預研目標
六軸靜止時，終端進入低功耗模式；六軸震動時，終端正常工作模式，從而極大減少非工作時的電流消耗。
解決方案
機器靜止時，依據六軸算法，CPU進入休眠（停止）模式；機器工作時，觸發六軸中斷喚醒CPU，再配合系統空閑時進入CPU睡眠模式，從而極大降低機器非工作時的電流消耗和降低工作時底電流消耗。
關鍵技術
STM32功耗模式
按功耗由高到低排列，STM32具有運行、睡眠、停止和待機四種工作模式。上電復位后STM32處於運行狀態時，當內核不需要繼續運行，就可以選擇進入后面的三種低功耗模式降低功耗，這三種模式中，電源消耗不同、喚醒時間不同、喚醒源不同，用戶需要根據應用需求，選擇最佳的低功耗模式。三種低功耗的模式說明見表1。
表 1 STM32的低功耗模式說明
| 模式 |
說明 |
進入方式 |
喚醒方式 |
對1.2V區域時鍾的影響 |
對VDD區域時鍾的影響 |
調壓器 |
| 睡眠 |
內核停止，所有外設包括M4核心的外設，如NVIC、系統時鍾(SysTick)等仍在運行 |
調用WFI命令 |
任一中斷 |
內核時鍾關，對其他時鍾和ADC時鍾無影響 |
無 |
開 |
| 調用WFE命令 |
喚醒事件 |
|||||
| 停止 |
所有的時鍾都已停止 |
配置PWR_CR寄存器的PDDS +LPDS 位+SLEEPDEEP位 +WFI或WFE命令 |
任一外部中斷( 在外部中斷寄存器中設置) |
關閉所有1.2V區域的時鍾 |
HSI和HSE的振盪器關閉 |
開啟或處於低功耗模式( 依據電源控制寄存器的設定) |
| 待機 |
1.2V 電源關閉 |
配置PWR_CR寄存器的PDDS +SLEEPDEEP位 +WFI或WFE命令 |
WKUP 引腳的上升沿、RTC鬧鍾事件、NRST 引腳上的外部復位、IWDG 復位 |
關 |
從表中可以看到，這三種低功耗模式層層遞進，運行的時鍾或芯片功能越來越少，因而功耗越來越低。
睡眠模式
在睡眠模式中，僅關閉了內核時鍾，內核停止運行，但其片上外設，CM4核心的外設全都還照常運行。有兩種方式進入睡眠模式，它的進入方式決定了從睡眠喚醒的方式，分別是WFI(wait for interrupt)和WFE(wait for event)，即由等待"中斷"喚醒和由"事件"喚醒。睡眠模式的各種特性見表 2。
表 2 睡眠模式的各種特性
| 特性 |
說明 |
| 立即睡眠 |
在執行WFI 或WFE 指令時立即進入睡眠模式。 |
| 退出時睡眠 |
在退出優先級最低的中斷服務程序后才進入睡眠模式。 |
| 進入方式 |
內核寄存器的SLEEPDEEP = 0 ，然后調用WFI或WFE指令即可進入睡眠模式； 另外若內核寄存器的SLEEPONEXIT=0時，進入"立即睡眠"模式，SLEEPONEXIT=1時，進入"退出時睡眠"模式。 |
| 喚醒方式 |
如果是使用WFI指令睡眠的，則可使用任意中斷喚醒； 如果是使用WFE指令睡眠的，則由事件喚醒。 |
| 睡眠時 |
關閉內核時鍾，內核停止，而外設正常運行，在軟件上表現為不再執行新的代碼。這個狀態會保留睡眠前的內核寄存器、內存的數據。 |
| 喚醒延遲 |
無延遲。 |
| 喚醒后 |
若由中斷喚醒，先進入中斷，退出中斷服務程序后，接着執行WFI指令后的程序；若由事件喚醒，直接接着執行WFE后的程序。 |
停止模式
在停止模式中，進一步關閉了其它所有的時鍾，於是所有的外設都停止了工作，但由於其1.2V區域的部分電源沒有關閉，還保留了內核的寄存器、內存的信息，所以從停止模式喚醒，並重新開啟時鍾后，還可以從上次停止處繼續執行代碼。停止模式可以由任意一個外部中斷(EXTI)喚醒。在停止模式中可以選擇電壓調節器為開模式或低功耗模式，可選擇內部FLASH工作在正常模式或掉電模式。停止模式的各種特性見表3。
表 3 停止模式的各種特性
| 特性 |
說明 |
| 調壓器低功耗模式 |
在停止模式下調壓器可工作在正常模式或低功耗模式，可進一步降低功耗 |
| FLASH掉電模式 |
在停止模式下FLASH可工作在正常模式或掉電模式，可進一步降低功耗 |
| 進入方式 |
內核寄存器的SLEEPDEEP =1，PWR_CR寄存器中的PDDS=0，然后調用WFI或WFE指令即可進入停止模式； PWR_CR 寄存器的LPDS=0時，調壓器工作在正常模式，LPDS=1時工作在低功耗模式； PWR_CR 寄存器的FPDS=0時，FLASH工作在正常模式，FPDS=1時進入掉電模式。 |
| 喚醒方式 |
如果是使用WFI指令睡眠的，可使用任意EXTI線的中斷喚醒； 如果是使用WFE指令睡眠的，可使用任意配置為事件模式的EXTI線事件喚醒。 |
| 停止時 |
內核停止，片上外設也停止。這個狀態會保留停止前的內核寄存器、內存的數據。 |
| 喚醒延遲 |
基礎延遲為HSI振盪器的啟動時間，若調壓器工作在低功耗模式，還需要加上調壓器從低功耗切換至正常模式下的時間，若FLASH工作在掉電模式，還需要加上FLASH從掉電模式喚醒的時間。 |
| 喚醒后 |
若由中斷喚醒，先進入中斷，退出中斷服務程序后，接着執行WFI指令后的程序；若由事件喚醒，直接接着執行WFE后的程序。喚醒后，STM32會使用HIS作為系統時鍾。 |
待機模式
待機模式，它除了關閉所有的時鍾，還把1.2V區域的電源也完全關閉了，也就是說，從待機模式喚醒后，由於沒有之前代碼的運行記錄，只能對芯片復位，重新檢測boot條件，從頭開始執行程序。它有四種喚醒方式，分別是WKUP(PA0)引腳的上升沿，RTC鬧鍾事件，NRST引腳的復位和IWDG(獨立看門狗)復位。
表 4 待機模式的各種特性
| 特性 |
說明 |
| 進入方式 |
內核寄存器的SLEEPDEEP =1，PWR_CR寄存器中的PDDS=1，PWR_CR寄存器中的喚醒狀態位WUF=0，然后調用WFI或WFE指令即可進入待機模式； |
| 喚醒方式 |
通過WKUP引腳的上升沿，RTC鬧鍾、喚醒、入侵、時間戳事件或NRST引腳外部復位及IWDG復位喚醒。 |
