普冉PY32系列(十五) PY32F0系列的低功耗模式

来源:https://www.cnblogs.com/milton/p/18168592
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Cortex M0/M0+相對於Cortex M3/M4性能稍弱, 但是優勢在於低價格和低功耗, 這使得M0特別適合性能要求不高且電池供電的便攜類應用, 比如遙控器, 墨水屏, 電子寵物, 電子煙等. 根據 PY32F0 各型號的數據手冊, 對比其最低功耗狀態(STOP模式)下的電流, 全系列可以大... ...


目錄

聲明

任何在廠家數據手冊之外的資源都是無保證的, 本文內容僅對當前測試中使用的樣品有效, 請勿以此作為選型參考, 一切以廠家手冊為準. 因為使用本文數據產生的任何問題本人概不負責.


PY32F0系列的低功耗

Cortex M0/M0+相對於Cortex M3/M4性能稍弱, 但是優勢在於低價格和低功耗, 這使得M0特別適合性能要求不高且電池供電的便攜類應用, 比如遙控器, 墨水屏, 電子寵物, 電子煙等. 根據 PY32F0 各個型號的數據手冊, 對比其最低功耗狀態(STOP模式)下的電流, 全系列可以大致分為三檔

  1. PY32F04x PY32F07x: 最低 10.5 uA
  2. PY32F030 PY32F003 PY32F002A: 最低 4.5 uA
  3. PY32F002B: 最低 1.5 uA

可以看出待機功耗和片上外設的豐富程度基本上是成正比的.

  • PY32F04X外設豐富功耗也大, 面向的是替代M3的場景, 低功耗可能不是最重要的特性
  • PY32F030 系列, PY32F002A是一個特例, 具體原因大家也都知道的
  • PY32F002B 資源最少, 但是功耗非常低, 待機電流1.5uA. 實際測試電流能做到1uA以下(看本文末尾的說明)

電池供電的便攜設備, 待機功耗基本上要控制在十個uA以內. 例如一個用主板電池CR2032供電的設備要求一年的電池使用壽命. CR2032電量為200mAH, 假定工作電流20mA, 待機5uA, 工作時間占比0.1%(比如每隔十秒採集上報一次數據, 上報耗時10毫秒), 電池壽命就差不多是一年. 對於這種場景使用 PY32F030 系列比較勉強, 而使用 PY32F002B 則功耗還有富餘.

這裡具體說明 PY32F030(適用於PY32F003和PY32F002A) 和 PY32F002B 這兩類型號的低功耗設置.

測試方法

要測量的目標為 10uA 以下的電流, 可以用萬用表的微安檔, 但是MCU啟動狀態和正常工作狀態電流差異巨大, 從十幾個mA到幾個uA, 為方便測量, 可以在萬用表的正負極並聯一個開關, 啟動時開關閉合, 電流走開關, 當工作穩定後開關打開, 由微安表讀出電流.

因為測量微小電流很容易受電路其它元件干擾, 為避免因為各種電流泄漏造成的測試結果不准確:

  1. 不要用普通的開發板(除非是專門設計用於測試低功耗場景的), 用簡單的分線板最可靠
  2. 不要用低管腳數的封裝, 因為存在管腳復用的情況, 當復用的管腳沒有正確配置時, 在內部管腳之間也會產生電流泄漏

PY32F030 系列(PY32F002A, PY32F003, PY32F030)

這個系列屬於 PY32F0 中的通用型號, 片上資源可以滿足大部分場景的需求. 待機電流雖然沒那麼低(4.5uA), 但是面對普通電池應用也是綽綽有餘, 一節五號電池可以輕鬆工作半年以上. PY32F030 系列低功耗狀態支持兩種模式 SLEEP 和 DEEP SLEEP(STOP).

  • 正常運行模式下, 使用LSI可以顯著降低功耗, 啟用Flash睡眠後功耗電流可以控制到 100uA 以內
  • SLEEP 模式下只是關閉了CPU時鐘, 外設還能工作, 時鐘頻率高的時候切換到SLEEP後節能效果明顯, 時鐘頻率越低則越無區別, 根據時鐘源為HSI還是LSI, 電流大小區間為 0.1 mA 到 2.x mA
  • STOP 模式大部分外設停止, 時鐘 HSI, HSE 和 PLL 停止. LPTIM 基於 LSI 工作, 當切換到低壓調節器後, 電流大小在 4.5 uA 到 6 uA 區間

