单片机的系统功耗控制/电源模式管理/AWU自动唤醒

合集 - STM8S单片机入门应用_寄存器配置(21)

1.前言与基础知识2024-11-162.GPIO通用输入输出端口2024-11-163.GPIO输出应用：流水灯2024-11-214.GPIO输出应用：数码管2024-11-215.GPIO输入应用：按键2024-11-216.中断2024-11-177.外部中断应用：按键2024-11-218.时钟源2024-11-249.基本计时器TIM4：STM8的定时器/计数器资源综述2024-11-2410.单片机线反转法实现矩阵键盘2024-11-2511.高级计时器TIM1：概述与外部时钟模式实现外部脉冲计数2024-11-2912.高级计时器TIM1：输入捕获功能功能实现信号周期与占空比测量2024-11-2913.高级计时器TIM1：STM8的PWM输出功能实现呼吸灯2024-11-2914.STM8的ADC模数转换器01-0815.嵌入式串行通信导论01-0916.UART异步串行通信协议01-0917.SPI同步串行通信协议01-1118.I2C同步串行通信协议01-2019.STM8的看门狗01-06

20.单片机的系统功耗控制/电源模式管理/AWU自动唤醒01-21

21.STM8的储存器01-26

收起

功耗控制概述

低功耗的意义

• 节省资源

  降低功耗就是省电，这不仅意味着节约了电力资源，也意味着提升续航时间，以及降低电磁辐射与热噪声对设备寿命的影响，延长了设备生命周期

• 低成本与小型化

  降低功耗后就不必使用较大的散热模块以及电源模块，能降低系统的成本，也使系统能够更加紧凑小型化

降低系统功耗的方式

• 硬件调整

  对硬件的选择或配置直接影响系统功耗，主要分以下方面

  • 电源单元：电源的效率和质量直接关系到单片机的功耗与稳定性，电源应该效率高、发热小、纹波参数合理、性能足够使用
  • 功能外设：外设应该尽可能选择低功耗的集成化器件，并合理设计供电电路和散热单元
  • 电路设计：例如慎用上/下拉电阻，必须使用时合理选择阻值，避免不必要的电源消耗；暂未使用的端口要合理配置，不能随意连接到VDD/VSS等，这些设计细节都有助于减少开销
  • 单片机选型：这是最重要的一点，要选择适合当前应用的单片机型号

• 软件优化

  单片机系统中有一部分功耗是间接产生的，所谓间接是指不合理的控制逻辑或低效率的程序，这就需要对软件进行优化来降低功耗

  • 注重程序的结构优化和编译优化：程序要选择合适的算法和数据结构、注重程序的时间/空间复杂度；编译器可以对源代码进行优化，还能调整优化等级，而这需要程序员写出编译器易于优化的代码
  • 用程序实现替代简单的硬件单元：例如编码、译码和滤波等电路单元，用硬件搭建功耗较高，这时可以去掉这些硬件，用软件实现方法(在介绍按键去抖和ADC的章节中已经有介绍)，而这种方法有利有弊，会牺牲一定的速度并对CPU性能提出更高要求
  • 使用事件驱动机制：如果CPU一直进行大量运算和操作，功耗便会居高不下，因此在有数据要处理时才唤醒CPU，让其在短时间内完成处理后进入“休息”状态，最直接的便是用中断替代轮询
  • 减少CPU运算工作量：这需要在程序上进行优化，比如处理数字信号时，有多种软件滤波算法，在精度允许的情况下要使用简单滤波替代复杂滤波；还有对于一些重复度较高的计算可以算好后使用查表法；尽量避免浮点数运算

STM8的功耗影响因素

• 供电电压

  STM8核心电压为1.8V，支持3.3-5V的宽电压供电，显然使用3.3V供电时的STM8功耗会下降

• 代码执行位置

  从RAM中执行代码比从Flash中执行的电源电流要小，因为RAM存取速度快，执行效率高

• 时钟源及频率

  显然，频率高的时候功耗会更高

  相同频率下，HSE石英晶体振荡器消耗电流比HSE外部信号输入方式更多，HSE时钟源又比HSI消耗电流高，HSI比LSI消耗高

• 片上外设

  只启用需要的外设来节省功耗，即便所有的外设都要使用，也存在分时运行的情况

  STM8上的耗电大户是ADC与定时器(功能越高级越耗电)