| 待機時 |
內核停止，片上外設也停止；內核寄存器、內存的數據會丟失；除復位引腳、RTC_AF1引腳及WKUP引腳，其它I/O口均工作在高阻態。 |
| 喚醒延遲 |
芯片復位的時間 |
| 喚醒后 |
相當於芯片復位，在程序表現為從頭開始執行代碼。 |
在以上講解的睡眠模式、停止模式及待機模式中，若備份域電源正常供電，備份域內的RTC都可以正常運行、備份域內的寄存器及備份域內的SRAM數據會被保存，不受功耗模式影響。
功耗模式選擇及配置
功耗模式選擇
睡眠模式：RTOS空閑任務進入休眠，sysTick中斷喚醒；
停止模式：機器不工作（六軸靜止）時，進入停止模式；六軸動時中斷/RTC定時中斷觸發喚醒。
功耗模式配置
注：STOP模式下，喚醒后系統使用HSI作為系統時鍾，用戶可能需要未進入STOP模式前的系統時鍾配置。
RTC定時喚醒喂狗
系統進入STOP模式后，需要RTC中斷定時喚醒喂狗防止系統復位。
RTC定時喚醒中斷使能：
HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(&hrtc, 0xA017, RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV16);
RTC定時喚醒中斷失能：
HAL_RTCEx_DeactivateWakeUpTimer(&hrtc)；
RTC定時喚醒喂狗：
void HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{
feed_dog();
}
六軸BMI160
電源模式
在我們的產品場景中，Gyroscope（陀螺儀）未使用，默認配置為Suspend mode,Accelermoter(加速度)使用Normal mode（退出CPU休眠后）或Low power mode（進入休眠前配置）；
中斷模式
模式選擇及配置
這里推薦使用BMI160官方驅動，源碼獲取參見參考資料第3項，關於驅動具體使用參照源碼README.md文件，下面
struct bmi160_dev sensor;
BMI160初始化
struct bmi160_dev sensor; /* BMI160初始化 */ void AccelInit(void) { /* You may assign a chip select identifier to be handled later */ sensor.id = 0; sensor.interface = BMI160_SPI_INTF; sensor.read = user_spi_read; sensor.write = user_spi_write; sensor.delay_ms = user_delay_ms; int8_t rslt = BMI160_OK; rslt = bmi160_init(&sensor); printf("bmi160 chip id: %02x, accel power:%d, gyro power:%d\r\n", sensor.chip_id, sensor.accel_cfg.power, sensor.gyro_cfg.power); /* After the above function call, accel_cfg and gyro_cfg parameters in the device structure are set with default values, found in the datasheet of the sensor */ } /* BMI160電源模式配置 */ void AccelConfig(void) { int8_t rslt = BMI160_OK; struct bmi160_pmu_status pmuStatus; /* Select the Output data rate, range of accelerometer sensor */ sensor.accel_cfg.odr = BMI160_ACCEL_ODR_400HZ; sensor.accel_cfg.range = BMI160_ACCEL_RANGE_4G; sensor.accel_cfg.bw = BMI160_ACCEL_BW_NORMAL_AVG4; /* Select the power mode of accelerometer sensor */ sensor.accel_cfg.power = BMI160_ACCEL_NORMAL_MODE; /* Set the sensor configuration */ rslt = bmi160_set_sens_conf(&sensor); bmi160_get_power_mode( &pmuStatus, &sensor); //printf("accel power:%d, gyro power:%d\r\n", pmuStatus.accel_pmu_status, pmuStatus.gyro_pmu_status); } /* BMI160 Any-motion中斷配置 */ void AnyMotionIntCfg(void) { struct bmi160_int_settg int_config; /* Select the Interrupt channel/pin */ int_config.int_channel = BMI160_INT_CHANNEL_BOTH;// Interrupt channel/pin 1 /* Select the Interrupt type */ int_config.int_type = BMI160_ACC_ANY_MOTION_INT;// Choosing Any motion interrupt /* Select the interrupt channel/pin