系统工程 - 记录一次调试USB设备低功耗应用的过程

需求

最近在同客户做机械键盘的产品设计，我们SE系统工程团队为客户设计了一套使用灵动MM32F0160微控制器的机械键盘原型电路板，用于评估原型方案。随着同客户不断沟通，客户进一步细化了需求，这次对低功耗特别提了要求：根据USB规范约定，当电脑处于待机状态时，USB设备从USB线缆上获取的电流不能超过2.5mA，这个2.5mA不仅仅是MCU的工作电流，而是整个USB设备电路板的工作电流！

此前在设计键盘原型方案的时候，并未考虑低功耗的问题，电脑在待机状态下，实测键盘的功耗超过100mA。现在看来，这显然是不符合客户需求和USB规范的，因此，需要从系统层面上考虑，充分降低USB设备的功耗。

最后，经过一顿调试，使得键盘在低功耗的待机模式下耗电约0.8mA，正常工作时约16mA。如图x所示。

功耗测量方法

欲要调试低功耗，先要搭建测量低功耗的环境。本案中，将一根USB线缆的VBUS信号线从中间截断并串联电流表，以检测VBUS上的电流值。如图x所示。

图x 功耗测量方法

图x 万用表连接实物图

分析功耗来源

分析USB电路板的功耗来源：

• MCU自身功耗
• 电路板其它电路功耗，例如板子上87颗WS2812B彩灯和LED指示灯
• 板子漏电或者短路？？？

另外，还有LDO和为适配WS2812B电平转换而引入的NMOS管。按理说LDO功耗极低，NMOS所有的引脚都是高电平的情况下，也不会产生漏电流。

LED功耗

MCU的功耗可通过软件控制，每颗WS2812B中都包含了一个灯控IC，它也是会产生功耗的，但不至于那么高（？？？）。

键盘参考方案中有87颗WS2812B用来产生灯效，如果焊接时间过长，则可能被损毁造成短路，而一旦器件短路，上电后很难查出是哪颗WS2812B短路，给维修造成了极大的麻烦。为解决这个问题，电路设计工程师在设计PCB的时候，曾在键盘的侧边加入了 6个0欧电阻，对应按键的的6排，让供电电流通过0欧电阻流入WS2812B。当出现短路时，可以拆除对应排的0欧电阻，以快速排查短路的WS2812B。

• 拆除六颗0欧电阻前，功耗达到了惊人的115mA。
• 逐步拆除六颗0欧电阻后，功耗降至18mA。

WS2812B的待机功耗确实不小。

除了WS2812B，电源指示灯的功耗很难被注意到。电源指示灯的串联电阻为2K欧，如果LED的正向压降为2V，在5V供电的情况下，至少有1mA的电流从电源指示灯流过，对于总功耗不能超过2.5mA的USB设备而言，1mA也是一笔巨大的支出，需要节省掉。

其余指示灯LED可由程序控制，在熄灭时不消耗额外的电流。

后续设计键盘上的背光彩灯时，可以再加入一个PMOS管，可由软件控制是否对背光灯电路供电。当进入休眠状态时，关断对背光电路的供电。

MCU功耗

去掉那六颗给WS2812B灯带供电的0欧电阻和电源指示灯后，剩下的十几毫安电流看起来就是MCU自身的功耗了。正常情况下，MCU消耗十几毫安的电流是正常的，但现在需要进一步降低功耗，以满足客户需求。

相当于正常运行的工作模式MCU带有多种低功耗模式，适合用于USB的低功耗方案是STOP模式（休眠CPU内核和部分外设，但可以通过中断原地唤醒），理论功耗能够低于0.5mA。

但 USB 设备有几个情况需要考虑：

• Host能让Device进入低功耗状态
• Host能让Device从低功耗状态恢复到工作状态
• Device能让Host从Suspend恢复到工作状态

如果只需要让PC主机Host唤醒Device恢复到工作状态，PC主机通过USB发送Resume中断信号，从机设备捕获到就能恢复工作状态。但Device需要能唤醒Host从Suspend恢复过来，就要求矩阵按键不能停止扫描，随时检测用户是否按下按键，判断是否退出低功耗模式，此时可选择使用降低主频的方法实现低功耗模式。

