37. 电源管理—实现低功耗

本章参考资料:《STM32参考手册》、《STM32F103CDE增强型系列数据手册》。

37.1. 电源管理相关的库函数及命令

STM32HAL库对电源管理提供了完善的函数及命令,使用它们可以方便地进行控制,本小节对这些内容进行讲解。

37.1.1. 配置PVD监控功能

PVD可监控VDD的电压,当它低于阈值时可产生PVD中断以让系统进行紧急处理,这个阈值可以直接使用库函数PWR_PVDLevelConfig配置成前面 表38_1 中说明的阈值等级。

37.1.2. 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,见 代码清单38_1

代码清单 38‑1 WFI与WFE的指令定义(core_cm3.h文件)
 /** 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,关于它们更详细的区别可查阅《cortex-CM3/CM4权威指南》了解。

37.1.3. 进入停止模式

直接调用WFI和WFE指令可以进入睡眠模式,而进入停止模式则还需要在调用指令前设置一些寄存器位, STM32HAL库把这部分的操作封装到HAL_PWR_EnterSTOPMode函数中了,它的定义 见 代码清单38_2

代码清单 40‑2 进入停止模式
 /**
 * @brief 进入停止模式
 * @note 在停止模式下所有I/O都会保持在停止前的状态
 * @note 从停止模式唤醒后,会使用HSI作为时钟源
 * @note 调压器若工作在低功耗模式,可减少功耗,但唤醒时会增加延迟
 * @param Regulator: 设置停止模式时调压器的工作模式
 *        @arg PWR_MAINREGULATOR_ON: 调压器正常运行
 *        @arg PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON: 调压器低功耗运行
 * @param STOPEntry: 设置使用WFI还是WFE进入停止模式
 *        @arg PWR_STOPENTRY_WFI: WFI进入停止模式
 *        @arg PWR_STOPENTRY_WFE: WFE进入停止模式
 * @retval None
 */
 void HAL_PWR_EnterSTOPMode(uint32_t Regulator, uint8_t STOPEntry)
 {
     uint32_t tmpreg = 0;

     /* 检查参数是否合法 */
     assert_param(IS_PWR_REGULATOR(Regulator));
     assert_param(IS_PWR_STOP_ENTRY(STOPEntry));

     /* 设置调压器的模式 ---------------------------------*/
     tmpreg = PWR->CR1;
     /* 清除 PDDS 及 LPDS 位 */
     tmpreg &= (uint32_t)~(PWR_CR1_PDDS | PWR_CR1_LPDS);

     /* 根据PWR_Regulator 的值(调压器工作模式)配置LPDS,MRLVDS及LPLVDS位 */
     tmpreg |= Regulator;

     /* 写入参数值到寄存器 */
     PWR->CR1 = tmpreg;

     /* 设置内核寄存器的SLEEPDEEP位 */
     SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;

     /* 设置进入停止模式的方式 -----------------------------------------------*/
     if (STOPEntry == PWR_STOPENTRY_WFI) {
         /* 需要中断唤醒 */
         __WFI();
     } else {
         /* 需要事件唤醒 */
         __SEV();
         __WFE();
         __WFE();
     }
     /* 以下的程序是当重新唤醒时才执行的,清除SLEEPDEEP位的状态 */
     SCB->SCR &= (uint32_t)~((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk);
 }

这个函数有两个输入参数,分别用于控制调压器的模式及选择使用WFI或WFE停止,代码中先是根据调压器的模式配置PWR_CR寄存器,再把内核寄存器的SLEEPDEEP位置1,这样再调用WFI或WFE命令时,STM32就不是睡眠,而是进入停止模式了。函数结尾处的语句用于复位SLEEPDEEP位的状态,由于它是在WFI及WFE指令之后的,所以这部分代码是在STM32被唤醒的时候才会执行。

要注意的是进入停止模式后,STM32的所有I/O都保持在停止前的状态,而当它被唤醒时,STM32使用HSI作为系统时钟(8MHz)运行,由于系统时钟会影响很多外设的工作状态,所以一般我们在唤醒后会重新开启HSE,把系统时钟设置回原来的状态。

37.1.4. 进入待机模式

类似地,STM32 HAL库也提供了控制进入待机模式的函数,其定义见。

代码清单 38‑3 进入待机模式
 /**
 * @brief 进入待机模式
 * @note 待机模式时,除了以下引脚,其余引脚都在高阻态:
 *          - 复位引脚
 *          - RTC_AF1 引脚 (PC13)(需要使能侵入检测、时间戳事件或RTC闹钟事件)
 *          - RTC_AF2 引脚 (PI8) (需要使能侵入检测或时间戳事件)
 *          - WKUP 引脚 (PA0) (需要使能WKUP唤醒功能)
 * @retval None
 */
 void HAL_PWR_EnterSTANDBYMode(void)
 {
     /* 选择待机模式 */
     PWR->CR1 |= PWR_CR1_PDDS;

     /* 设置内核寄存器的SLEEPDEEP位 */
     SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;

     /* 存储操作完毕时才能进入待机模式,使用以下语句确保存储操作执行完毕 */
 #if defined ( __CC_ARM)
     __force_stores();
 #endif
     /* 等待中断唤醒 */
     __WFI();
 }

