2019年09月20日 | 第42章 电源管理—实现低功耗—零死角玩转STM32-F429系列

本章参考数据：《STM32F4xx 中文参考手册》、《STM32F4xx规格书》、库说明文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。

42.1 STM32的电源管理简介

电源对电子设备的重要性不言而喻，它是保证系统稳定运行的基础，而保证系统能稳定运行后，又有低功耗的要求。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。因此，STM32有专门的电源管理外设监控电源并管理设备的运行模式，确保系统正常运行，并尽量降低器件的功耗。

42.1.1 电源监控器

STM32芯片主要通过引脚VDD从外部获取电源，在它的内部具有电源监控器用于检测VDD的电压，以实现复位功能及掉电紧急处理功能，保证系统可靠地运行。

1.    上电复位与掉电复位(POR与PDR)

当检测到VDD的电压低于阈值VPOR及VPDR时，无需外部电路辅助，STM32芯片会自动保持在复位状态，防止因电压不足强行工作而带来严重的后果。见图 421，在刚开始电压低于VPOR时(约1.72V)，STM32保持在上电复位状态(POR，Power On Reset)，当VDD电压持续上升至大于VPOR时，芯片开始正常运行，而在芯片正常运行的时候，当检测到VDD电压下降至低于VPDR阈值(约1.68V)，会进入掉电复位状态(PDR，Power Down Reset)。

图 421 POR与PDR

2.    欠压复位(BOR)

POR与PDR的复位电压阈值是固定的，如果用户想要自行设定复位阈值，可以使用STM32的BOR功能(Brownout Reset)。它可以编程控制电压检测工作在表 421中的阈值级别，通过修改"选项字节"(某些特殊寄存器)中的BOR_LEV位即可控制阈值级别。其复位控制示意图见图 422。

表 421 BOR欠压阈值等级

图 422 BOR复位控制

3.    可编程电压检测器PVD

上述POR、PDR以及BOR功能都是使用其电压阈值与外部供电电压VDD比较，当低于工作阈值时，会直接进入复位状态，这可防止电压不足导致的误操作。除此之外，STM32还提供了可编程电压检测器PVD，它也是实时检测VDD的电压，当检测到电压低于VPVD阈值时，会向内核产生一个PVD中断(EXTI16线中断)以使内核在复位前进行紧急处理。该电压阈值可通过电源控制寄存器PWR_CSR设置。

使用PVD可配置8个等级，见表 422。其中的上升沿和下降沿分别表示类似图 422中VDD电压上升过程及下降过程的阈值。

表 422 PVD的阈值等级

42.1.2 STM32的电源系统

为了方便进行电源管理，STM32把它的外设、内核等模块跟据功能划分了供电区域，其内部电源区域划分见图 423。

图 423 STM32的电源系统

从框图了解到，STM32的电源系统主要分为备份域电路、内核电路以及ADC电路三部分，介绍如下：

备份域电路

STM32的LSE振荡器、RTC、备份寄存器及备份SRAM这些器件被包含进备份域电路中，这部分的电路可以通过STM32的VBAT引脚获取供电电源，在实际应用中一般会使用3V的钮扣电池对该引脚供电。

在图中备份域电路的左侧有一个电源开关结构，它的功能类似图 424中的双二极管，在它的上方连接了VBAT电源，下方连接了VDD主电源(一般为3.3V)，右侧引出到备份域电路中。当VDD主电源存在时，由于VDD电压较高，备份域电路通过VDD供电，当VDD掉电时，备份域电路由钮扣电池通过VBAT供电，保证电路能持续运行，从而可利用它保留关键数据。

图 424 双二极管结构

调压器供电电路

在STM32的电源系统中调压器供电的电路是最主要的部分，调压器为备份域及待机电路以外的所有数字电路供电，其中包括内核、数字外设以及RAM，调压器的输出电压约为1.2V，因而使用调压器供电的这些电路区域被称为1.2V域。