在继续调试的过程中发现，保持低速的扫描，键盘反应比较慢，体验不好。客户建议使用中断方式捕获按键输入触发唤醒。此时，将每一个列引脚都配置为推挽输出拉低电平，把每个行引脚配置为上拉输入，6个行引脚意味着6个外部中断，如此，当任意按键被按下时，总会有一个行引脚编变成低电平，触发外部中断，退出低功耗模式，唤醒计算机。Bingo。

总结下来有两种方法：

• 降低主频，适用于在低功耗运行模式时，仍需与外部电路进行有限交互的场景
• STOP模式，适用于不需要与外设进行有交互信但需要保留现场的场景，可通过引脚（指定的外部通信）触发唤醒。

板子漏电

板子漏电仍是一个值得思考的方向：

• 键盘上面的元器件全部都是手焊的，这就意味着会有一些焊锡或者其它脏东西在偷偷地漏电。
• 键盘的 PCB 尺寸还是相当大的，拿起，放下，也可能会造成板材变形，铺铜断裂或短路等情况。
• PCB 被尖锐物品划伤，或者 PCB 设计时就有问题……

当然，经过检查，板子的质量问题是没有的，用洗板水和酒精擦拭后，功耗也几乎没有变化。

所以，幸好没出问题。

软件改善功耗

从上文分析来看，WS2812B灯带和电源指示灯产生比较大电流消耗，当当前的参考方案中，暂行移除，以减少不必要的功耗。然后，重点就转移到软件上对唤醒机制的实现。

调整tinyusb协议栈源码

本案中使用的TinyUSB协议栈提供了一个tud_suspend_cb()回调函数，当电脑待机时候，会向USB设备发送待机信号，USB设备上的TinyUSB程序会调用这个回调函数。注意，在TinyUSB的device/usbd.h文件中，定义了tud_suspend_cb()是一个弱函数TU_ATTR_WEAK。

但尚不清楚为什么在用户应用程序中已经实现一个弱函数后，Keil MDK依然会判断函数地址为0，所以人为修改TinyUSB协议栈的源码，移除这个弱函数的声明，同时显式调用tud_suspend_cb()函数。

void tud_task_ext(uint32_t timeout_ms, bool in_isr)
{
    ...
      case DCD_EVENT_SUSPEND:
        // NOTE: When plugging/unplugging device, the D+/D- state are unstable and
        // can accidentally meet the SUSPEND condition ( Bus Idle for 3ms ), which result in a series of event
        // e.g suspend -> resume -> unplug/plug. Skip suspend/resume if not connected
        if ( _usbd_dev.connected )
        {
          TU_LOG(USBD_DBG, ": Remote Wakeup = %u\r\n", _usbd_dev.remote_wakeup_en);
//          if (tud_suspend_cb) tud_suspend_cb(_usbd_dev.remote_wakeup_en);
            tud_suspend_cb(_usbd_dev.remote_wakeup_en);
        }else
        {
          TU_LOG(USBD_DBG, " Skipped\r\n");
        }
      break;
   ...
}

这也是之前键盘不能唤醒主机的原因：TinyUSB没意识到电脑之前已经进入待机状态了，所以再唤醒时，不会发出唤醒信号。

降低主频

修改主频的方法就是修改 PLL 的倍频系数，从 72MHz 改为 12MHz，1MHz，MCU的功耗也从两位数降至一位数，但依然高达 5mA 以上，继续降至 500KHz，好像也没有什么效果。