工作於內置低速時鐘LSI時的功耗控制

下麵的代碼用於演示如何從內部高速時鐘切換到內部低速時鐘, 並一步步降低功耗

/**
 * 啟用LSI並將其設為系統時鐘
 */
static void APP_RCC_LSI_Config(void)
{
  LL_RCC_LSI_Enable();
  while(LL_RCC_LSI_IsReady() != 1);
  
  LL_RCC_SetAHBPrescaler(LL_RCC_SYSCLK_DIV_1);
  
  /* 設置 LSI 為系統時鐘源 */
  LL_RCC_SetSysClkSource(LL_RCC_SYS_CLKSOURCE_LSI);
  while(LL_RCC_GetSysClkSource() != LL_RCC_SYS_CLKSOURCE_STATUS_LSI);
  
  LL_FLASH_SetLatency(LL_FLASH_LATENCY_0);

  LL_RCC_SetAPB1Prescaler(LL_RCC_APB1_DIV_1);
  LL_SetSystemCoreClock(LSI_VALUE);
  /* 重設 SysTick 時鐘計數周期, 如果沒有這步, LL_mDelay()延遲就會不正常 */
  LL_Init1msTick(32768);
}

int main(void)
{
  // 設置 HSI 24MHz 作為系統時鐘
  BSP_RCC_HSI_24MConfig();
  // 系統運行於 HSI, 測得電流約 1.3 mA
  LL_mDelay(3000);
  // 系統時鐘切換到內部低速時鐘 LSI
  APP_RCC_LSI_Config();
  // 系統運行於 LSI, 但是 HSI 未關閉, 電流約 360 uA
  LL_mDelay(3000);
  // 關閉 HSI
  LL_RCC_HSI_Disable();
  // 電流降至約 180 uA
  LL_mDelay(3000);
  // 開啟 flash sleep
  SET_BIT(FLASH->STCR, FLASH_STCR_SLEEP_EN);
  // 電流降至約 100 uA
  while (1);
}

測量的時候, 可以觀察到上電後, 每隔三秒電流會降一檔, 切換時鐘源到 LSI 後, 從 1.3mA 降到 360uA, 關閉 HSI 後, 降到 180uA, 啟用 Flash Sleep 後, 降到 100 uA 以內.

進入 SLEEP 模式

進入SLEEP模式的代碼很簡單, 啟用PWR時鐘並調用LL_LPM_EnableSleep就啟用了SLEEP, 然後等待事件或中斷喚醒

// 使能低功耗控制模塊(PWR)時鐘
LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_PWR);
// 設置低功耗狀態為 Sleep, 清除SLEEPDEEP狀態位, CLEAR_BIT(SCB->SCR, ((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk))
LL_LPM_EnableSleep();

/*
 * 等待事件喚醒
 * 如果是等待中斷, 將下麵的代碼換成 __WFI();
 */
__SEV();
__WFE();
__WFE();

進入 STOP 模式

啟用低功耗STOP模式, 並等待事件喚醒.

註意這裡面的LL_PWR_SetRegulVoltageScaling方法, 如果 STOP 模式下測得的電流一直在 6 uA 以上, 很可能是電壓沒有調整為 1.0V

// 使能低功耗控制模塊(PWR)時鐘
LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_PWR);
/*
 * 設置低功耗STOP電壓為1.0V, 預設電壓為1.2V, 會增大電流, 
 * 對於 PY32F030 系列, 1.0V和1.2V對應的電流為 4.5uA~4.8uA 和 6uA ~ 7uA
 */
LL_PWR_SetRegulVoltageScaling(LL_PWR_REGU_VOLTAGE_SCALE2);
/*
 * 設置電壓調節器從工作狀態轉換為低功耗狀態, SET_BIT(PWR->CR1, PWR_CR1_LPR)
 * 在開啟 STOP 模式前, 必須調用這個方法
 */
LL_PWR_EnableLowPowerRunMode();
/*
 * 設置低功耗狀態的模式為Deep sleep, 即STOP模式, 
 * 對應寄存器命令為 SET_BIT(SCB->SCR, ((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk));
 */
LL_LPM_EnableDeepSleep();

/*
 * 等待事件喚醒
 * 如果是等待中斷, 將下麵的代碼換成 __WFI();
 */
__SEV();
__WFE();
__WFE();

/*
 * 退出 STOP 模式時, 設置低功耗狀態為 Sleep, 清除SLEEPDEEP狀態位, 
 * 對應寄存器命令為 CLEAR_BIT(SCB->SCR, ((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk))
 */
LL_LPM_EnableSleep();