调压器可以运行在"运行模式"、"停止模式"以及"待机模式"。在运行模式下，1.2V域全功率运行；在停止模式下1.2V域运行在低功耗状态，1.2V区域的所有时钟都被关闭，相应的外设都停止了工作，但它会保留内核寄存器以及SRAM的内容；在待机模式下，整个1.2V域都断电，该区域的内核寄存器及SRAM内容都会丢失(备份区域的寄存器及SRAM不受影响)。

ADC电源及参考电压

为了提高转换精度，STM32的ADC配有独立的电源接口，方便进行单独的滤波。ADC的工作电源使用VDDA引脚输入，使用VSSA作为独立的地连接，VREF引脚则为ADC提供测量使用的参考电压。

42.1.3 STM32的功耗模式

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处于运行状态时，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见表 423。    

表 423STM32的低功耗模式说明

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。

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。有两种方式进入睡眠模式，它的进入方式决定了从睡眠唤醒的方式，分别是WFI(wait for interrupt)和WFE(wait for event)，即由等待"中断"唤醒和由"事件"唤醒。睡眠模式的各种特性见表 424。

表 424 睡眠模式的各种特性

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。停止模式可以由任意一个外部中断(EXTI)唤醒。在停止模式中可以选择电压调节器为开模式或低功耗模式，可选择内部FLASH工作在正常模式或掉电模式。停止模式的各种特性见表 425。

表 425 停止模式的各种特性

3.    待机模式

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。它有四种唤醒方式，分别是WKUP(PA0)引脚的上升沿，RTC闹钟事件，NRST引脚的复位和IWDG(独立看门狗)复位。

表 426 待机模式的各种特性

在以上讲解的睡眠模式、停止模式及待机模式中，若备份域电源正常供电，备份域内的RTC都可以正常运行、备份域内的寄存器及备份域内的SRAM数据会被保存，不受功耗模式影响。

42.2 电源管理相关的库函数及命令

STM32标准库对电源管理提供了完善的函数及命令，使用它们可以方便地进行控制，本小节对这些内容进行讲解。

42.2.1 配置PVD监控功能

PVD可监控VDD的电压，当它低于阈值时可产生PVD中断以让系统进行紧急处理，这个阈值可以直接使用库函数PWR_PVDLevelConfig配置成前面表 422中说明的阈值等级。

42.2.2 WFI与WFE命令

我们了解到进入各种低功耗模式时都需要调用WFI或WFE命令，它们实质上都是内核指令，在库文件core_cmInstr.h中把这些指令封装成了函数，见代码清单 241。

代码清单 421 WFI与WFE的指令定义(core_cmInstr.h文件)

1

2 /** brief Wait For Interrupt

3

4 Wait For Interrupt is a hint instruction that suspends execution

5 until one of a number of events occurs.

6 */

7 #define __WFI __wfi

8

9

10 /** brief Wait For Event

11

12 Wait For Event is a hint instruction that permits the processor to enter

13 a low-power state until one of a number of events occurs.

14 */

15 #define __WFE __wfe

对于这两个指令，我们应用时一般只需要知道，调用它们都能进入低功耗模式，需要使用函数的格式"__WFI();"和"__WFE();"来调用(因为__wfi及__wfe是编译器内置的函数，函数内部使用调用了相应的汇编指令)。其中WFI指令决定了它需要用中断唤醒，而WFE则决定了它可用事件来唤醒，关于它们更详细的区别可查阅《cortex-CM3/CM4权威指南》了解。

42.2.3 进入停止模式

直接调用WFI和WFE指令可以进入睡眠模式，而进入停止模式则还需要在调用指令前设置一些寄存器位，STM32标准库把这部分的操作封装到PWR_EnterSTOPMode函数中了，它的定义见代码清单 402。

代码清单 422 进入停止模式

1 /**

2 * @brief 进入停止模式

3 *

4 * @note 在停止模式下所有I/O的会保持在停止前的状态

5 * @note 从停止模式唤醒后，会使用HSI作为时钟源

6 * @note 调压器若工作在低功耗模式，可减少功耗，但唤醒时会增加延迟

7 * @param PWR_Regulator: 设置停止模式时调压器的工作模式

8 * @arg PWR_MainRegulator_ON: 调压器正常运行

9 * @arg PWR_LowPowerRegulator_ON: 调压器低功耗运行

10 * @param PWR_STOPEntry: 设置使用WFI还是WFE进入停止模式

11 * @arg PWR_STOPEntry_WFI: WFI进入停止模式

12 * @arg PWR_STOPEntry_WFE: WFE进入停止模式

13 * @retval None

14 */

15 void PWR_EnterSTOPMode(uint32_t PWR_Regulator, uint8_t PWR_STOPEntry)

