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单片机的低功耗模式

java 2025/6/25 10:39:11

什么是低功耗？

        STM32的低功耗（low power mode）特性是其嵌入式处理器系列的一个重要优势，特别适用于需要长时间运行且功耗敏感的应用场景，如便携式设备、物联网设备、智能家居系统等。

        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。

STM32电源系统结构

电压调节器的作用：

  • 调节1.8v的供电区域，用于CPU的核心、存储器、内置的数字外设（NVIC） ;
  • 检测后备供电区域的的电压。若电压突然变成低电压，将电路连接到Vbat供电。

 低功耗模式介绍

 STM32具有运行、睡眠、停止和待机（3种低功耗模式）四种工作模式

 上电后默认是在运行模式，当内核（CPU）不需要继续运行时，可以选择后面的三种工作模式。

睡眠模式 （sleep mode）

        睡眠模式下，CPU停止工作，但所有的外设（如ADC、通信接口等）仍然运行，时钟继续运转。

使用场景：

暂时关闭CPU但是外围设备需要继续工作的场景。

模式特点：

  • 对系统影响小，但是节能效果最差。
  • 在睡眠模式下，所有的 I/O引脚都 保持 它们在运行模式时的状态。

进入条件： 

  • 当系统控制寄存器中的SLEEPDEEP位被清除（通常为0），并且SLEEPONEXIT位根据需求设置时（如果设置为1，则在最低优先级中断处理程序退出时进入Sleep模式；如果为0，则执行WFI或WFE时立即进入）。
  • 执行WFI（Wait For Interrupt）或WFE（Wait For Event）指令来进入。

唤醒条件：

  • 任意一个中断都能将系统从Sleep模式唤醒。
  • 如果执行WFE指令进入Sleep模式，则一旦发生唤醒事件时，MCU将唤醒。

停机模式 （stop mode）

        在停机模式下，CPU 和 核心外围设备的时钟会停止，但部分唤醒源（如外部中断和某些定时器）仍然运行。Stop模式实现了非常低的功耗，同时保留了SRAM 和 寄存器的内容。

适用场景：

这适用于需要长时间等待外部事件唤醒的应用，如等待用户输入或外部信号。

模式特点：

  • 节能效果好，程序不会复位。但恢复时间较长（比如震荡器需要重新起震等）。
  • 在停机模式下，所有的 I/O引脚都 保持 它们在运行模式时的状态。
  • 退出停机模式，HSI RC振荡器被选为系统时钟。

进入条件：

  • 执行 WFI（Wait For Interrupt）或  WFE（Wait For Event）指令来进入。
  • 在进入Stop模式之前，通常需要关闭不必要的外设时钟，并保存需要保留的状态信息。
  • 需要将SLEEPDEEP位设置为1以进入深度睡眠模式，然后通过设置 电源 控制/状态寄存器（PWR_CSR）中的 PDDS位为0 来选择进入 Stop模式。
  • 根据需求设置 LPDS 位（ LPDS = 0 ：表示在深睡眠模式下，电压调节器保持 开启 状态； LPDS = 1 ：表示在深睡眠模式下，电压调节器进入低功耗 模式。）
唤醒条件：
  • Stop模式可以通过外部中断（如按键中断、USART接收中断等）唤醒。
  • RTC闹钟事件、USB唤醒、以太网（ETH）唤醒等也可以作为唤醒源，但这些通常需要通过外部中断来触发。

 待机模式（standby mode）

        在该模式下，CPU、外围设备和时钟都被关闭，只保留唤醒逻辑和备份寄存器。这适用于不需要保留RAM内容且可以从复位状态恢复的设备，常见于需要极低功耗且稀疏唤醒的应用。Standby模式是STM32中功耗最低的模式之一。

模式特点：

  • 节能效果最好，但程序会复位，只有少数条件唤醒。
  • 在Standby模式下，大部分IO引脚处于高阻态，只有复位引脚、TAMPER引脚（如果配置为防侵入或校准输出）和WKUP引脚可用作唤醒源。

进入条件：

  • Standby模式进入前，需要清除电源控制/状态寄存器（PWR_CSR）中的WUF位，以确保没有未处理的唤醒标志。
  • 将SLEEPDEEP位设置为1以进入深度睡眠模式，并设置PDDS位为1来选择进入Standby模式。
  • 执行 WFI 或 WFE 指令进入Standby模式。