事件喚醒和中斷喚醒 - 按鍵喚醒

下麵配置的外部中斷, 用於事件喚醒或中斷喚醒 SLEEP/STOP 模式

static void APP_EXTIConfig(void)
{
  LL_GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  LL_EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;

  // GPIOA時鐘使能
  LL_IOP_GRP1_EnableClock (LL_IOP_GRP1_PERIPH_GPIOA);
  // 選擇PA06引腳
  GPIO_InitStruct.Pin = LL_GPIO_PIN_6;
  // 選擇輸入模式
  GPIO_InitStruct.Mode = LL_GPIO_MODE_INPUT;
  // 選擇上拉
  GPIO_InitStruct.Pull = LL_GPIO_PULL_UP;
  // GPIOA初始化
  LL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  // 選擇EXTI6做外部中斷輸入
  LL_EXTI_SetEXTISource(LL_EXTI_CONFIG_PORTA,LL_EXTI_CONFIG_LINE6);
  // 選擇EXTI6
  EXTI_InitStruct.Line = LL_EXTI_LINE_6;
  // 使能
  EXTI_InitStruct.LineCommand = ENABLE;
  /*
   * 選擇中斷模式
   * 事件喚醒使用 EXTI_InitStruct.Mode = LL_EXTI_MODE_EVENT;
   * 中斷喚醒使用 EXTI_InitStruct.Mode = LL_EXTI_MODE_IT;
   */
  EXTI_InitStruct.Mode = LL_EXTI_MODE_EVENT;
  // 選擇下降沿觸發
  EXTI_InitStruct.Trigger = LL_EXTI_TRIGGER_FALLING;
  // 外部中斷初始化
  LL_EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);

  // 設置中斷優先順序
  NVIC_SetPriority(EXTI4_15_IRQn,1);
  // 使能中斷
  NVIC_EnableIRQ(EXTI4_15_IRQn);
}

如果配置為中斷喚醒, 那麼還需要加上下麵的中斷回調函數清理中斷位

void EXTI4_15_IRQHandler(void)
{
  if(LL_EXTI_ReadFlag(LL_EXTI_LINE_6) == LL_EXTI_LINE_6)
  {
    LL_EXTI_ClearFlag(LL_EXTI_LINE_6);
  }
}

LPTIM 喚醒 - 自動間隔喚醒

PY32F030 系列的 LPTIM 只有LL_LPTIM_OPERATING_MODE_ONESHOT這一種模式, 不能連續載入. 如果需要保持定期喚醒, 需要在主迴圈中, 再次開始 LPTIM 計數 LL_LPTIM_StartCounter.

配置 LPTIM 的代碼

// 開啟 LPTIM1時鐘
LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_LPTIM1);
// 開啟內部低速時鐘 LSI
LL_RCC_LSI_Enable();
while(LL_RCC_LSI_IsReady() == 0);
// 配置LSI為LPTIM時鐘源 Freq = 32.768 kHz
LL_RCC_SetLPTIMClockSource(LL_RCC_LPTIM1_CLKSOURCE_LSI);

// LPTIM預分頻器128分頻
LL_LPTIM_SetPrescaler(LPTIM1,LL_LPTIM_PRESCALER_DIV128);
// LPTIM計數周期結束更新ARR
LL_LPTIM_SetUpdateMode(LPTIM1,LL_LPTIM_UPDATE_MODE_ENDOFPERIOD);

// 使能NVIC請求
NVIC_SetPriority(LPTIM1_IRQn,0);
NVIC_EnableIRQ(LPTIM1_IRQn);

// 使能ARR中斷
LL_LPTIM_EnableIT_ARRM(LPTIM1);
// 使能LPTIM
LL_LPTIM_Enable(LPTIM1);
// 配置重裝載值 51
LL_LPTIM_SetAutoReload(LPTIM1,51);

配合中斷回調函數

void LPTIM1_IRQHandler(void)
{
  if(LL_LPTIM_IsActiveFlag_ARRM(LPTIM) == 1)
  {
    // 清理中斷標誌位
    LL_LPTIM_ClearFLAG_ARRM(LPTIM);
    // 自定義的中斷處理方法
    APP_LPTIMCallback();
  }
}

在使用時, 在每一個迴圈中先進入低功耗狀態, 開啟LPTIM, 然後進入STOP 等待中斷, MCU會阻塞在__WFI()方法. 當 LPTIM 計數結束後會喚醒 MCU 繼續往下執行.

