，可以通过对预分频寄存器编程来降低系统时钟（SYSCLK、HCLK、PCLK1和PCLK2）速度。进入睡眠模式之前，也可以使用这些预分频器降低外设速度。

1.2 外设时钟门控

        在运行模式下，可以随时的停止各个外设和存储器的HCLKx和PCLKx以降低功耗。要进一步的降低睡眠模式的功耗，可在执行WFI或者WFE指令之前禁止外设时钟。

        外设时钟门控由AHB1外设时钟使能寄存器RCC_AHB1ENR、AHB2外设时钟使能寄存器RCC_AHB2ENR和AHB3外设时钟使能寄存器RCC_AHB3ENR进行控制。

        在睡眠模式下，复位RCC_AHBxLPENR和RCC_APBxLPENR寄存器中的对应位可以自动禁止外设时钟。

2. 睡眠模式

2.1 进入睡眠模式

        执行WFI（等待中断）或者WFE（等待事件）指令即可进入睡眠模式。根据M4F内核系统控制寄存器中的SLEEPONEXIT位的设置，可以通过两种方案选择睡眠模式进入机制。

立即休眠：如果SLEEPONEXIT位清零，MCU将在执行WFI和WFE指令时立即进入睡眠模式。

退出时休眠：如果SLEEPONEXIT位置1，MCU将在退出优先级最低的ISR时立即进入睡眠模式。（ISR的全称是Interrupt Service Routines，也就是中断服务，中断是有NVIC中断优先级的，这里的意思就是当执行完中断中优先级最低的中断以后进入休眠）

2.2 退出休眠模式

因为进入睡眠模式是由指令WFI和指令WFE控制的。所以退出休眠模式也应该从这两方面入手。

如果使用WFI指令进入睡眠模式，则通过中断控制器NVIC确认的任意外设中断都会将器件从睡眠模式唤醒。

如果使用WFE指令进入睡眠模式，MCU将在有事件发生时立即退出睡眠模式。

唤醒事件可以通过以下方式产生：

        在外设的控制寄存器使能一个中断，但不在NVIC中使能，同时使能M4F内核系统控制寄存器中的SEVONPEND位。当MCU从WFE恢复时，需要清除相应外设的中断挂起位和外设NVIC中断通道挂起位（在NVIC中断清除挂起寄存器中）。

        配置一个外部或者内部EXTI线为事件模式。当CPU从WFE恢复时，因为对应事件线的挂起位没有被置位，不必清除相应外设的中断挂起位或NVIC中断通道挂起位。

3. 停止模式

        停止模式基于M4内核深度睡眠模式与外设时钟门控。调压器既可以配置为正常模式，也可以配置为低功耗模式。在停止模式下，1.2V域中的所有时钟都会停止，PLL、HSI和HSE RC振荡器也会被禁止。内部SRAM和寄存器内容将会被保留。

        将PWR_CR电源控制寄存器中的FPDS位置1后，Flash闪存还会在器件进入停止模式时进入掉电状态。Flash处于掉电模式时，将器件从停止模式唤醒将需要额外的启动延时。

3.1 进入停止模式

要进一步降低停止模式的功耗，可将内部调压器设置为低功耗模式。通过对STM32F4的PWR电源控制寄存器（PWR_CR）的LPDS位进行配置。

如果正在进行Flash编程，停止模式的进入将延迟到存储器访问结束后执行。

如果正在访问APB域，停止模式的进入则延迟到APB访问结束后执行。

在停止模式下，可以通过对各个控制位进行编程来选择以下功能：

        独立看门狗IWDG：IWDG通过写入其密钥寄存器或使用硬件选项来启动。而且一旦启动便无法停止，除非复位。

        实时时钟RTC：通过RCC备份域控制寄存器RCC_BDCR中的RTCEN位进行配置。

        内部RC振荡器（LSI RC）：通过RCC时钟控制和状态寄存器（RCC_CSR）中的LSION位进行配置。

        外部32.768KHz振荡器（LSE OSC）：通过RCC备份域控制寄存器RCC_BDCR中的LSEON位进行配置。

在停止模式下，ADC和DAC也会产生功耗，除非在进入停止模式前将其禁止。要禁用这些转换器，必须将ADC_CR2寄存器的ADON位和DAC_CR寄存器中的ENx位都清零。

3.2 退出停止模式

通过发出中断或者唤醒事件退出停止模式时，将选择HSI RC振荡器作为系统时钟。

4. 待机模式

        待机模式下可达到最低功耗。待机模式基于M4内核深度睡眠模式，该模式在深度睡眠模式时关闭电压调节器。因此1.2V域断电。PLL、HSI振荡器也将关闭。除备份域（RTC寄存器、RTC备份寄存器和备份SRAM）和待机电路中的寄存器外，SRAM和寄存器内容都将丢失。

