45. 电源管理—实现低功耗

本章参考数据:《STM32F4xx参考手册》、《STM32F4xx规格书》、库说明文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。

45.1. 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。

45.1.1. 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。

45.1.1.1. 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 POR与PDR ,在刚开始电压低于VPOR时(约1.72V),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1.68V),会进入掉电复位状态(PDR,Power Down Reset)。

POR与PDR

45.1.1.2. 欠压复位(BOR)

POR与PDR的复位电压阈值是固定的,如果用户想要自行设定复位阈值,可以使用STM32的BOR功能(Brownout Reset)。 它可以编程控制电压检测工作在表 BOR欠压阈值等级 中的阈值级别,通过修改“选项字节”(某些特殊寄存器)中的BOR_LEV位即可控制阈值级别。 其复位控制示意图见图 BOR复位控制

BOR欠压阈值等级 BOR复位控制

45.1.1.3. 可编程电压检测器PVD

上述POR、PDR以及BOR功能都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 PVD的阈值等级 。其中的上升沿和下降沿分别表示类似图 BOR复位控制 中VDD电压上升过程及下降过程的阈值。

PVD的阈值等级

45.1.2. 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 STM32的电源系统

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:

  • 备份域电路

STM32的LSE振荡器、RTC、备份寄存器及备份SRAM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 双二极管结构 中的双二极管,在它的上方连接了VBAT电源, 下方连接了VDD主电源(一般为3.3V),右侧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, 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。

双二极管结构
  • 调压器供电电路

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1.2V,因而使用调压器供电的这些电路区域被称为1.2V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,1.2V域全功率运行;在停止模式下1.2V域运行在低功耗状态, 1.2V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1.2V域都断电, 该区域的内核寄存器及SRAM内容都会丢失(备份区域的寄存器及SRAM不受影响)。

  • ADC电源及参考电压

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。

45.1.3. 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 STM32的低功耗模式说明

STM32的低功耗模式说明

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。

45.1.3.1. 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,CM4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 forevent), 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 睡眠模式的各种特性

睡眠模式的各种特性

45.1.3.2. 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1.2V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,可选择内部FLASH工作在正常模式或掉电模式。 停止模式的各种特性见表 停止模式的各种特性

停止模式的各种特性

45.1.3.3. 待机模式

待机模式,它除了关闭所有的时钟,还把1.2V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。

待机模式的各种特性

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、备份域内的寄存器及备份域内的SRAM数据会被保存,不受功耗模式影响。

45.2. 电源管理相关的库函数及命令

STM32标准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。

45.2.1. 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 PVD的阈值等级 中说明的阈值等级。

45.2.2. 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_cmInstr.h中把这些指令封装成了函数,见 代码清单:电源管理-1

代码清单:电源管理-1 WFI与WFE的指令定义(core_cmInstr.h文件)
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/** \brief  Wait For Interrupt

    Wait For Interrupt is a hint instruction that suspends execution
    until one of a number of events occurs.
*/
#define __WFI                             __wfi


/** \brief  Wait For Event

Wait For Event is a hint instruction that permits the processor to enter
    a low-power state until one of a number of events occurs.
*/
#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, 函数内部使用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。

45.2.3. 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, STM32标准库把这部分的操作封装到PWR_EnterSTOPMode函数中了,它的定义见 代码清单:电源管理-2

代码清单:电源管理-2 进入停止模式
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/**
* @brief 进入停止模式
*
* @note   在停止模式下所有I/O的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  PWR_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  PWR_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 PWR_EnterSTOPMode(uint32_t PWR_Regulator, uint8_t PWR_STOPEntry)
{
    uint32_t tmpreg = 0;

    /* 设置调压器的模式 ------------*/
    tmpreg = PWR->CR;
    /* 清除 PDDS 及 LPDS 位 */
    tmpreg &= CR_DS_MASK;

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

    /* 写入参数值到寄存器 */
    PWR->CR = 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 (PWR_STOPEntry == PWR_STOPEntry_WFI) {
        /* 需要中断唤醒*/
        __WFI();
    } else {
        /* 需要事件唤醒 */
        __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(16MHz)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,把系统时钟设置会原来的状态。