该函数中先配置了PDDS寄存器位及SLEEPDEEP寄存器位,接着调用__force_stores函数确保存储操作完毕后再调用WFI指令,从而进入待机模式。这里值得注意的是,待机模式也可以使用WFE指令进入的,如果您有需要可以自行修改。

在进入待机模式后,除了被使能了的用于唤醒的I/O,其余I/O都进入高阻态,而从待机模式唤醒后,相当于复位STM32芯片,程序重新从头开始执行。

37.2. PWR—睡眠模式实验

在本小节中,我们以实验的形式讲解如何控制STM32进入低功耗睡眠模式。

37.2.1. 硬件设计

实验中的硬件主要使用到了按键、LED彩灯以及使用串口输出调试信息,这些硬件都与前面相应实验中的一致,涉及到硬件设计的可参考原理图或前面章节中的内容。

37.2.2. 软件设计

本小节讲解的是“PWR—睡眠模式”实验,请打开配套的代码工程阅读理解。

37.2.2.1. 程序设计要点

  1. 初始化用于唤醒的中断按键;

  2. 进入睡眠状态;

  3. 使用按键中断唤醒芯片;

37.2.2.2. 代码分析

37.2.2.2.1. main函数

睡眠模式的程序比较简单,我们直接阅读它的main函数了解执行流程,见 代码清单38_4

代码清单 38‑4 睡眠模式的main函数(main.c文件)
 int main(void)
 {
     /* 初始化系统时钟为72MHz */
     SystemClock_Config();
     /* 初始化LED */
     LED_GPIO_Config();
     /* 初始化调试串口,一般为串口1 */
     DEBUG_USART_Config();
     /*
     初始化按键为中断模式,按下中断后会进入中断
     服务函数  */
     EXTI_Key_Config();

     printf("\r\n 欢迎使用野火  STM32 F103 开发板。\r\n");
     printf("\r\n 野火F103 睡眠模式例程\r\n");

     printf("\r\n 实验说明:\r\n");

     printf("\r\n 1.本程序中,绿灯表示STM32正常运行,红灯表示睡眠状态,蓝灯表示刚从睡眠状态被唤醒\r\n");
     printf("\r\n 2.程序运行一段时间后自动进入睡眠状态,在睡眠状态下,可使用KEY1或KEY2唤醒\r\n");
     printf("\r\n 3.本实验执行这样一个循环:\r\n ------》亮绿灯(正常运行)->亮红灯(睡眠模式)->按KEY1或KEY2唤醒->亮蓝灯(刚被唤醒)-----》\r\n");
     printf("\r\n 4.在睡眠状态下,DAP下载器无法给STM32下载程序\r\n 可按KEY1、KEY2唤醒后下载,\r\n 或按复位键使芯片处于复位状态,然后在电脑上点击下载按钮,再释放复位按键,即可下载 \r\n");

     while (1) {
         /*********执行任务***************************/
         printf("\r\n STM32正常运行,亮绿灯\r\n");

         LED_GREEN;
         HAL_Delay(2000);
         /*****任务执行完毕,进入睡眠降低功耗***********/

         printf("\r\n 进入睡眠模式,亮红灯,按KEY1或KEY2按键可唤醒\r\n");

         //使用红灯指示,进入睡眠状态
         LED_RED;
         //暂停滴答时钟,防止通过滴答时钟中断唤醒
         HAL_SuspendTick();
         //进入睡眠模式
         HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON,PWR_SLEEPENTRY_WFI);
         //等待中断唤醒  K1或K2按键中断
         /***被唤醒,亮蓝灯指示***/
         LED_BLUE;
         //被唤醒后,恢复滴答时钟
         HAL_ResumeTick();
         HAL_Delay(2000);

         printf("\r\n 已退出睡眠模式\r\n");
         //继续执行while循环

     }
 }

这个main函数的执行流程见 图38_1

图 38‑1 睡眠模式实验流程图
  1. 程序中首先初始化了LED灯及串口以便用于指示芯片的运行状态,并且把实验板上的两个按键都初始化成了中断模式, 以便当系统进入睡眠模式的时候可以通过按键来唤醒。这些硬件的初始化过程都跟前面章节中的一模一样。

  2. 初始化完成后使用LED及串口表示运行状态,在本实验中,LED彩灯为绿色时表示正常运行,红灯时表示睡眠状态,蓝灯时表示刚从睡眠状态中被唤醒。

  3. 程序执行一段时间后,直接使用WFI指令进入睡眠模式,由于WFI睡眠模式可以使用任意中断唤醒,所以我们可以使用按键中断唤醒。 在实际应用中,您也可以把它改成串口中断、定时器中断等。

  4. 当系统进入停止状态后,我们按下实验板上的KEY1或KEY2按键,即可使系统回到正常运行的状态,当执行完中断服务函数后,会继续执行WFI指令后的代码。

37.2.2.2.2. 中断服务函数

系统刚被唤醒时会进入中断服务函数,见 代码清单38_5

代码清单 38‑5 按键中断的服务函数(stm32f1xx_it.c文件)
 void KEY1_IRQHandler(void)
 {
     HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(KEY1_INT_GPIO_PIN);
 }

 void KEY2_IRQHandler(void)
 {
     HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(KEY2_INT_GPIO_PIN);
 }
 void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
 {
     LED_BLUE;
     if (GPIO_Pin==KEY1_INT_GPIO_PIN)
         printf("\r\n KEY1 按键中断唤醒 \r\n");
     else if (GPIO_Pin==KEY2_INT_GPIO_PIN)
         printf("\r\n KEY2 按键中断唤醒 \r\n");
     else {
     }
 }