4.1 进入待机模式

在待机模式下，可以通过对各控制位进行编程来选择以下功能：

●独立的看门狗 (IWDG)：IWDG 通过写入其密钥寄存器或使用硬件选项来启动。而且一 旦启动便无法停止，除非复位。

●实时时钟 (RTC)：通过备份域控制寄存器 (RCC_BDCR) 中的 RTCEN 位进行配置。

●内部 RC 振荡器 (LSI RC)：通过控制/状态寄存器 (RCC_CSR) 中的 LSION 位进行配置。

●外部 32.768 kHz 振荡器 (LSE OSC)：通过备份域控制寄存器 (RCC_BDCR) 中的 LSEON 位进行配置。

4.2 退出待机模式

        检测到外部复位（NRST引脚）、IWDG引脚、WKUP引脚上升沿、RTC闹钟、入侵事件或时间戳事件时，微控制器退出待机模式。从待机模式唤醒后，除PWR电源控制/状态寄存器PWR_CSR外，所有寄存器都将复位。

        从待机模式唤醒后，程序将按照复位（启动引脚采样、复位向量已获取等）后的方式重新执行。PWR电源控制/状态寄存器PWR_CSR中的SBF状态标志指示MCU已处于待机模式。

        从待机模式唤醒后的代码执行等同于复位后的执行（采样启动模式引脚，读取复位向量等）。电源控制/状态寄存器PER_CSR将会指示内核由待机状态退出。意思就是说从待机模式退出后等同于按下开发板上的复位键，执行相对于的代码。

        在进入待机模式后，除了复位引脚、RTC_AF1引脚（PC13）（如果针对入侵、时间戳、RTC闹钟输出或RTC时钟校准输出进行了配置）和WK_UP（PA0）（如果使能了）等引脚外，其他所有IO引脚都将处于高阻态。

        总结：在这三种低功耗模式中，最低功耗的是待机模式，在此模式下，最低只需要2.2uA左右的电流。停机模式是次低功耗的，其典型的电流消耗在350uA左右。最后就是睡眠模式了。

4.3 电源控制寄存器：PWR_CR

通过对进入待机模式的学习，我们已经清楚了需要将电源控制寄存器PWR_CR的 位1 和 位2 置1，使器件在CPU进入深度睡眠时进入待机模式，并且将WUF唤醒标志清零。

4.4 电源控制/状态寄存器：PWR_CSR

这里我们需要 位8 置1，从待机模式中唤醒器件；也可以通过位0来检测是否收到了唤醒标志。

5. 库函数配置进入待机模式

首先注意：对于已经使能了RTC中断或者RTC唤醒中断的情况，必须先禁止中断，清除相关中断标志位，清除唤醒中断WK_UP，等一切都完成以后，再次使能中断，进入低功耗模式。具体如下：

1. 禁止RTC中断（ALRAIE、ALRBIE闹钟A和B、WUTIE、TAMPIE和TSIE等）

2. 清零对应中断标志位

3. 清除PWR唤醒（WUF）标志（通过设置PWR_CR的CWUF位实现）

4. 重新使能RTC对应中断

5. 进入低功耗模式

1. 使能电源时钟

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);     //使能PWR外设时钟

2. 设置WK_UP（也就是PA0引脚，KEY_UP按键）引脚作为唤醒源

PWR_WakeUpPinCmd(ENABLE);            //使能KEY_UP按键唤醒功能 ，用KEY_UP将CPU从待机模式唤醒

3. 设置SLEERDEEP（深度睡眠）位，设置PDDS位，执行WFI指令，进入待机模式

进入待机模式，首先设置SLEEPDEEP位，接着通过PWR_CR设置PDDS位，使得CPU进入深度睡眠时进入待机模式，最后执行WFI指令开始进入待机模式，并等待WK_UP（KEY_UP）中断的到来；

void PWR_EnterSTANDBYMode(void)； //进入待机模式

4. 编写WK_UP中断函数

通过WK_UP中断（PA0中断）来唤醒CPU，同时通过该函数进入待机模式。

6. 实验程序

        该实验程序实现功能：长按3秒KEY_UP按键开机，通过LED0指示灯指示程序开始运行，再次长按按键，进入待机模式，LED0关闭，程序停止运行。类似于手机开关机。

6.1 main.c

#include "stm32f4xx.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "LED.h"
#include "lcd.h"
#include "usmart.h"
#include "Key.h"
#include "WKUP.h"