前面提到在停止模式中还可以控制内部FLASH的供电,控制FLASH是进入掉电状态还是正常供电状态,这可以使用库函数PWR_FlashPowerDownCmd配置, 它其实只是封装了一个对FPDS寄存器位操作的语句,见 代码清单:电源管理-3 。 这个函数需要在进入停止模式前被调用,即应用时需要把它放在上面的PWR_EnterSTOPMode之前。

代码清单:电源管理-3 控制FLASH的供电状态
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/**
* @brief  设置内部FLASH在停止模式时是否工作在掉电状态
*         掉电状态可使功耗更低,但唤醒时会增加延迟
* @param  NewState:
            ENABLE:FLASH掉电
            DISABLE:FLASH正常运行
* @retval None
*/
void PWR_FlashPowerDownCmd(FunctionalState NewState)
{
    /*配置FPDS寄存器位*/
    *(__IO uint32_t *) CR_FPDS_BB = (uint32_t)NewState;
}

45.2.4. 进入待机模式

类似地,STM32标准库也提供了控制进入待机模式的函数,其定义见 代码清单:电源管理-4

代码清单:电源管理-4 进入待机模式
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/**
* @brief 进入待机模式
* @note   待机模式时,除以下引脚,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)
* @note  在调用本函数前还需要清除WUF寄存器位
* @param  None
* @retval None
*/
void PWR_EnterSTANDBYMode(void)
{
    /* 选择待机模式 */
    PWR->CR |= PWR_CR_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 */

    __force_stores();

    /* 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;另外,由于这个函数没有操作WUF寄存器位, 所以在实际应用中,调用本函数前,还需要清空WUF寄存器位才能进入待机模式。

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。

45.3. 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。

45.3.1. 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。

45.3.2. 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。

45.3.2.1. 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;

45.3.2.2. 代码分析

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:电源管理-5

代码清单:电源管理-5睡眠模式的main函数(main.c文件)
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/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{

    LED_GPIO_Config();

    /*初始化USART1*/
    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 F407 开发板。\r\n");
    printf("\r\n 野火F407 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");
    printf("\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");
    printf("\r\n 可按KEY1、KEY2唤醒后下载,\r\n");
    printf("\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;
        Delay(0x3FFFFFF);

        /*****任务执行完毕,进入睡眠降低功耗***********/


        printf("\r\n 进入睡眠模式,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;
        //进入睡眠模式
        __WFI();  //WFI指令进入睡眠

        //等待中断唤醒  K1或K2按键中断

        /***被唤醒,亮蓝灯指示***/
        LED_BLUE;
        Delay(0x1FFFFFF);

        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 睡眠模式实验流程图

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。

(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。

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:电源管理-6

代码清单:电源管理-6 按键中断的服务函数(stm32f4xx_it.c文件)
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void KEY1_IRQHandler(void)
{
    //确保是否产生了EXTI Line中断
    if (EXTI_GetITStatus(KEY1_INT_EXTI_LINE) != RESET) {
        LED_BLUE;
        printf("\r\n KEY1 按键中断唤醒 \r\n");
        EXTI_ClearITPendingBit(KEY1_INT_EXTI_LINE);
    }
}

void KEY2_IRQHandler(void)
{
    //确保是否产生了EXTI Line中断
    if (EXTI_GetITStatus(KEY2_INT_EXTI_LINE) != RESET) {
        LED_BLUE;
        printf("\r\n KEY2 按键中断唤醒 \r\n");
        //清除中断标志位
        EXTI_ClearITPendingBit(KEY2_INT_EXTI_LINE);
    }
}

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。

45.3.3. 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。

45.4. 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。

45.4.1. 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。

45.4.2. 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。

45.4.2.1. 程序设计要点

(1) 初始化用于唤醒的中断按键;

(2) 设置停止状态时的FLASH供电或掉电;

(3) 选择电压调节器的工作模式并进入停止状态;

(4) 使用按键中断唤醒芯片;

(5) 重启HSE时钟,使系统完全恢复停止前的状态。

45.4.2.2. 代码分析

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STM32F429中,HSI时钟一般为16MHz,与我们常用的180MHz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:电源管理-7