用于唤醒睡眠模式的中断,其中断服务函数也没有特殊要求,跟普通的应用一样。

37.2.3. 下载验证

下载这个实验测试时,可连接上串口,在电脑端的串口调试助手获知调试信息。当系统进入睡眠状态的时候,可以按KEY1或KEY2按键唤醒系统。

注意:

当系统处于睡眠模式低功耗状态时(包括后面讲解的停止模式及待机模式),使用DAP下载器是无法给芯片下载程序的,所以下载程序时要先把系统唤醒。或者使用如下方法:按着板子的复位按键,使系统处于复位状态,然后点击电脑端的下载按钮下载程序,这时再释放复位按键,就能正常给板子下载程序了。

37.3. PWR—停止模式实验

在睡眠模式实验的基础上,我们进一步讲解如何进入停止模式及唤醒后的状态恢复。

37.3.1. 硬件设计

本实验中的硬件与睡眠模式中的一致,主要使用到了按键、LED彩灯以及使用串口输出调试信息。

37.3.2. 软件设计

本小节讲解的是“PWR—停止模式”实验,请打开配套的代码工程阅读理解。

37.3.2.1. 程序设计要点

  1. 初始化用于唤醒的中断按键;

  2. 选择电压调节器的工作模式并进入停止状态;

  3. 使用按键中断唤醒芯片;

  4. 重启HSE时钟,使系统完全恢复停止前的状态。

37.3.2.2. 代码分析

37.3.2.2.1. 重启HSE时钟

与睡眠模式不一样,系统从停止模式被唤醒时,是使用HSI作为系统时钟的,在STM32F103中,HSI时钟一般为8MHz, 与我们常用的72MHz相关太远,它会影响各种外设的工作频率。所以在系统从停止模式唤醒后,若希望各种外设恢复正常的工作状态, 就要恢复停止模式前使用的系统时钟,本实验中定义了一个SYSCLKConfig_STOP函数,用于恢复系统时钟,它的定义 见 代码清单38_6

代码清单 38‑6 恢复系统时钟(main.c文件)
 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) {
             ;
         }
     }
 }

这个函数主要是调用了各种RCC相关的库函数,开启了HSE时钟、使能PLL并且选择PLL作为时钟源,从而恢复停止前的时钟状态。

37.3.2.2.2. main函数

停止模式实验的main函数流程与睡眠模式的类似,主要是调用指令方式的不同及唤醒后增加了恢复时钟的操作,见 代码清单38_7

代码清单 38‑7 停止模式的main函数(main.c文件)
 int main(void)
 {
     uint32_t SYSCLK_Frequency=0;
     uint32_t HCLK_Frequency=0;
     uint32_t PCLK1_Frequency=0;
     uint32_t PCLK2_Frequency=0;
     uint32_t SYSCLK_Source=0;

     /* 初始化系统时钟为72MHz */
     SystemClock_Config();
     /* 初始化LED */
     LED_GPIO_Config();
     /* 初始化调试串口,一般为串口1 */
     DEBUG_USART_Config();
     /*
     初始化按键为中断模式,按下中断后会进入中断
     服务函数  */
     EXTI_Key_Config();

     printf("\r\n 欢迎使用野火  STM32 F103 开发板。\r\n");
     printf("\r\n 野火F103 停止模式例程\r\n");

     printf("\r\n 实验说明:\r\n");

     printf("\r\n 1.本程序中,绿灯表示STM32正常运行,红灯表示睡眠状态,蓝灯表示刚从停止状态被唤醒\r\n");
     printf("\r\n 2.程序运行一段时间后自动进入停止状态,在停止状态下,可使用KEY1或KEY2唤醒\r\n");
     printf("\r\n 3.本实验执行这样一个循环:\r\n ------》亮绿灯(正常运行)->亮红灯(停止模式)->按KEY1或KEY2唤醒->亮蓝灯(刚被唤醒)-----》\r\n");
     printf("\r\n 4.在停止状态下,DAP下载器无法给STM32下载程序\r\n 可按KEY1、KEY2唤醒后下载,\r\n 或按复位键使芯片处于复位状态,然后在电脑上点击下载按钮,再释放复位按键,即可下载\r\n");

     while (1) {
         /*********执行任务***************************/
         printf("\r\n STM32正常运行,亮绿灯\r\n");

         LED_GREEN;
         HAL_Delay(2000);
         /*****任务执行完毕,进入睡眠降低功耗***********/

         printf("\r\n 进入停止模式,亮红灯,按KEY1或KEY2按键可唤醒\r\n");