16 {

17 uint32_t tmpreg = 0;

18

19 /* 设置调压器的模式 ------------*/

20 tmpreg = PWR->CR;

21 /* 清除 PDDS 及 LPDS 位 */

22 tmpreg &= CR_DS_MASK;

23

24 /* 根据PWR_Regulator 的值(调压器工作模式)配置LPDS,MRLVDS及LPLVDS位 */

25 tmpreg |= PWR_Regulator;

26

27 /* 写入参数值到寄存器 */

28 PWR->CR = tmpreg;

29

30 /* 设置内核寄存器的SLEEPDEEP位 */

31 SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;

32

33 /* 设置进入停止模式的方式-----------------*/

34 if (PWR_STOPEntry == PWR_STOPEntry_WFI) {

35 /* 需要中断唤醒*/

36 __WFI();

37 } else {

38 /* 需要事件唤醒 */

39 __WFE();

40 }

41 /* 以下的程序是当重新唤醒时才执行的，清除SLEEPDEEP位的状态*/

42 SCB->SCR &= (uint32_t)~((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk);

43 }

这个函数有两个输入参数，分别用于控制调压器的模式及选择使用WFI或WFE停止，代码中先是根据调压器的模式配置PWR_CR寄存器，再把内核寄存器的SLEEPDEEP位置1，这样再调用WFI或WFE命令时，STM32就不是睡眠，而是进入停止模式了。函数结尾处的语句用于复位SLEEPDEEP位的状态，由于它是在WFI及WFE指令之后的，所以这部分代码是在STM32被唤醒的时候才会执行。

要注意的是进入停止模式后，STM32的所有I/O都保持在停止前的状态，而当它被唤醒时，STM32使用HSI作为系统时钟(16MHz)运行，由于系统时钟会影响很多外设的工作状态，所以一般我们在唤醒后会重新开启HSE，把系统时钟设置会原来的状态。

前面提到在停止模式中还可以控制内部FLASH的供电，控制FLASH是进入掉电状态还是正常供电状态，这可以使用库函数PWR_FlashPowerDownCmd配置，它其实只是封装了一个对FPDS寄存器位操作的语句，见代码清单 423。这个函数需要在进入停止模式前被调用，即应用时需要把它放在上面的PWR_EnterSTOPMode之前。

代码清单 423 控制FLASH的供电状态

1 /**

2 * @brief 设置内部FLASH在停止模式时是否工作在掉电状态

3 * 掉电状态可使功耗更低，但唤醒时会增加延迟

4 * @param NewState:

5 ENABLE:FLASH掉电

6 DISABLE:FLASH正常运行

7 * @retval None

8 */

9 void PWR_FlashPowerDownCmd(FunctionalState NewState)

10 {

11 /*配置FPDS寄存器位*/

12 *(__IO uint32_t *) CR_FPDS_BB = (uint32_t)NewState;

13 }

42.2.4 进入待机模式

类似地，STM32标准库也提供了控制进入待机模式的函数，其定义见代码清单 403。

代码清单 424 进入待机模式

1 /**

2 * @brief 进入待机模式

3 * @note 待机模式时，除以下引脚，其余引脚都在高阻态:

4 * -复位引脚

5 * - RTC_AF1 引脚 (PC13) (需要使能侵入检测、时间戳事件或RTC闹钟事件)

6 * - RTC_AF2 引脚 (PI8) (需要使能侵入检测或时间戳事件)

7 * - WKUP 引脚 (PA0) (需要使能WKUP唤醒功能)

8 * @note 在调用本函数前还需要清除WUF寄存器位

9 * @param None

10 * @retval None

11 */

12 void PWR_EnterSTANDBYMode(void)