settings */ int_config.int_pin_settg.output_en = BMI160_ENABLE;// Enabling interrupt pins to act as output pin int_config.int_pin_settg.output_mode = BMI160_DISABLE;// Choosing push-pull mode for interrupt pin int_config.int_pin_settg.output_type = BMI160_DISABLE;// Choosing active low output int_config.int_pin_settg.edge_ctrl = BMI160_ENABLE;// Choosing edge triggered output int_config.int_pin_settg.input_en = BMI160_DISABLE;// Disabling interrupt pin to act as input int_config.int_pin_settg.latch_dur = BMI160_LATCH_DUR_NONE;// non-latched output /* Select the Any-motion interrupt parameters */ int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_en = BMI160_ENABLE;// 1- Enable the any-motion, 0- disable any-motion int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_x = BMI160_ENABLE;// Enabling x-axis for any motion interrupt int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_y = BMI160_ENABLE;// Enabling y-axis for any motion interrupt int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_z = BMI160_ENABLE;// Enabling z-axis for any motion interrupt int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_dur = 0;// any-motion duration int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_thr = 20;// (2-g range) -> (slope_thr) * 3.91 mg, (4-g range) -> (slope_thr) * 7.81 mg, (8-g range) ->(slope_thr) * 15.63 mg, (16-g range) -> (slope_thr) * 31.25 mg /* Set the Any-motion interrupt */ bmi160_set_int_config(&int_config, &sensor); /* sensor is an instance of the structure bmi160_dev */ }
方案驗證
測試用例
typedef enum
{
STOP_MODE_WAKE_FROM_NULL,
STOP_MODE_WAKE_FROM_RTC,
STOP_MODE_WAKE_FROM_ACCEL,
}StopModeWakeEnum;
StopModeWakeEnum wakeReason = STOP_MODE_WAKE_FROM_NULL; void StopModeTest(void *pdata)
{ RCC_ClkInitTypeDef clkCfgPre; uint32_t flatencyPre = 0; uint32_t freqPre = 0; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; AccelInit(); AccelConfig(); AnyMotionIntCfg(); for(;;) { printf("\r\nSTM32 runing, system led off\r\n"); PrintSysClkInfo(); SysLedOff(); printf("\r\nSTM32 enter stop mode\r\n"); /*## Configure the Wake up timer ###########################################*/ /* RTC Wake-up Interrupt Generation: Wake-up Time Base = (RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV /(LSI)) Wake-up Time = Wake-up Time Base * WakeUpCounter = (RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV /(LSI)) * WakeUpCounter ==> WakeUpCounter = Wake-up Time / Wake-up Time Base To configure the wake up timer to 20s the WakeUpCounter is set to 0xA017: RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV = RTCCLK_Div16 = 16 Wake-up Time Base = 16 /(~32.768KHz) = ~0,488 ms Wake-up Time = ~20s = 0,488ms * WakeUpCounter ==> WakeUpCounter = ~20s/0,488ms = 40983 = 0xA017 */ HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(&hrtc, 0xA017, RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV16); /* FLASH Deep Power Down Mode enabled */ HAL_PWREx_EnableFlashPowerDown(); /* Enter Stop Mode */ HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI); HAL_PWREx_DisableFlashPowerDown(); HAL_RCC_GetClockConfig( &clkCfgPre, &flatencyPre); freqPre = HAL_RCC_GetSysClockFreq (); SYSCLKConfig_STOP(); /* Disable Wake-up timer */ if(HAL_RTCEx_DeactivateWakeUpTimer(&hrtc) != HAL_OK) { /* Initialization Error */ Error_Handler(); } switch(wakeReason) { case STOP_MODE_WAKE_FROM_RTC: printf("\r\nSTM32 wake from stop mode from RTC, system led on\r\n"); break; case STOP_MODE_WAKE_FROM_ACCEL: printf("\r\nSTM32 wake from stop mode from ACCEL, system led on\r\n"); break; default: printf("\r\nSTM32 wake from stop mode from %d\r\n", wakeReason); break; } printf("SysFreq:%u, ClkSrc:%d(0:HSI, 1:HSE, 2:PLL, 3:PLLR)\r\n", freqPre, clkCfgPre.SYSCLKSource); printf("\r\nSTM32 recover system clk config\r\n"); PrintSysClkInfo(); OSTimeDlyHMSM( 0, 0, 5, 0); } } void HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc) { SysLedOn(); feed_dog(); wakeReason = STOP_MODE_WAKE_FROM_RTC; } void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
switch(GPIO_Pin) { case WAKED_FROM_BT_Pin: if(GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(WAKED_FROM_BT_GPIO_Port, WAKED_FROM_BT_Pin)) {/*wake start*/ BleSpiRxRestart(); }break; case INT_ALARM_Pin: break; case GYRO_INT1_Pin: if(GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(GYRO_INT1_GPIO_Port, GYRO_INT1_Pin)) { } break; case GYRO_INT2_Pin: if(GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(GYRO_INT2_GPIO_Port, GYRO_INT2_Pin)) { SysLedOn(); wakeReason = STOP_MODE_WAKE_FROM_ACCEL; } break;
default: break;
}
}
實驗步驟
- 測試用例燒錄終端，連接打印串口、打開串口調試助手；
- 18:15:49前保持終端靜止、待進入CPU休眠后再次震動終端1次，重復操作2次；
測試log輸出：
實驗結論
CPU進入停止模式后，RTC定時中斷/六軸中斷可喚醒CPU，喚醒后CPU使用HSI作為系統時鍾源，CPU進入停止模式后功耗極大降低，可實現機器非工作時電流消耗的極大降低。
參考資料
1. 《STM32F401xB/C and STM32F401xD/E advanced Arm®-based 32-bit MCUs》
2.《Description of STM32F4 HAL and LL drivers》
3.https://ae-bst.resource.bosch.com/media/_tech/media/datasheets/BST-BMI160-DS000.pdf
4. https://github.com/BoschSensortec/BMI160_driver
作者：大毛孩 出處： https://www.cnblogs.com/damaohai/ 本文版權歸作者和博客園共有，歡迎轉載，但未經作者同意必須保留此段聲明，且在文章頁面明顯位置給出原文連接，否則保留追究法律責任的權利。如果覺得還有幫助的話，可以點一下右下角的【推薦】。