         //使用红灯指示,进入睡眠状态
         LED_RED;
         //暂停滴答时钟,防止通过滴答时钟中断唤醒
         HAL_SuspendTick();
         /*设置停止模式时,FLASH进入掉电状态*/
         HAL_PWREx_EnableFlashPowerDown();
         /*
         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);
         //等待中断唤醒  K1或K2按键中断
         /***被唤醒,亮蓝灯指示***/
         LED_BLUE;
         //根据时钟寄存器的值更新SystemCoreClock变量
         SystemCoreClockUpdate();
         //获取唤醒后的时钟状态
         SYSCLK_Frequency = HAL_RCC_GetSysClockFreq();
         HCLK_Frequency   = HAL_RCC_GetHCLKFreq();
         PCLK1_Frequency  = HAL_RCC_GetPCLK1Freq();
         PCLK2_Frequency  = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();
         SYSCLK_Source    = __HAL_RCC_GET_SYSCLK_SOURCE();
         //这里由于串口直接使用HSI时钟,不会会影响串口波特率
         printf("\r\n刚唤醒的时钟状态:\r\n");
         printf(" SYSCLK频率:%d,\r\n HCLK频率:%d,\r\n PCLK1频率:%d,\r\n PCLK2频率:%d,\r\n 时钟源:%d (0表示HSI,8表示PLLCLK)\n",SYSCLK_Frequency,HCLK_Frequency,PCLK1_Frequency,PCLK2_Frequency,SYSCLK_Source);
         /* 从停止模式唤醒后配置系统时钟:启用HSE、PLL*/
         /* 选择PLL作为系统时钟源(HSE和PLL在停止模式下禁用)*/

         SYSCLKConfig_STOP();
         //被唤醒后,恢复滴答时钟
         HAL_ResumeTick();
         //获取重新配置后的时钟状态
         SYSCLK_Frequency = HAL_RCC_GetSysClockFreq();
         HCLK_Frequency   = HAL_RCC_GetHCLKFreq();
         PCLK1_Frequency  = HAL_RCC_GetPCLK1Freq();
         PCLK2_Frequency  = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();
         SYSCLK_Source    = __HAL_RCC_GET_SYSCLK_SOURCE();

         //重新配置时钟源后始终状态
         printf("\r\n重新配置后的时钟状态:\r\n");
         printf(" SYSCLK频率:%d,\r\n HCLK频率:%d,\r\n PCLK1频率:%d,\r\n PCLK2频率:%d,\r\n 时钟源:%d (0表示HSI,8表示PLLCLK)\n",SYSCLK_Frequency,HCLK_Frequency,PCLK1_Frequency,PCLK2_Frequency,SYSCLK_Source);
         HAL_Delay(2000);
         printf("\r\n 已退出停止模式\r\n");
         //继续执行while循环
     }
 }

这个main函数的执行流程见 图38_2

图 38‑2 停止模式实验流程图
  1. 程序中首先初始化了LED灯及串口以便用于指示芯片的运行状态,并且把实验板上的两个按键都初始化成了中断模式, 以便当系统进入停止模式的时候可以通过按键来唤醒。这些硬件的初始化过程都跟前面章节中的一模一样。

  2. 初始化完成后使用LED及串口表示运行状态,在本实验中,LED彩灯为绿色时表示正常运行,红灯时表示停止状态, 蓝灯时表示刚从停止状态中被唤醒。在停止模式下,I/O口会保持停止前的状态,所以LED彩灯在停止模式时也会保持亮红灯。

  3. 程序执行一段时间后,我们先用库函数HAL_PWREx_EnableFlashPowerDown设置FLASH的在停止状态时使用掉电模式, 接着调用库函数HAL_PWR_EnterSTOPMode把调压器设置在低功耗模式,进入停止状态。由于WFI停止模式可以使用任意EXTI的中断唤醒,所以我们可以使用按键中断唤醒。

  4. 当系统进入睡眠状态后,我们按下实验板上的KEY1或KEY2按键,即可唤醒系统,当执行完中断服务函数后, 会继续执行HAL_PWR_EnterSTOPMode函数后的代码。

  5. 为了更清晰地展示停止模式的影响,在刚唤醒后,我们调用了库函数SystemCoreClockUpdate、HAL_RCC_GetSysClockFreq、 HAL_RCC_GetHCLKFreq、HAL_RCC_GetPCLK1Freq、HAL_RCC_GetPCLK2Freq、__HAL_RCC_GET_SYSCLK_SOURCE函数获取刚唤醒后的系统的时钟源以及时钟频率,并通过串口打印出来。在使用SYSCLKConfig_STOP函数恢复时钟后,我们再次获取这些时频率,最后再通过串口打印出来。

  6. 通过串口调试信息我们会知道刚唤醒时系统时钟使用的是HSI时钟,频率为8MHz,恢复后的系统时钟采用HSE倍频后的PLL时钟,时钟频率为72MHz。

37.3.3. 下载验证

下载这个实验测试时,可连接上串口,在电脑端的串口调试助手获知调试信息。当系统进入停止状态的时候,可以按KEY1或KEY2按键唤醒系统。

注意:

当系统处于停止模式低功耗状态时(包括睡眠模式及待机模式),使用DAP下载器是无法给芯片下载程序的,所以下载程序时要先把系统唤醒。或者使用如下方法:按着板子的复位按键,使系统处于复位状态,然后点击电脑端的下载按钮下载程序,这时再释放复位按键,就能正常给板子下载程序了。

37.4. STM32的电源管理简介

电源对电子设备的重要性不言而喻,它是保证系统稳定运行的基础,而保证系统能稳定运行后,又有低功耗的要求。在很多应用场合中都对电子设备的功耗要求非常苛刻,如某些传感器信息采集设备,仅靠小型的电池提供电源,要求工作长达数年之久,且期间不需要任何维护;由于智慧穿戴设备的小型化要求,电池体积不能太大导致容量也比较小,所以也很有必要从控制功耗入手,提高设备的续行时间。因此,STM32有专门的电源管理外设监控电源并管理设备的运行模式,确保系统正常运行,并尽量降低器件的功耗。