//LCD状态设置函数
void led_set(u8 sta)//只要工程目录下有usmart调试函数，主函数就必须调用这两个函数
{
	LED1=sta;
}
//函数参数调用测试函数
void test_fun(void(*ledset)(u8),u8 sta)
{
	led_set(sta);
}

int main(void)
{
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统分组中断优先级2
	delay_init(168);
	uart_init(115200);//这里切记先初始化串口，否则无法显示实验现象
	LED_Init();
	LCD_Init();
	WKUP_Init();
	POINT_COLOR=RED;
	LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");
	LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"WKUP Test");
	LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
	LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2023/20/23");
	LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"WK_UP:Standby/WK_UP");
	while(1)
	{
		LED0=!LED0;
		delay_ms(250);
	}
}

6.2 WKUP.c

#include "stm32f4xx.h"                 
#include "WKUP.h"
#include "Key.h"
#include "LED.h"
#include "delay.h"

//系统进入待机模式
void Sys_Enter_Standby(void)
{
	while(WKUP_KD);//while循环内设置为空，等待KEY_UP按键松开，跳过while循环
	
	RCC_AHB1PeriphResetCmd(0x04FF,ENABLE);//复位所有IO口
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR,ENABLE);//使能PWR电源时钟
	
	PWR_BackupAccessCmd(ENABLE);//使能后备域寄存器，RTC实时时钟中介绍过该寄存器
	
	RTC_ITConfig(RTC_IT_ALRB|RTC_IT_ALRA|RTC_IT_TS|RTC_IT_WUT,DISABLE);//禁止RTC相关中断，这些中断可能在RTC实验中开启了
	RTC_ClearITPendingBit(RTC_IT_ALRB|RTC_IT_ALRA|RTC_IT_TS|RTC_IT_WUT);//清除相关中断标志位
	
	PWR_ClearFlag(PWR_FLAG_WU);//清除Wake_up唤醒标志
	
	PWR_WakeUpPinCmd(ENABLE);//使能KEY_UP按键唤醒功能 ，用KEY_UP将CPU从待机模式唤醒
	
	PWR_EnterSTANDBYMode();//进入待机模式
}
//检测WKUP脚的信号
//返回值1：连续按下3s以上
//	    0：错误的触发
u8 Check_WKUP(void)
{
	u8 t=0;//记录时间
	u8 tx=0;//记录松开的次数
	LED0=0;//LED0点亮
	while(1)
	{
		if(WKUP_KD)//KEY_UP按键按下
		{
			t++; //记录KEY_UP按键按下的时间，需要去判断这个时间的长短，就跟我们的手机关机一样，不会只是按一下电源键就关机了，需要按下保持一段时间
			tx=0; //只要进入if循环语句，那么按键就一直被按下，所以松开次数始终都是零
		}
		else   //松开KEY_UP
		{
			tx++;//松开的次数++
			if(tx>3)//如果松开的次数大于3,超过90s内没有WKUP信号
			{
				LED0=1; //LED0熄灭
				return 0;//错误按键，返回
                //这里的错误的意思是：还是我们手机关机的例子，假设需要长按电源键5秒关机，如果我们在5秒内频繁的松开按键，就一定不会关机了；直接一点，松开一次按键就不会关机了
                //也就表示用户取消了关机，return 0；
			}
		}
		delay_ms(30);
		if(t>=100)//按下超过3秒钟  表示按键超过了预设的时间，那么进入待机模式
		{
			LED0=0; 
			return 1;//按键3s以上了，进入待机模式
		}
	}
}
//中断，检测到PA0脚上的一个上升沿
//中断线0上的中断检测
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
	EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);//清除LINE0上的中断标志位
	if(Check_WKUP())//表示检测3秒以上的函数返回值为1
	{
		Sys_Enter_Standby();//进入待机模式
	}
}
//PA0 KEY_UP 唤醒中断初始化
void WKUP_Init(void)
{
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);//使能GPIOA时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG,ENABLE);//使能SYSCFG时钟
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN;//按键的模式是输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_DOWN;//按键KEY_UP下拉
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_100MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	if(Check_WKUP()==0) //也是和我们手机开机一样，手机开机也是需要长按电源键，如果在长按电源键的期间，频繁的松开电源键，此时手机是开不开机的；
//开发板也是这样，初始化时先检测如果是非正常开机，那么直接进入待机模式
	{
		Sys_Enter_Standby();//不是正常的开机，进入待机模式
	}
	SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOA,EXTI_PinSource0);//PA0连接到中断线0
	
	EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line0;
	EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd=ENABLE;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Rising;//上升沿触发
	EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=EXTI0_IRQn;//外部中断0
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0x02;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x02;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

6.3 WKUP.h

#ifndef _WKUP__H_
#define _WKUP__H_

#define WKUP_KD PAin(0)
void Sys_Enter_Standby(void);
u8 Check_WKUP(void);
void EXTI0_IRQHandler(void);
void WKUP_Init(void);

#endif

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