// 使能低功耗狀態
LL_PWR_EnableLowPowerRunMode();
// 重啟 LPTIM
LL_LPTIM_Disable(LPTIM1);
LL_LPTIM_Enable(LPTIM1);
// 等待
APP_uDelay(65);
// 開啟LPTIM單次模式
LL_LPTIM_StartCounter(LPTIM1,LL_LPTIM_OPERATING_MODE_ONESHOT);
// 使能STOP模式並等待中斷喚醒
LL_LPM_EnableDeepSleep();
__WFI();

PY32F002B

PY32F002B 片上資源相比 PY32F030 系列縮水了不少, 存儲只有 24K flash / 3K RAM, 只有兩個定時器, 還只有一個定時器帶4個IO輸出, 但是勝在低功耗, STOP 模式電流只有 1.5 uA, 可以勝任很多低功耗的需求.

進入 SLEEP 模式

  • PY32F002B 的 SLEEP 模式電流在 1 mA 以下, 整體比正常運行模式低 20% 左右
  • PY32F002B 的 STOP 模式, 當切換到低壓調節器後, 電流大小陡然降到 1.5 uA - 1.7 uA 區間

啟用 SLEEP 模式的代碼和 PY32F030 完全一樣

// Enable PWR clock
LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_PWR);
// Enter Sleep mode
LL_LPM_EnableSleep();
/*
 * 等待事件喚醒
 * 如果是等待中斷, 將下麵的代碼換成 __WFI();
 */
__SEV();
__WFE();
__WFE();

進入 STOP 模式

PY32F002B 開啟 STOP 模式的過程和 PY32F030 系列有區別

  1. 下麵的LL_PWR_SetLprMode等價於F030中的LL_PWR_EnableLowPowerRunMode方法, 都是切換到低電壓調節器
  2. 使用LL_PWR_SetStopModeSramVoltCtrl設置SRAM保持電壓
  3. 啟用 Deep Sleep (STOP) 模式
  4. 等待事件或中斷喚醒
// 使能低功耗控制模塊(PWR)時鐘
LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_PWR);
// STOP 模式啟用低電壓調節器
LL_PWR_SetLprMode(LL_PWR_LPR_MODE_LPR);
// SRAM保持電壓與數字LDO輸出對齊
LL_PWR_SetStopModeSramVoltCtrl(LL_PWR_SRAM_RETENTION_VOLT_CTRL_LDO);

// Enter DeepSleep mode
LL_LPM_EnableDeepSleep();

/*
 * 等待事件喚醒
 * 如果是等待中斷, 將下麵的代碼換成 __WFI();
 */
__SEV();
__WFE();
__WFE();

LL_LPM_EnableSleep();

事件喚醒和中斷喚醒 - 按鍵喚醒

PY32F002B 的按鍵喚醒和 PY32F030 系列是一樣的, 略.

LPTIM 喚醒 - 定時器自動喚醒

配置 LPTIM, PY32F002B 的 LPTIM 和 PY32F030 系列相比, 增加了一個連續模式 LL_LPTIM_OPERATING_MODE_CONTINUOUS.

  • 如果是單次模式 LL_LPTIM_OPERATING_MODE_ONESHOT, 下次進入STOP模式後, 要重啟啟動 LPTIM 才能喚醒
  • 如果是連續模式 LL_LPTIM_OPERATING_MODE_CONTINUOUS, 下次進入STOP模式後, 不需要再設置 LPTIM, 會自動喚醒
// Enable LPTIM clock
LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_LPTIM1);
// Enabel LSI
LL_RCC_LSI_Enable();
while(LL_RCC_LSI_IsReady() == 0);
// Select LSI as LTPIM clock source
LL_RCC_SetLPTIMClockSource(LL_RCC_LPTIM1_CLKSOURCE_LSI);
// prescaler: 128
LPTIM_InitStruct.Prescaler = LL_LPTIM_PRESCALER_DIV128;
// Registers are updated after each APB bus write access
LPTIM_InitStruct.UpdateMode = LL_LPTIM_UPDATE_MODE_IMMEDIATE;
// Init LPTIM
if (LL_LPTIM_Init(LPTIM, &LPTIM_InitStruct) != SUCCESS)
{
  APP_ErrorHandler();
}

// Enable LPTIM1 interrupt
NVIC_SetPriority(LPTIM1_IRQn, 0);
NVIC_EnableIRQ(LPTIM1_IRQn);