37.4.1. 电源监控器

STM32芯片主要通过引脚VDD从外部获取电源,在它的内部具有电源监控器用于检测VDD的电压,以实现复位功能及掉电紧急处理功能,保证系统可靠地运行。

37.4.1.1. 上电复位与掉电复位(POR与PDR)

当检测到VDD的电压低于阈值VPOR及VPDR时,无需外部电路辅助,STM32芯片会自动保持在复位状态,防止因电压不足强行工作而带来严重的后果。见 图38_3,在刚开始电压低于VPOR时(约1.92V),STM32保持在上电复位状态(POR,Power On Reset),当VDD电压持续上升至大于VPOR时,芯片开始正常运行,而在芯片正常运行的时候,当检测到VDD电压下降至低于VPDR阈值(约1.88V),会进入掉电复位状态(PDR,Power Down Reset)。

图 38‑3 POR与PDR

图 38‑3 POR与PDR

37.4.1.2. 可编程电压检测器PVD

上述POR、PDR功能是使用其电压阈值与外部供电电压VDD比较,当低于工作阈值时,会直接进入复位状态,这可防止电压不足导致的误操作。除此之外,STM32还提供了可编程电压检测器PVD,它也是实时检测VDD的电压,当检测到电压低于编程的VPVD阈值时,会向内核产生一个PVD中断(EXTI16线中断)以使内核在复位前进行紧急处理。该电压阈值可通过电源控制寄存器PWR_CSR设置。

使用PVD可配置8个等级,见 表38_1。其中的上升沿和下降沿分别表示类似 图38_3 中VDD电压上升过程及下降过程的阈值。

表 38‑1 PVD的阈值等级

阈值等级

条件

最小值

典型值

最大值

单位

级别0

上升沿

2.1

2.18

2.26

V

下降沿

2

2.08

2.16

V

级别1

上升沿

2.19

2.28

2.37

V

下降沿

2.09

2.18

2.27

V

级别2

上升沿

2.28

2.38

2.48

V

下降沿

2.18

2.28

2.38

V

级别3

上升沿

2.38

2.48

2.58

V

下降沿

2.28

2.38

2.48

V

级别4

上升沿

2.47

2.58

2.69

V

下降沿

2.37

2.48

2.59

V

级别5

上升沿

2.57

2.68

2.79

V

下降沿

2.47

2.58

2.69

V

级别6

上升沿

2.66

2.78

2.9

V

下降沿

2.56

2.68

2.8

V

级别7

上升沿

2.76

2.88

3

V

下降沿

2.66

2.78

2.9

V

37.4.2. STM32的电源系统

为了方便进行电源管理,STM32把它的外设、内核等模块跟据功能划分了供电区域,其内部电源区域划分见 图38_4

图 38‑4 STM32的电源系统

图 38‑4 STM32的电源系统

从框图了解到,STM32的电源系统主要分为备份域电路、内核电路以及ADC电路三部分,介绍如下:

  • ADC电源及参考电压(VDDA供电区域)

为了提高转换精度,STM32的ADC配有独立的电源接口,方便进行单独的滤波。 ADC的工作电源使用VDDA引脚输入,使用VSSA作为独立的地连接,VREF引脚则为ADC提供测量使用的参考电压。

  • 调压器供电电路(VDD/1.8V供电区域)

在STM32的电源系统中调压器供电的电路是最主要的部分,调压器为备份域及待机电路以外的所有数字电路供电,其中包括内核、数字外设以及RAM,调压器的输出电压约为1.8V,因而使用调压器供电的这些电路区域被称为1.8V域。

调压器可以运行在“运行模式”、“停止模式”以及“待机模式”。在运行模式下,1.8V域全功率运行;在停止模式下1.8V域运行在低功耗状态,1.8V区域的所有时钟都被关闭,相应的外设都停止了工作,但它会保留内核寄存器以及SRAM的内容;在待机模式下,整个1.8V域都断电,该区域的内核寄存器及SRAM内容都会丢失(备份区域的寄存器不受影响)。

  • 备份域电路(后备供电区域)

STM32的LSE振荡器、RTC及备份寄存器这些器件被包含进备份域电路中,这部分的电路可以通过STM32 的VBAT引脚获取供电电源,在实际应用中一般会使用3V的钮扣电池对该引脚供电。

在图中备份域电路的左侧有一个电源开关结构,它的功能类似图 40‑5中的双二极管,在它的“1”处连接了VBAT电源,“2”处连接 了VDD主电源(一般为3.3V),右侧“3”处引出到备份域电路中。 当VDD主电源存在时,由于VDD电压较高,备份域电路 通过VDD供电,节省钮扣电池的电源,仅当VDD掉电时, 备份域电路由钮扣电池通过VBAT供电,保证电路能持续运行,从而可利用它保留关键数据。