13 {

14 /* 选择待机模式 */

15 PWR->CR |= PWR_CR_PDDS;

16

17 /* 设置内核寄存器的SLEEPDEEP位 */

18 SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;

19

20 /* 存储操作完毕时才能进入待机模式，使用以下语句确保存储操作执行完毕 */

21

22 __force_stores();

23

24 /* 等待中断唤醒 */

25 __WFI();

26 }

该函数中先配置了PDDS寄存器位及SLEEPDEEP寄存器位，接着调用__force_stores函数确保存储操作完毕后再调用WFI指令，从而进入待机模式。这里值得注意的是，待机模式也可以使用WFE指令进入的，如果您有需要可以自行修改；另外，由于这个函数没有操作WUF寄存器位，所以在实际应用中，调用本函数前，还需要清空WUF寄存器位才能进入待机模式。

在进入待机模式后，除了被使能了的用于唤醒的I/O，其余I/O都进入高阻态，而从待机模式唤醒后，相当于复位STM32芯片，程序重新从头开始执行。

42.3 PWR—睡眠模式实验

在本小节中，我们以实验的形式讲解如何控制STM32进入低功耗睡眠模式。

42.3.1 硬件设计

实验中的硬件主要使用到了按键、LED彩灯以及使用串口输出调试信息，这些硬件都与前面相应实验中的一致，涉及到硬件设计的可参考原理图或前面章节中的内容。

42.3.2 软件设计

本小节讲解的是"PWR—睡眠模式"实验，请打开配套的代码工程阅读理解。

1.    程序设计要点

(1)    初始化用于唤醒的中断按键；

(2)    进入睡眠状态；

(3)    使用按键中断唤醒芯片；

2.    代码分析

main函数

睡眠模式的程序比较简单，我们直接阅读它的main函数了解执行流程，见代码清单 242。

代码清单 425 睡眠模式的main函数(main.c文件)

1

2 /**

3 * @brief 主函数

4 * @param 无

5 * @retval 无

6 */

7 int main(void)

8 {

9

10 LED_GPIO_Config();

11

12 /*初始化USART1*/

13 Debug_USART_Config();

14

15 /* 初始化按键为中断模式，按下中断后会进入中断服务函数 */

16 EXTI_Key_Config();

17

18 printf("rn欢迎使用秉火 STM32 F429 开发板。rn");

19 printf("rn秉火F429 睡眠模式例程rn");

20

21 printf("rn实验说明：rn");

22

23 printf("rn 1.本程序中，绿灯表示STM32正常运行，红灯表示睡眠状态，蓝灯表示刚从睡眠状态被唤醒rn");

24 printf("rn 2.程序运行一段时间后自动进入睡眠状态，在睡眠状态下，可使用KEY1或KEY2唤醒rn");

25 printf("rn 3.本实验执行这样一个循环：rn");

26printf("rn --》亮绿灯(正常运行)->亮红灯(睡眠模式)->按KEY1或KEY2唤醒->亮蓝灯(刚被唤醒)--》rn");

27 printf("rn 4.在睡眠状态下，DAP下载器无法给STM32下载程序，rn");

28 printf("rn可按KEY1、KEY2唤醒后下载，rn");

29 printf("rn或按复位键使芯片处于复位状态，然后在电脑上点击下载按钮，再释放复位按键，即可下载rn");

30

31 while (1) {

32 /*********执行任务***************************/

33 printf("rn STM32正常运行，亮绿灯rn");

34

35 LED_GREEN;

36 Delay(0x3FFFFFF);

37

38 /*****任务执行完毕，进入睡眠降低功耗***********/

39

40

41 printf("rn进入睡眠模式，按KEY1或KEY2按键可唤醒rn");

42

43 //使用红灯指示，进入睡眠状态

44 LED_RED;

45 //进入睡眠模式

46 __WFI(); //WFI指令进入睡眠

47

48 //等待中断唤醒 K1或K2按键中断

49

50 /***被唤醒，亮蓝灯指示***/

51 LED_BLUE;

52 Delay(0x1FFFFFF);

53

54 printf("rn已退出睡眠模式rn");