---

电源模式管理

STM8的电源模式分类

• 运行模式

  运行模式是默认的模式，此模式下：CPU由f_CPU提供运行时钟并执行程序，而f_MASTER分别为其他激活的片上外设提供时钟，这时系统功耗可达最大

• 低功耗模式

  但对于一些不需要CPU一直保持运行的需求，STM8提供三种低功耗的模式：

  等待模式/活跃停机模式/停机模式

  

等待模式Wait

• 等待模式概述

  等待模式中：CPU停止运行，但片上外设和中断控制器保持运行

  等待模式下所有寄存器和RAM的内容保持不变，之前定义的时钟配置(寄存器CLK_CMSR的内容)也不会改变

  可以通过配置外设设置门控PCG功能禁止片上外设时钟连接，切换低功耗时钟源这些操作来进一步降低功耗

• 进入等待模式

  在运行模式下执行STM8的专用命令WFI，如下：

  void main()
  {
  	//省略具体语句
  	asm("WFI");//从运行模式切换至等待模式
  	//省略具体语句
  }
  

• 退出等待模式

  可被所有的内部中断、AWU或者外部中断(包含中断输入的GPIO端口和通信外设中断等)以及复位事件唤醒，当一个中断请求产生时，CPU从等待模式退出并恢复工作

停机模式Halt

• 停机模式概述

  停机模式中：关闭主电源调节器(只保留低功耗电源调节器和掉电复位工作)，关闭时钟振荡，由f_MASTER提供时钟的CPU和所有外设也都被关闭，是电流消耗最低的一种模式

  停机模式下所有寄存器和RAM的内容保持不变，之前定义的时钟配置(寄存器CLK_CMSR的内容)也不会改变；

• 进入停机模式

  使用命令HALT

  void main()
  {
  	//省略具体语句
  	asm("HALT");//从运行模式切换至等待模式
  	//省略具体语句
  }
  

• 退出停机模式

  可以被外部中断和复位事件唤醒，内部中断与AWU不能唤醒

  需要注意的是，HSE启动速度较慢，如果需要快速唤醒单片机电源，可以在进入停机模式前选择HSI作为f_MASTER的时钟源；或者设置内部时钟寄存器CLK_ICKR_FHWU选择HSI时钟，这样就不需要再进行时钟切换了

  另外单片机的Flash储存器在停机时处于掉电状态，其唤醒时间较长，如果想要快速唤醒可以将FLASH_CR1_HALT位置1，让Flash处于等待状态

活跃停机模式Acitce-Halt

• 活跃停机模式概述

  开启主电压调节器，关闭时钟振荡，关闭CPU，外设只保留AWU开启；如果使能了AWU单元和独立看门狗IWDG，则LSI和HSE时钟源还处于运行状态

  它和停机模式类似，但是不必通过外部中断唤醒，而是可以使用自动唤醒AWU，AWU会在一定延时后产生一个内部唤醒事件(本质上就是一个计数器)

• 进入活跃停机模式

  进入活跃停机模式前，首先要使能AWU功能，再执行HALT停机命令

• 退出活跃停机模式

  可被AWU、外部中断、复位事件唤醒

  活跃停机模式下快速唤醒很重要，这需要同停机模式一样设置HSI时钟；

  而Flash在活跃停机状态下默认就是工作状态，如果需要降低功耗，可以向FLASH_CR1_AHALT位置1，让活跃停机状态下停止向其供电，但如上文所述增加唤醒时间