图 38‑5 双二极管结构

图 38‑5 双二极管结构

37.4.3. STM32的功耗模式

按功耗由高到低排列,STM32具有运行、睡眠、停止和待机四种工作模式。上电复位后STM32处于运行状态时,当内核不需要继续运行,就可以选择进入后面的三种低功耗模式降低功耗,这三种模式中,电源消耗不同、唤醒时间不同、唤醒源不同,用户需要根据应用需求,选择最佳的低功耗模式。三种低功耗的模式说明见表 40‑2。

表 40‑2STM32的低功耗模式说明

模式

说明

进入方式

唤醒方式

对1.8V区域时钟的影响

对VDD区域 时钟的影响

调压器

睡眠

内核停止,所有外设包括M3核心的外设,如NVIC、系统时钟(SysTick)等仍在运行

调用WFI命令

任一中断

内核时钟关,对其他时钟和ADC时钟无影响

调用WFE命令

唤醒事件

停止

所有的时钟都已停止

配置PWR_CR寄存器的PDDS +LPDS 位+SLEEPDEEP位

+WFI或WFE命令

任一外部中断( 在外部中断寄存器中设置)

关闭所有1.8V区域的时钟

HSI和HSE的振荡器关闭

开启或处于低功耗模式( 依据电源控制寄存器的设定)

待机

1.8V 电源关闭

配置PWR_CR寄存器的PDDS +SLEEPDEEP位

+WFI或WFE命令

WKUP 引脚的上升沿、RTC闹钟事件、NRST 引脚上的外部复位、IWDG 复位

从表中可以看到,这三种低功耗模式层层递进,运行的时钟或芯片功能越来越少,因而功耗越来越低。

37.4.3.1. 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。睡眠模式的各种特性见表 40‑3。

表 40‑3 睡眠模式的各种特性

特性

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;

另外若内核寄存器的SLEEPONEXIT=0时,进入“立即睡眠”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。

37.4.3.2. 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。停止模式的各种特性见 表40‑4。

表 40‑4 停止模式的各种特性

特性

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。

37.4.3.3. 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。

表 40‑5 待机模式的各种特性

特性

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。

在以上讲解的睡眠模式、停止模式及待机模式中,若备份域电源正常供电,备份域内的RTC都可以正常运行,备份域内的寄存器的数据会被保存,不受功耗模式影响。

37.5. PWR—待机模式实验

最后我们来学习最低功耗的待机模式。

37.5.1. 硬件设计

本实验中的硬件与睡眠模式、停止模式中的一致,主要使用到了按键、LED彩灯以及使用串口输出调试信息。要强调的是,由于WKUP引脚(PA0)必须使用上升沿才能唤醒待机状态的系统,所以我们硬件设计的PA0引脚连接到按键KEY1,且按下按键的时候会在PA0引脚产生上升沿,从而可实现唤醒的功能,按键的具体电路请查看配套的原理图。

37.5.2. 软件设计

本小节讲解的是“PWR—待机模式”实验,请打开配套的代码工程阅读理解。

37.5.2.1. 程序设计要点

  1. 清除WUF标志位;

  2. 使能WKUP唤醒功能;

  3. 进入待机状态。

37.5.2.2. 代码分析

37.5.2.2.1. main函数

待机模式实验的执行流程比较简单,见 代码清单38_8

代码清单 38‑8 停止模式的main函数(main.c文件)
 int main(void)
 {
     /* 初始化系统时钟为72MHz */
     SystemClock_Config();
     /* 初始化LED */
     LED_GPIO_Config();
     /* 初始化调试串口,一般为串口1 */
     DEBUG_USART_Config();
     /*初始化按键,不需要中断,
     仅初始化KEY2即可,只用于唤醒的PA0引脚不需要这样
     初始化*/
     Key_GPIO_Config();

     printf("\r\n 欢迎使用野火  STM32 F103 开发板。\r\n");
     printf("\r\n 野火F103 待机模式例程\r\n");

     printf("\r\n 实验说明:\r\n");

     printf("\r\n 1.本程序中,绿灯表示本次复位是上电或引脚复位,红灯表示即将进入待机状态,蓝灯表示本次是待机唤醒的复位\r\n");
     printf("\r\n 2.长按KEY2按键后,会进入待机模式\r\n");
     printf("\r\n 3.在待机模式下,按KEY1按键可唤醒,唤醒后系统会进行复位,程序从头开始执行\r\n");
     printf("\r\n 4.可通过检测WU标志位确定复位来源\r\n");

     printf("\r\n 5.在待机状态下,DAP下载器无法给STM32下载程序需要唤醒后才能下载");

     //检测复位来源
     if (__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_SB) == SET) {
         __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_SB);
         LED_BLUE;
         printf("\r\n 待机唤醒复位 \r\n");
     } else {
         LED_GREEN;
         printf("\r\n 非待机唤醒复位 \r\n");
     }

     while (1) {
         // K2 按键长按进入待机模式
         if (KEY2_LongPress()) {

             printf("\r\n即将进入待机模式,进入待机模式后可按KEY1唤醒,唤醒后会进行复位,程序从头开始执行\r\n");
             LED_RED;
             HAL_Delay(1000);

             /*清除WU状态位*/
             __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);

             /* 使能WKUP引脚的唤醒功能 ,使能PA0*/
             HAL_PWR_EnableWakeUpPin( 0x00000100U);

             //暂停滴答时钟,防止通过滴答时钟中断唤醒
             HAL_SuspendTick();
             /* 进入待机模式 */
             HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
         }
     }
 }