唤醒条件：

  • Standby模式可以通过WKUP引脚的上升沿唤醒。
  • RTC闹钟事件也可以作为唤醒源。
  • 独立看门狗（IWDG）复位和NRST引脚上的外部复位也可以唤醒STM32，但这通常用于系统复位而非低功耗唤醒。

总结：（三种模式的对比）

唤醒模式:CPU关闭，各种外设和时钟正常；

停机模式:CPU关闭，核心外围设备的时钟停止运行，但部分唤醒源（中断和定时器）正常;

待机模式:CPU、外围设备和时钟都被关闭,只保留唤醒逻辑和备份寄存器。

三种模式的进入条件流程图：

 低功耗的寄存器

  •  电源控制寄存器(PWR_CR)

  •  电源控制/状态寄存器(PWR_CSR)

 低功耗模式的库函数

  •  使能时钟电源（关闭电压调节器）

  • 使能Wakeup引脚的唤醒功能 

  • 清除唤醒标志位 

小实验：低功耗实验 

实验目的

  • 按下按键2，进入低功耗模式（睡眠、停机、待机）；
  • 按下按键1，退出低功耗模式；
  • 正常模式下，LED1闪烁；进入停机模式，LED2长亮，退出停机模式则LED2熄灭。

硬件清单

 开发板、ST-Link、USB转TTL

文件代码 

  • lqwr.c文件代码

配置流程：

  1. 初始化唤醒引脚：GPIO_PIN_0配置成上升沿触发中断的模式；
  2. sleep模式：暂停滴答定时器，防止滴答定时器唤醒、进入睡眠模式的函数；
  3. stop模式：暂停滴答定时器、进入停机模式的函数、配置时钟频率为72MHz；
  4. standby模式：开始电源时钟（关闭电压调节器）、使能引脚的唤醒功能（只有GPIO_PIN_O）、清除唤醒标记位、进入待机模式的函数。

注意事项：

  • 睡眠模式和停机模式唤醒之后，系统不会进行复位，继续向下执行；
  • 待机模式再唤醒之后，系统会进行复位，程序会从开始进行运行。
#include "lpwr.h"
#include "led.h"
#include "sys.h"//初始化
void lpwr_init(void){__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_0;gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;gpio_initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;gpio_initstruct.Speed  = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn,2,2);HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}
//中断服务函数
void EXTI0_IRQHandler(void){HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);
}
中断回调函数 .可以不用写
//void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin){
//    if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_0){
//        
//    }
//}
//进入sleep模式
void lpwr_enter_sleep(void){HAL_SuspendTick();//暂停滴答定时器器，否则会将系统进行唤醒。HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON,PWR_SLEEPENTRY_WFI);       //Regulator :电压调节器
}
//进入stop模式
void lpwr_enter_stop(void){//暂停滴答定时器HAL_SuspendTick();//点亮LED2led2_on();//进入停机模式HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON,PWR_STOPENTRY_WFI);//熄灭LED2，代表退出停机模式led2_off();//进入停机模式后，再退出之后，系统时钟的RC振荡器被选择为：HSI(内部低速时钟，8MHz)stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */
}
//进入待机模式
void lpwr_enter_sandby(void){//使能电源时钟(关闭电压调节器)__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();//使能WAKEUP引脚唤醒功能HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);//清除唤醒标记，否则将持续保持唤醒状态__HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);//进入待机模式HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();//测试：看看代码会不会运行到下面？led2_on();//答：当唤醒模式后，LED2灯不会亮，原因：进入待机模式后，唤醒之后程序会从头开始运行，会进行复位。 
}
  • lpwr.h文件代码
#ifndef __LPWR_H__
#define __LPWR_H__
#include "stm32f1xx.h"void lpwr_init(void);
void lpwr_enter_sleep(void);
void lpwr_enter_stop(void);
void lpwr_enter_sandby(void);#endif
  • mian.c文件代码 
#include "sys.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "uart1.h"
#include "lpwr.h"
#include "key.h"int main(void)
{HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */led_init();                         /* LED初始化 */uart1_init(115200);printf("hello,world");key_init();lpwr_init();uint8_t i = 0;while(1){ 
//        led1_toggle();
//        delay_ms(200);//每隔200ms led灯进行反转的另一种写法：if(i % 20 == 0)led1_toggle();i++;delay_ms(10);if(key_scan() == 2)lpwr_enter_sandby();  //进入睡眠模式，所有的I/O引脚都 保持 它们在运行模式时的状态}
}

延时200ms的方式：

方式1：delay_ms(200);

方式2：定义一个函数if语句。

http://www.xdnf.cn/news/12610.html

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