---

AWU自动唤醒

AWU系统概述

• AWU的作用

  前文提到，AWU能够实现将STM8从活跃停机状态切换到运行状态，它就相当于一个定时闹钟，在预设的时间后唤醒单片机

• AWU系统结构

  AWU本质就是计数器(这和看门狗的原理类似)，特殊之处在于其计时溢出时产生中断能够唤醒单片机，而且其只能使用LSI或者HSE晶振时钟源，

• AWU的时钟

  具体的时钟源选择由选项字节OPT4的CKAWUSEL位(OPT4的第2位)决定，置0为选择LSI作为时钟源，置1选择HSE为时钟源

  事实上，无论选择那个时钟源，最后AWU使用的时钟都是固定的128kHz；如果使用HSE作为时钟源，就会多出一步分频(因为HSE的频率一般都较高)，分频系数同样在选项字节OPT4中，其PRSC[1:0]位设定AWU时钟分频系数，具体分频情况如下：

  • PRSC[1:0]=00：24MHz分频至128kHz
  • PRSC[1:0]=01：16MHz分频至128kHz
  • PRSC[1:0]=10：8MHz分频至128kHz
  • PRSC[1:0]=11：4MHz分频至128kHz

AWU配置简述

1. 配置时钟源

   配置选项字节OPT4的CKAWUSEL位，置0选LSI，置1选择HSE；选择HSE则按其频率进行分频

2. 修正时钟源

   这一步会更详细地阐述，因为在时钟源一章中提到过，LSI存在的误差较大，而AWU又对计时精度有较高要求，所以进行修正很有必要，其流程如下：

   1. 将控制/状态寄存器AWU_CSR中的MSR位置1，把LSI内部时钟连接到TIM3或TIM1的捕获通道ICAP1上
   2. 通过定时器的输入捕获中断来测量频率
   3. 根据测量所得的频率来设定相关值，提高精度，具体配置方法见下文

3. 配置时钟预分频

   通过配置异步预分频寄存器APR[5:0]来配置适当的预分频值

4. 配置自动唤醒延时间隔

   通过配置时基选择寄存器AWU_TBR中的AWUTB[3:0]选择需要的自动唤醒时间间隔

5. 使能AWU

   置控制/状态寄存器AWU_CSR的AWUEN位为1

6. 将单片机切换至活跃停机状态

   执行HALT指令

AWU相关寄存器

• 控制/状态寄存器 AWU_CSR

  用以使能AWU单元，使能测量功能，以及指示自动唤醒中断的有无

  

• 异步预分频寄存器 AWU_APR

  设置分频值

  

• 时基选择寄存器 AWU_TBR

  设置自动唤醒的时间间隔，如果不需要使用AWU，必须写0000到此寄存器来降低功耗

  

AWU的唤醒时间计算公式

• AWU唤醒时间公式表

  对AWU_APR寄存器配置APR分频值，对AWU_TBR寄存器配置AWUTB时基值，这两个参数对唤醒时间的影响参见此表

  

• 分频值APR的计算

  例如：当前时钟频率为128kHz，要设定6ms唤醒，要求计算得到AWUTB与APR的配置值

  从表中可见6ms在4-8ms范围内，其对应的一行中AWUTB=0101(即0x05)

  而对应的APR计算公式为T=2⁴×APR/f，变换公式得APR=(T×f)/2⁴

  将T=6×10^-3s，f=128000Hz带入，得APR=48_DEX(即0x30)

  如果计算得到的是小数，要取近似值化为整数

代码实现

• 配置AWU单元

  void AWU_init()
  {
  	CLK_ICKR |= 0x0C;//打开LSI，从活跃停机状态快速唤醒使能
  	FLASH_CR1 |= 0x40;//活跃停机模式下FLASH不掉电
  	AWU_APR = 0x30;//配置预分频值
  	AWU_TRB = 0x05;//配置AWU唤醒时间间隔
  	AWU_CSR1 |= 0x10;//使能AWUEN位，启动AWU
  }
  
  void main()
  {
  	//省略具体语句
  	AWU_init();
  	asm("HALT");//进入活跃停机
  	//省略具体语句
  }
  
  #pragma vector=3 //AWU单元的中断处理函数
  __interrupt void AWU_IRQHandler(void)
  {
  	//省略具体语句
  	AWU_CSR1 |= 0x10;
  }