这个main函数的执行流程见图 40‑1。

图 40‑6 待机模式实验流程图

(1) 程序中首先初始化了系统时钟、LED灯及串口以便用于指示芯片的运行状态,由于待机模式唤醒使用WKUP引脚并不需要特别的引脚初始化,所以我们调用的按键初始化函数Key_GPIO_Config它的内部只初始化了KEY2按键,而且是普通的输入模式,对唤醒用的PA0引脚可以不初始化。当然,如果不初始化PA0的话,在正常运行模式中KEY1按键是不能正常运行的,我们这里只是强调待机模式的WKUP唤醒不需要中断,也不需要像按键那样初始化。本工程中使用的Key_GPIO_Config函数定义如 代码清单38_9 所示。

代码清单 38‑9 Key_GPIO_Config函数(bsp_key.c文件)
 void Key_GPIO_Config(void)
 {
     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

     /*开启按键GPIO口的时钟*/
     KEY2_GPIO_CLK_ENABLE();
     /*选择按键的引脚*/
     GPIO_InitStructure.Pin = KEY2_PIN;

     /*设置引脚为输入模式*/
     GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

     /*设置引脚不上拉也不下拉*/
     GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;

     /*使用上面的结构体初始化按键*/
     HAL_GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
 }
  1. 使使用库函数__HAL_PWR_GET_FLAG检测PWR_FLAG_SB标志位,当这个标志位为SET状态的时候,表示本次系统是从待机模式唤醒的复位,否则可能是上电复位。我们利用这个区分两种复位形式,分别使用蓝色LED灯或绿色LED灯来指示。

  2. 在while循环中,使用自定义的函数KEY2_LongPress来检测KEY2按键是否被长时间按下,若长时间按下则进入待机模式,否则继续while循环。KEY2_LongPress函数不是本章分析的重点,感兴趣的读者请自行查阅工程中的代码。

  3. 检测到KEY2按键被长时间按下,要进入待机模式。在使用库函数HAL_PWR_EnableWakeUpPin发送待机命令前,要先使用库函数__HAL_PWR_CLEAR_FLAG清除PWR_FLAG_WU标志位,并且使用库函数HAL_PWR_EnableWakeUpPin使能WKUP唤醒功能,这样进入待机模式后才能使用WKUP唤醒。

  4. 在进入待机模式前我们控制了LED彩灯为红色,但在待机状态时,由于I/O口会处于高阻态,所以LED灯会熄灭。

  5. 按下KEY1按键,会使PA0引脚产生一个上升沿,从而唤醒系统。

  6. 系统唤醒后会进行复位,从头开始执行上述过程,与第一次上电时不同的是,这样的复位会使PWR_FLAG_SB标志位改为SET状态,所以这个时候LED彩灯会亮蓝色。

  1. 下载验证

下载这个实验测试时,可连接上串口,在电脑端的串口调试助手获知调试信息。长按实验板上的KEY2按键,系统会进入待机模式,按KEY1按键可唤醒系统。

注意:

当系统处于待机模式低功耗状态时(包括睡眠模式及停止模式),使用DAP下载器是无法给芯片下载程序的,所以下载程序时要先把系统唤醒。或者使用如下方法:按着板子的复位按键,使系统处于复位状态,然后点击电脑端的下载按钮下载程序,这时再释放复位按键,就能正常给板子下载程序了。

37.6. PWR—PVD电源监控实验

这一小节我们学习如何使用PVD监控供电电源,增强系统的鲁棒性。

37.6.1. 硬件设计

本实验中使用PVD监控STM32芯片的VDD引脚,当监测到供电电压低于阈值时会产生PVD中断,系统进入中断服务函数进入紧急处理过程。 所以进行这个实验时需要使用一个可调的电压源给实验板供电,改变给STM32芯片的供电电压,为此我们需要先了解实验板的电源供电系统,见 图38_7

图 38‑7 实验板的电源供电系统

整个电源供电系统主要分为以下五部分:

  1. 6-12V的DC电源供电系统,这部分使用DC电源接口引入6-12V的电源, 经过RT7272进行电压转换成5V电源,再与第二部分的“5V_USB”电源线连接在一起。

  2. 第二部分使用USB接口,使用USB线从外部引入5V电源,引入的电源经过电源开关及保险丝连接到“5V”电源线。

  3. 第三部分的是电源开关及保险丝,即当我们的实验板使用DC电源或“5V_USB”线供电时,可用电源开关控制通断,保险丝也会起保护作用。

  4. “5V”电源线遍布整个板子,板子上各个位置引出的标有“5V”丝印的排针都与这个电源线直接相连。 5V电源线给板子上的某些工作电压为5V的芯片供电。5V电源还经过LDO稳压芯片,输出3.3V电源连接到“3.3V”电源线。

  5. 同样地,“3.3V”电源线也遍布整个板子,各个引出的标有“3.3V”丝印的排针都与它直接相连,3.3V电源给工作 电压为3.3V的各种芯片供电。STM32芯片的VDD引脚就是直接与这个3.3V电源相连的,所以通过STM32的PVD监控的就是这个“3.3V”电源线的电压。