55 //继续执行while循环

56 }

57 }

这个main函数的执行流程见图 425。    

图 425 睡眠模式实验流程图

(1)    程序中首先初始化了LED灯及串口以便用于指示芯片的运行状态，并且把实验板上的两个按键都初始化成了中断模式，以便当系统进入睡眠模式的时候可以通过按键来唤醒。这些硬件的初始化过程都跟前面章节中的一模一样。

(2)    初始化完成后使用LED及串口表示运行状态，在本实验中，LED彩灯为绿色时表示正常运行，红灯时表示睡眠状态，蓝灯时表示刚从睡眠状态中被唤醒。

(3)    程序执行一段时间后，直接使用WFI指令进入睡眠模式，由于WFI睡眠模式可以使用任意中断唤醒，所以我们可以使用按键中断唤醒。

(4)    当系统进入停止状态后，我们按下实验板上的KEY1或KEY2按键，即可使系统回到正常运行的状态，当执行完中断服务函数后，会继续执行WFI指令后的代码。

中断服务函数

系统刚被唤醒时会进入中断服务函数，见代码清单 243。

代码清单 426 按键中断的服务函数(stm32f4xx_it.c文件)

1

2 void KEY1_IRQHandler(void)

3 {

4 //确保是否产生了EXTI Line中断

5 if (EXTI_GetITStatus(KEY1_INT_EXTI_LINE) != RESET) {

6 LED_BLUE;

7 printf("rn KEY1 按键中断唤醒 rn");

8 EXTI_ClearITPendingBit(KEY1_INT_EXTI_LINE);

9 }

10 }

11

12 void KEY2_IRQHandler(void)

13 {

14 //确保是否产生了EXTI Line中断

15 if (EXTI_GetITStatus(KEY2_INT_EXTI_LINE) != RESET) {

16 LED_BLUE;

17 printf("rn KEY2 按键中断唤醒 rn");

18 //清除中断标志位

19 EXTI_ClearITPendingBit(KEY2_INT_EXTI_LINE);

20 }

21 }

用于唤醒睡眠模式的中断，其中断服务函数也没有特殊要求，跟普通的应用一样。

42.3.3 下载验证

下载这个实验测试时，可连接上串口，在电脑端的串口调试助手获知调试信息。当系统进入睡眠状态的时候，可以按KEY1或KEY2按键唤醒系统。

注意：

当系统处于睡眠模式低功耗状态时(包括后面讲解的停止模式及待机模式)，使用DAP下载器是无法给芯片下载程序的，所以下载程序时要先把系统唤醒。或者使用如下方法：按着板子的复位按键，使系统处于复位状态，然后点击电脑端的下载按钮下载程序，这时再释放复位按键，就能正常给板子下载程序了。

42.4 PWR—停止模式实验

在睡眠模式实验的基础上，我们进一步讲解如何进入停止模式及唤醒后的状态恢复。

42.4.1 硬件设计

本实验中的硬件与睡眠模式中的一致，主要使用到了按键、LED彩灯以及使用串口输出调试信息。

42.4.2 软件设计

本小节讲解的是"PWR—停止模式"实验，请打开配套的代码工程阅读理解。

1.    程序设计要点

(1)    初始化用于唤醒的中断按键；

(2)    设置停止状态时的FLASH供电或掉电；

(3)    选择电压调节器的工作模式并进入停止状态；

(4)    使用按键中断唤醒芯片；

(5)    重启HSE时钟，使系统完全恢复停止前的状态。

2.    代码分析

重启HSE时钟

与睡眠模式不一样，系统从停止模式被唤醒时，是使用HSI作为系统时钟的，在STM32F429中，HSI时钟一般为16MHz，与我们常用的180MHz相关太远，它会影响各种外设的工作频率。所以在系统从停止模式唤醒后，若希望各种外设恢复正常的工作状态，就要恢复停止模式前使用的系统时钟，本实验中定义了一个SYSCLKConfig_STOP函数，用于恢复系统时钟，它的定义见代码清单 243。