代码清单:电源管理-7 恢复系统时钟(main.c文件)
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/**
* @brief  停机唤醒后配置系统时钟: 使能 HSE, PLL
*         并且选择PLL作为系统时钟.
* @param  None
* @retval None
*/
static void SYSCLKConfig_STOP(void)
{
    /* After wake-up from STOP reconfigure the system clock */
    /* 使能 HSE */
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);

    /* 等待 HSE 准备就绪 */
    while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET);

    /* 使能 PLL */
    RCC_PLLCmd(ENABLE);

    /* 等待 PLL 准备就绪 */
    while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);

    /* 选择PLL作为系统时钟源 */
    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);

    /* 等待PLL被选择为系统时钟源 */
    while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);
}

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。

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:电源管理-8

代码清单:电源管理-8 停止模式的main函数(main.c文件)
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/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
    LED_GPIO_Config();

    /*初始化USART1*/
    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 F407 开发板。\r\n");
    printf("\r\n 野火F407 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,红灯表示停止状态,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");
    printf("\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");
    printf("\r\n 可按KEY1、KEY2唤醒后下载,\r\n");
    printf("\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;
        Delay(0x3FFFFFF);

        /*****任务执行完毕,进入停止降低功耗***********/

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

        //使用红灯指示,进入停止状态
        LED_RED;

        /*设置停止模式时,FLASH进入掉电状态*/
        PWR_FlashPowerDownCmd (ENABLE);
        /* 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 */
        PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower,PWR_STOPEntry_WFI);

        //等待中断唤醒  K1或K2按键中断
        /*********************被唤醒***********************/
        //获取刚被唤醒时的时钟状态
        //时钟源
        clock_source_wakeup = RCC_GetSYSCLKSource ();
        //时钟频率
        RCC_GetClocksFreq(&clock_status_wakeup);

        //从停止模式下被唤醒后使用的是HSI时钟,此处重启HSE时钟,使用PLLCLK
        SYSCLKConfig_STOP();

        //获取重新配置后的时钟状态
        //时钟源
        clock_source_config = RCC_GetSYSCLKSource ();
        //时钟频率
        RCC_GetClocksFreq(&clock_status_config);

    //因为刚唤醒的时候使用的是HSI时钟,会影响串口波特率,输出不对,所以在重新配置时钟源后才使用串口输出。
        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",
                clock_status_config.SYSCLK_Frequency,
                clock_status_config.HCLK_Frequency,
                clock_status_config.PCLK1_Frequency,
                clock_status_config.PCLK2_Frequency,
                clock_source_config);

        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",
                clock_status_wakeup.SYSCLK_Frequency,
                clock_status_wakeup.HCLK_Frequency,
                clock_status_wakeup.PCLK1_Frequency,
                clock_status_wakeup.PCLK2_Frequency,
                clock_source_wakeup);

        /*指示灯*/
        LED_BLUE;
        Delay(0x1FFFFFF);

        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 停止模式实验流程图

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PWR_FlashPowerDownCmd设置FLASH的在停止状态时使用掉电模式, 接着调用库函数PWR_EnterSTOPMode把调压器设置在低功耗模式,并使用WFI指令进入停止状态。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WFI指令(即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RCC_GetSYSCLKSource以及RCC_GetClocksFreq获取刚唤醒后的系统的时钟源以及时钟频率, 在使用SYSCLKConfig_STOP恢复时钟后,我们再次获取这些时状态,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HIS时钟, 频率为16MHz,恢复后的系统时钟采用HSE倍频后的PLL时钟,时钟频率为180MHz。

45.4.3. 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。

45.5. PWR—待机模式实验

最后我们来学习最低功耗的待机模式。

45.5.1. 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。

45.5.2. 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。

45.5.2.1. 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。

45.5.2.2. 代码分析

main函数

待机模式实验的执行流程比较简单,见 代码清单:电源管理-9

代码清单:电源管理-9 停止模式的main函数(main.c文件)
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/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
    LED_GPIO_Config();