当我们进行这个PVD实验时,为方便改变“3.3V”电源线的电压,我们可以把可调电源通过实验板上引出的“5V”及“GND” 排针给实验板供电,当可调电源电压降低时,LDO在“3.3V”电源线的供电电压会随之降低,即STM32的PVD监控的VDD引脚电压会降低,这样我们就可以模拟VDD电压下降的实验条件,对PVD进行测试了。不过,由于这样供电不经过保险丝,所以在调节电压的时候要小心,不要给它供电远高于5V,否则可能会烧坏实验板上的芯片。

37.6.2. 软件设计

本小节讲解的是“PWR—睡眠模式”实验,请打开配套的代码工程阅读理解。为了方便把这个工程的PVD监控功能移植到其它应用,我们把PVD电压监控相关的主要代码编都写到“bsp_pvd.c”及“bsp_pvd.h”文件中,这些文件是我们自己编写的,不属于HAL库的内容,可根据您的喜好命名文件。

37.6.2.1. 程序设计要点

  1. 初始化PVD中断;

  2. 设置PVD电压监控等级并使能PVD;

  3. 编写PVD中断服务函数,处理紧急任务。

37.6.2.2. 代码分析

37.6.2.2.1. 初始化PVD

使用PVD功能前需要先初始化,我们把这部分代码封装到PVD_Config函数中, 见 代码清单38_10

代码清单 38‑10 初始化PVD(bsp_pvd.c文件)
 void PVD_Config(void)
 {
     PWR_PVDTypeDef sConfigPVD;

     /*使能 PWR 时钟 */
     __PWR_CLK_ENABLE();
     /* 配置 PVD 中断 */
     /*中断设置,抢占优先级0,子优先级为0*/
     HAL_NVIC_SetPriority(PVD_IRQn, 0 ,0);
     HAL_NVIC_EnableIRQ(PVD_IRQn);

     /* 配置PVD级别5 (PVD检测电压的阈值为2.8V,
     VDD电压低于2.8V时产生PVD中断,具体数据
     可查询数据手册获知) 具体级别根据自己的
     实际应用要求配置*/
     sConfigPVD.PVDLevel = PWR_PVDLEVEL_5;
     sConfigPVD.Mode = PWR_PVD_MODE_IT_RISING_FALLING;
     HAL_PWR_ConfigPVD(&sConfigPVD);
     /* 使能PVD输出 */
     HAL_PWR_EnablePVD();
 }

21 }

在这段代码中,执行的流程如下:

  1. 使能电源管理时钟。

  2. 配置PVD的中断优先级。由于电压下降是非常危急的状态,所以请尽量把它配置成最高优先级。

  3. 使用库函数HAL_PWR_ConfigPVD设置PVD监控的电压阈值等级,各个阈值等级表示的电压值请查阅 表38_1 或STM32的数据手册。

  4. 最后使用库函数HAL_PWR_EnablePVD使能PVD功能。

37.6.2.2.2. PVD中断服务函数

配置完成PVD后,还需要编写中断服务函数,在其中处理紧急任务,本工程的PVD中断服务函数见 代码清单38_11

代码清单 38‑11 PVD中断服务函数(stm32f1xx_it.c文件)
 void PVD_IRQHandler(void)
 {
     HAL_PWR_PVD_IRQHandler();
 }
 /**
 * @brief  PWR PVD interrupt callback
 * @param  None
 * @retval None
 */
 void HAL_PWR_PVDCallback(void)
 {
     /* 亮红灯,实际应用中应进入紧急状态处理 */
     LED_RED;
 }

注意这个中断服务函数的名是PVD_IRQHandler而不是EXTI16_IRQHandler(STM32没有这样的中断函数名),示例中我们仅点亮了LED红灯,不同的应用中要根据需求进行相应的紧急处理。

37.6.2.2.3. main函数

本电源监控实验的main函数执行流程比较简单,仅调用了PVD_Config配置监控功能,当VDD供电电压正常时,板子亮绿灯,当电压低于阈值时, 会跳转到中断服务函数中,板子亮红灯,见 代码清单38_12

代码清单 38‑12 停止模式的main函数(main.c文件)
 int main(void)
 {
     /* 配置系统时钟为180 MHz */
     SystemClock_Config();
     /* 初始化LED */
     LED_GPIO_Config();
     //亮绿灯,表示正常运行
     LED_GREEN;

     //配置PVD,当电压过低时,会进入中断服务函数,亮红灯
     PVD_Config();

     while (1) {
         /*正常运行的程序*/
     }
 }

37.6.3. 下载验证

本工程的验证步骤如下:

  1. 通过电脑把本工程编译并下载到实验板;

  2. 把下载器、USB及DC电源等外部供电设备都拔掉;

  3. 按“硬件设计”小节中的说明,使用可调电源通过“5V”及“GND”排针给实验板供5V电源;(注意要先调好可调电源的电压再连接,防止烧坏实验板)

  4. 复位实验板,确认板子亮绿灯,表示正常状态;

  5. 持续降低可调电源的输出电压,直到实验板亮红灯,这时表示PVD检测到电压低于阈值。

本工程中,我们实测PVD阈值等级为“PWR_PVDLevel_2V6”时,当可调电源电压降至4.1V时,板子亮红灯,此时的“3.3V”电源引脚的实测电压为2.55V,您可以设置其它电压阈值来进行测试。

注意:

由于这样使用可调电源供电不经过保险丝,所以在调节电压的时候要小心,不要给它供电远高于5V,否则可能会烧坏实验板上的芯片。