查了手册后发现，可以继续将系统时钟切换到LSI 上，它只有 40KHz 左右的频率。即使降低主频到 40KHz，功耗依然高达4mA。

虽然降低了系统时钟，但还有两个高主频的时钟发生器在工作： PLL1 和 PLL2，其中，PLL1 为系统提供 72MHz 的工作时钟，PLL2 为 USB 提供 48MHz 的工作时钟。切换系统时钟到 LSI 后，PLL1 就不用了，关闭后，功耗降至 2.9mA。继续试着关PLL2，但PLL2一旦被关闭，USB外设引擎也就停用了，不能捕获PC发送过来的suspend信号。到时候试着用按键唤醒芯片吧，关掉PLL2试试看。关闭 PLL2 后，功耗降到 1.8mA，等键盘矩阵扫描到有按键按下后，恢复这个 PLL2，USB还是能继续工作的。

但是，因为USB外设引擎没有时钟驱动不能工作，收不到电脑发来的suspend信号，电脑就再也唤不醒键盘了！

电脑唤醒usb设备

由于关闭了 PLL2，造成 USB 停止工作，因此当电脑唤醒设备的时候，MCU接收不到来自电脑的唤醒信号，MCU始终处于低功耗模式。

这里只能使用一些奇怪的招式。

电脑唤醒设备的时候，USB的信号线上是会出现电平的变化的，如果使用某个引脚检查这个电平变化，就可以知道电脑要唤醒设备了，让设备退出低功耗模式。

PA12 引脚作为 USB D+ 信号线，能否配置 PA12 引脚检查这个电平变化呢？经过实验是不行的，PA12引脚一直被USB占用（USB设备被停了时钟，但未停电），无法读取 PA12 的电平变化，即使关闭了USB 的RCC时钟也不行（仅关闭访问USB寄存器区域的地址映射），必须使用USB_Enable(false)关闭 USB 外设才能释放引脚。但执行了这个功能后，USB 整个外设的大部分逻辑就会被重置，不可行。

此时，从USB D+信号上飞一根信号线到别的GPIO引脚，用这个引脚检测电平的变化。键盘原型电路板右侧留有为扩展数字键盘的接口，上面有一个 PB15 引脚，适合用于检测 USB D+ 电平变化。如图x所示。

图x 捕获电脑唤醒USB设备的外部中断线

软件处理上，配置PB15可以捕获外部中断，当MCU进入低功耗状态时，打开外部中断，下降沿触发中断，退出低功耗状态时，关闭外部中断，清除触发方式。可行。

退出低功耗

前面为了最大限度地降低MCU的功耗，将系统时钟切换到 LSI，关闭 PLL1 和 PLL2，关闭了指示灯。退出低功耗时，就需要把这些功能再重新打开。

为了加快从低功耗模式到正常模式的速度，退出低功耗应先打开PLL1和PLL2，切换系统时钟到 PLL1 上，然后再打开指示灯，进入正常的工作模式。

将以上退出低功耗的过程相当于重新初始化了整个芯片的时钟系统，故可调用板子初始化过程中配置时钟的函数BOARD_InitBootClocks()，分别在外部中断和应用层唤醒电脑之前执行这个函数。

经过实验，键盘的待机电流低至2mA以下，键盘能唤醒电脑，电脑也能唤醒键盘。但总得按下键盘任意键等一会，或者不停地按按键，才能唤醒键盘，这不是一个好消息。

进入STOP模式

在未引入中断唤醒的方法时，仅通过降低主频降低功耗后，键盘从低功耗状态下唤醒总是反应很慢。降低主频的方法虽然保证了键盘能够一直被扫描，但40KHz的工作频率，扫描一次键盘花费的时间长达0.5s，要是很快地按下一次按键，则键盘可能扫描不到按键被按下，表现就是没反应，或者唤醒电脑唤醒地慢，这并不是一个可被接受的结果。

根据客户的建议，待机唤醒仅需要知道有按键按下就行，至于按下了哪一个按键，是不需要被关心的，因此只需要判断哪一行的按键被按下即可，这样只需要6个外部中断。

使用外部中断会有一个问题，例如，若把PA0用作外部中断源，则PB0就不能再被用作外部中断源，这算是灵动MCU芯片设计的一个限制。幸好，设计电路的工程师在设计键盘原理图时，因为某种神秘的强迫症，想方设法把6个行引脚强制选到了 GPIOB 上，避免了外部中断源冲突的问题。如此，在软件中只要分配一个外部中断服务函数即可捕获6个中断源。

