stm32几种低功耗模式的实现和差别

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前言

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，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如下图：

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。

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不同模式下软件工作方式的对比

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，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。唤醒延迟：无延迟。（WFI:Wait For Interrupt，WFE:Wait For Event）


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。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。停止模式唤醒后，STM32会使用 HSI（f1的HSI为8M，f4为12M）作为系统时钟。所以，有必要在唤醒以后，在程序上重新配置系统时钟，将时钟切换回HSE。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，若 FLASH 工作在掉电模式，还需要加上 FLASH 从掉电模式唤醒的时间。


3、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。

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不同模式下唤醒方式对比

睡眠模式下，任一一个中断都是可以唤醒的（针对调用WFI命令进入的睡眠）；
停止模式下，是任一一个外部中断才能唤醒，注意是任一外部中断，不是任一中断；
待机模式又有所不同，外部中断并不能唤醒待机模式，比较常见的唤醒有：
WKUP引脚上升沿（按下PA0，使之出现上升沿，只要PA0出现一个上升沿即可唤醒单片机，而不管这个上升沿持续多长时间，软件上只需要在进入待机模式之前，将PA0配置为唤醒功能即可）；
NRST引脚复位（即按下复位按键），这种方式是让单片机重新复位了，这是硬件上的唤醒；
单片机系统重新上电，这跟第2点是一样的，都是硬件复位。

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不同模式下功耗的对比

目前这方面的资料比较少，stm32的中文参考手册上提及的也比较少，因此以下内容只能作为参考，stm32F1在停机模式下的功耗大概是20几UA，而在待机模式下最低可以达到5UA；而stm32F4在停机模式下的功耗大概是350UA，而在待机模式下最低可以达到2.2UA。资料参考来源于正点原子《stm32f1开发指南》和《stm32f4开发指南》。

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实际项目中应用

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。其实，只要是涉及到便携式的产品，都免不了要使用电池作为电源，否则，如果还是需要接一个插头使用市电来供电的话，那就无法称之为便携式了， 比如手机、运动手环、蓝牙耳机、智能手表等都是类似的。所以，控制功耗，提高产品的续航时间，就显得尤为重要。


目前来说，针对stm32而言，比较常用的低功耗模式是停止模式和待机模式。具体如下：

待机模式：在实际应用中，通常会有一个开关机的按键（PA0），如果用户按下按键的话，就会开机或者关机，开机对应的就是唤醒，而关机对应的就是待机（类似于手机的开关机按键）。在此过程中，电池会一直给单片机的3.3V电源供电，也就是说，单片机一直都是有电的，但是它的所有外设以及时钟都处于关闭状态，之所以还要给单片机供电，只是为了在用户按下按键时检测PA0的上升沿而已，如果不给单片机供电的话，那么还怎么检测呢？检测不了。


停止模式：按道理来说，待机模式的功耗远比停止模式要低，为什么还要选择停止模式呢？通常是这样的，一个便携式的系统，除了考虑按键开关机以为，通常还需要给电池充电，而在充电的时候呢，往往需要显示一些充电的信息（现在的手机充电就是这样的），如果是在开机状态下充电的话，完全没有问题；但是，如果是在关机状态下充电呢？如果是在关机状态下充电，肯定就需要单片机能够自己唤醒自己（不需要用户按下PA0），然后才有可能在OLED上显示充电的信息（手机关机了，或者没有电了，接通电源以后，可以自动显示充电的动画，就是这样做的）。


不按下PA0就实现唤醒功能，可以实现吗？可以，只需要在硬件上做一些改动即可，比如，将充电口的电压降压以后跟PA0相连，这样，只要充电口在充电，PA0必定会出现一个从低到高的脉冲，这样就可以唤醒了。然而……，可是……，如果真的这么做的话，从软件的层面上，到底应该怎么样来区分PA0的上升沿是由于充电造成的呢？还是由于用户按下按键造成的呢（毕竟，如果是用户按下按键的话，软件上是要开机的，而如果只是充电，那么，只需要显示一下充电的信息就好了）？恐怕不好判断。


所以，这个时候，就可以考虑选择停止模式了，开关机按键接到一个引脚，充电口接到另外一个引脚，两个引脚都配置为外部中断，两个引脚也都可以唤醒单片机，分开了不同的信号电平，这样子，在软件上就可以很容易地判断出，当前到底是用户按下按键，还是充电口在充电了。

改进方式：针对第2点提出的问题，其实是有改进空间的，改进的空间就是在硬件上实现一个脉冲电路（在这里完全可以用一个简单的RC延时就实现了），就是说充电口的电平再经过一个RC电路以后，出来的就不会一直是高电平，而只是一个脉冲了，再把这个脉冲信号接到PA0即可，这个时候插入充电口和按下PA0就都会在PA0上出现一个脉冲了。软件上，可以利用长按开机，再长按关机（或者是先短按再长按也行）的机制来进行判别，如果PA0仅仅只是出现一个上升沿并且检测到充电芯片正在充电，此时就是充电口插入了，唤醒单片机，显示充电效果即可，如果是先短按再长按的话，就开机。