// Enable LPTIM autoreload match interrupt
LL_LPTIM_EnableIT_ARRM(LPTIM);
// Enable LPTIM
LL_LPTIM_Enable(LPTIM);
// Set autoreload value
LL_LPTIM_SetAutoReload(LPTIM, 51);
/*
 * LPTIM starts in single mode
 * 如果是連續模式, 則用 LL_LPTIM_StartCounter(LPTIM, LL_LPTIM_OPERATING_MODE_CONTINUOUS);
 */
LL_LPTIM_StartCounter(LPTIM, LL_LPTIM_OPERATING_MODE_ONESHOT);

回調

void LPTIM1_IRQHandler(void)
{
  APP_LptimIRQCallback();
}

void APP_LptimIRQCallback(void)
{
  if((LL_LPTIM_IsActiveFlag_ARRM(LPTIM) == 1) && (LL_LPTIM_IsEnabledIT_ARRM(LPTIM) == 1))
  {
    /* Clear autoreload match flag */
    LL_LPTIM_ClearFLAG_ARRM(LPTIM);
  }
}

文末的彩蛋: PY32F002B 的隱藏資源

1. 開啟 48MHz 運行時鐘

PY32F002B 手冊上的最高運行時鐘是 24MHz, 但是在 py32f002bx5.h 中增加一行 #define RCC_HSI48M_SUPPORT, 就能開啟 PY32F002B 的 48MHz 時鐘支持. 對手裡的幾片 PY32F002B 測試, 以及對一些渠道廠商的合封晶元的測試, 開啟 48MHz 沒有問題, 按 48MHz 的時鐘基準設置定時器和PWM, 反過來也能驗證是真實的 48MHz 頻率.

2. 開啟 DEEP STOP 模式

PY32F002B 手冊上沒有列出 DEEP STOP 模式, 但是在 py32f002bx5.h 中增加如下幾行

#define PWR_DEEPSTOP_SUPPORT                  /*!< PWR feature available only on specific devices: Deep stop feature */

#define PWR_CR1_SRAM_RETV_DLP_Pos    (18U)
#define PWR_CR1_SRAM_RETV_DLP_Msk    (0x1UL << PWR_CR1_SRAM_RETV_DLP_Pos)         /*!< 0x00040000 */
#define PWR_CR1_SRAM_RETV_DLP        PWR_CR1_SRAM_RETV_DLP_Msk                    /*!< SRAM retention voltage control in DeepStop mode */

使用以下的代碼就能使 MCU 進入 DEEP STOP 模式

static void APP_EnterDeepStop(void)
{
  /* Enable PWR clock */
  LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_PWR);

  /* STOP mode with deep low power regulator ON */
  LL_PWR_SetLprMode(LL_PWR_LPR_MODE_DLPR);

  /* SRAM retention voltage aligned with digital LDO output */
  LL_PWR_SetStopModeSramVoltCtrl(LL_PWR_SRAM_RETENTION_VOLT_CTRL_LDO);

  /* Enter DeepSleep mode */
  LL_LPM_EnableDeepSleep();

  /* Request Wait For Event */
   __SEV();
   __WFE();
   __WFE();

   LL_LPM_EnableSleep();
}

PY32F002B 在 DEEP STOP 模式下, 待機電流能降到約 0.6uA.

3. DEEP STOP 模式通過 LPTIM 喚醒

經過實際測試, PY32F002B 的 DEEP STOP 模式可以通過 LPTIM 喚醒

  • 當 LPTIM 時鐘源使用 LSE 時, 定時準確, 精度取決於32K晶振的精度, 喚醒的間隔時間最長可以設置到256秒. 但是耗電稍高, 因為開啟 LSE 需要額外的 0.6uA 左右的電流, 待機電流 1.2uA 左右
  • 當 LPTIM 時鐘源使用 LSI 時, 耗電最省, 待機只需要 0.6uA, 但是定時不准確. 當設置為4秒時, 實際間隔稍大於4秒, 當設置為5秒時, 實際間隔為7秒左右, 設置為6秒時, 實際間隔為26秒, 在7秒以上則很可能無法喚醒. 猜測在 DEEP STOP 模式下內部低速時鐘是依靠內部存留(電容?)電量運行, 會隨著內部電量消耗電壓降低而逐漸變慢.

相關代碼

以上的相關常式和代碼可以在下麵的鏈接中找到


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