使用外部中断检测按键是否被按下的事件，就可以使用MCU的STOP模式进一步降低功耗。如果需要知道是哪个按键被按下（比如说 Cherry 键盘唤醒主机后，被按下的那个按键还是会有特定的灯效），只需要让设备恢复过来后，趁用户还没把按键松开的时候，再扫描一遍键盘即可，一般来说，从按键被按下到按键被松开，至少会有 10ms 以上的时间，足够MCU唤醒后，再扫描一次键盘了。

此时，选择"STOP模式+外部中断"的唤醒方案，前面提到的降低主频，人为关闭 PLL 等操作就都不需要考虑了：进入STOP模式后，CPU直接暂停工作，并自动关停所有PLL。外部中断唤醒且执行完外部中断服务程序后，CPU会被原地唤醒继续工作。但需要注意到，从STOP模式唤醒后，MCU的系统时钟源换成了HSI，PLL均全部关闭，因此需要在中断函数中再重新配置一次系统时钟，启用PLL，包括USB的48MHz时钟。

/* exti interrupt handler. */
void EXTI15_4_IRQHandler(void)
{
    /* config the clock. */
    BOARD_InitBootClocks();
    BOARD_EnableLEDPins(true);

    /* get exti line. */
    uint32_t flags = EXTI_GetLineStatus(EXTI);

    /* deinit exti. */
    for (uint32_t i = 0; i < KB_MTX_LINE_PIN_NUM; i++)
    {
        EXTI_SetTriggerIn(EXTI, 1 << kb_mtx_line_pins[i].Pin, EXTI_TriggerIn_Disable);
        EXTI_EnableLineInterrupt(EXTI, 1 << kb_mtx_line_pins[i].Pin, false);
    }
    EXTI_SetTriggerIn(EXTI, EXTI_LINE_15, EXTI_TriggerIn_Disable);
    EXTI_EnableLineInterrupt(EXTI, EXTI_LINE_15, false);
    EXTI_ClearLineStatus(EXTI, flags);
    NVIC_DisableIRQ(EXTI15_4_IRQn);

    /* set row gpio to high. */
    for (uint32_t i = 0; i < KB_MTX_ROW_PIN_NUM; i++)
    {
        GPIO_SetBits(kb_mtx_row_pins[i].GPIOx, 1 << kb_mtx_row_pins[i].Pin);
    }

    /* send event to tinyusb. */
    if ( 0u != ( flags & EXTI_LINE_15 ) ) /* Interrupts. */
    {
    }
    else
    {
        tud_remote_wakeup();
    }
}

经过实验，使用这种方法能够使MCU在低功耗状态下的功耗降至1mA以下。

总结

本例根据客户需求，从系统层面上优化了以MM32F0160为主控的USB机械键盘参考方案的待机功耗。满足了USB键盘在低功耗状态下待机电流小于1.8mA的需求（实际仅为0.8mA左右）。

通过调试电路系统，发现提供背光效果的WS2812B灯带和电源状态指示灯耗电巨大，暂且移除相关电路。后期若要保留灯效，可通过PMOS管电路控制供电。

通过调试软件，使用外部中断配合MCU的STOP低功耗模式，解决了PC机和USB键盘双向唤醒的问题：

• PC机发送suspend信号触发TinyUSB中断让USB键盘进入休眠；
• PC机发送resume信号无法触发TinyUSB的中断，但USB键盘通过IO引脚上的外部引脚中断捕获到来自键盘上的唤醒事件；
• USB键盘通过IO引脚上的外部中断捕获来自键盘矩阵上的唤醒信号，唤醒自身MCU后，再通过USB发送resume信号进一步唤醒PC机。

END