    /*初始化USART1*/
    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 F407 开发板。\r\n");
    printf("\r\n 野火F407 待机模式例程\r\n");

    printf("\r\n 实验说明:\r\n");

    printf("1.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 (PWR_GetFlagStatus(PWR_FLAG_WU) == SET) {
        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;
            Delay(0xFFFFFF);
            /*清除WU状态位*/
            PWR_ClearFlag (PWR_FLAG_WU);

            /* 使能WKUP引脚的唤醒功能 ,使能PA0*/
            PWR_WakeUpPinCmd (ENABLE);

            /* 进入待机模式 */
            PWR_EnterSTANDBYMode();
        }
    }
}

这个main函数的执行流程见图 待机模式实验流程图

待机模式实验流程图

(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,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:电源管理-10 所示。

代码清单:电源管理-10 Key_GPIO_Config函数(bsp_key.c文件)
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/**
* @brief  配置按键用到的I/O口
* @param  无
* @retval 无
*/
void Key_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /*开启按键GPIO口的时钟*/
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(KEY2_GPIO_CLK,ENABLE);

    /*设置引脚为输入模式*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;

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

    /*选择按键的引脚*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY2_PIN;

    /*使用上面的结构体初始化按键*/
    GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

(2) 使用库函数PWR_GetFlagStatus检测PWR_FLAG_WU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。

(3) 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。

(4)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PWR_EnterSTANDBYMode发送待机命令前,要先使用库函数PWR_ClearFlag清除PWR_FLAG_WU标志位, 并且使用库函数PWR_WakeUpPinCmd使能WKUP唤醒功能,这样进入待机模式后才能使用WKUP唤醒。

(5) 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。

(6) 按下KEY1按键,会使PA0引脚产生一个上升沿, 从而唤醒系统。

(7) 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_WU标志位改为SET状态,所以这个时候LED彩灯会亮蓝色。

45.5.3. 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。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。

45.6. 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。

45.6.1. 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 实验板的电源供电系统

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。

45.6.2. 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,不属于标准库的内容,可根据您的喜好命名文件。

45.6.2.1. 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。

45.6.2.2. 代码分析

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:电源管理-11

代码清单:电源管理-11 初始化PVD(bsp_pvd.c文件)
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/**
* @brief  配置PVD.
* @param  None
* @retval None
*/
void PVD_Config(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;

    /*使能 PWR 时钟 */
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);

    /* 使能 PVD 中断 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = PVD_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    /* 配置 EXTI16线(PVD 输出) 来产生上升下降沿中断*/
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line16);
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line16;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising_Falling;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

    //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*/
    PWR_PVDLevelConfig(PWR_PVDLevel_5);

    /* 使能PVD输出 */
    PWR_PVDCmd(ENABLE);
}

在这段代码中,执行的流程如下:

(1) 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。

(2) 配置了EXTI16线的中断源, 设置EXTI16是因为PVD中断是通过EXTI16产生中断的(GPIO的中断是EXTI0-EXTI15)。

(3) 使用库函数PWR_PVDLevelConfig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 46‑2或STM32的数据手册。

(4) 最后使用库函数PWR_PVDCmd使能PVD功能。

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:电源管理-12

代码清单:电源管理-12 PVD中断服务函数(stm32f4xx_it.c文件)
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/**
* @brief  PVD中断请求
* @param  None
* @retval None
*/
void PVD_IRQHandler(void)
{
    /*检测是否产生了PVD警告信号*/
    if (PWR_GetFlagStatus (PWR_FLAG_PVDO)==SET) {
        /* 亮红灯,实际应用中应进入紧急状态处理 */
        LED_RED;

    }
    /* 清除中断信号*/
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line16);

}

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。

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:电源管理-13

代码清单:电源管理-13 停止模式的main函数(main.c文件)
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/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
    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*/

    }

}

45.6.3. 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_5”时,当可调电源电压降至4V时, 板子亮红灯,此时的“3.3V”电源引脚的实测电压为2.75V;而PVD阈值等级为“PWR_PVDLevel_3”时,当可调电源电压降至4.2V时, 板子亮红灯,此时的“3.3V”电源引脚的实测电压为2.55V;

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。