细说STM32F407单片机电源低功耗SleepMode模式及应用示例

目录

一、STM32F4的低功耗模式

1、睡眠(Sleep)模式

2、停止(Stop)模式

3、待机(Standby)模式

二、睡眠模式

1、进入睡眠模式

2、睡眠模式的状态

3、退出睡眠模式

4、SysTick的影响

三、应用示例

1、工程配置

（1） 时钟、DEBUG、GPIO、CodeGenerator

（2） USART6

（3） NVIC

2、软件设计

（1） main.h

（2）main.c

四、下载并调试

        电池供电的嵌入式系统一般非常注意功耗控制，尽量使系统的功耗最低。STM32F4系列MCU提供了多种运行模式，CubeMX也提供了功耗分析的功能。本文介绍STM32F4的SleepMode功耗模式，以及如何通过该功耗模式的控制实现系统的低功耗。

一、STM32F4的低功耗模式

        系统复位后，MCU处于正常运行模式。在正常运行模式下，CPU由HCLK时钟信号驱动连续执行程序指令。用户可以采取一些措施降低系统正常运行时的功耗，例如，可以降低HCLK时钟频率，或者将不使用的外设的时钟信号关闭。

        从main()函数的代码可以看出，在执行完各种初始化后，最后都是执行一个while()死循环。在while()循环里，通过轮询方式处理各种事务，或通过中断响应处理各种事务。在正常运行模式下，while()循环里的程序代码是一直执行的，即使一行代码都没有。所以在正常运行模式下，一般的嵌入式系统的CPU计算时间都是浪费的。

        除了正常运行模式，STM32F4系列MCU还有3种低功耗模式。

1、睡眠(Sleep)模式

        Cortex-M4内核时钟停止，1.2V调压器正常工作，外设保持运行。通过WFI(wait for interrupt)或WFE(wait for event)指令进入睡眠模式。进入睡眠模式后，CPU不再执行新的代码。CPU可以被中断或事件唤醒，唤醒后继续执行进入睡眠点之后的代码。

2、停止(Stop)模式

        1.2V域所有时钟都停止，所有外设停止工作，内部调压器可以处于运行或低功耗模式，内部SRAM和寄存器的内容被保留，HSI和HSE振荡器关闭。通过EXTI中断或EXTI事件唤醒，CPU从停止处继续执行代码。

3、待机(Standby)模式

        调压器停止，1.2V域断电，内部SRAM和寄存器的内容丢失。只能通过SYS_WKUP引脚的上升沿、RTC闹钟事件、RTC唤醒事件、RTC入侵事件、NRST引脚外部复位等唤醒。从待机模式唤醒相当于系统复位，程序从头开始执行。

        在这3种低功耗模式中，待机模式功耗最低，但是从待机模式唤醒相当于系统复位，程序从头开始执行。睡眠模式和停止模式都能停止CPU的程序执行，被唤醒后，从程序停止处继续执行。应根据系统的实际功能需求选择合适的低功耗模式。

二、睡眠模式

1、进入睡眠模式

        通过执行Cortex-M4内核的WFI(Wait For Interrupt)指令或WFE(Wait For Event)指令可以进入睡眠模式。根据Cortex-M4F系统控制寄存器(System Control Register，SCR)的SLEEPONEXIT位的设置，有两种进入睡眠模式的方式。

  • 立即睡眠：如果SLEEPONEXIT位是0，MCU在执行WFI指令或WFE指令时，立即进入睡眠模式。
  • 退出时睡眠：如果SLEEPONEXIT位是1，MCU在退出优先级最低的中断ISR后，立即进入睡眠模式。

        在进入睡眠模式之前，可以调用HAL的驱动函数设置SLEEPONEXIT的值，这两个函数原型如下：

void HAL_PWR_EnableSleepOnExit(void)	//将SLEEPONEXIT位置1
void HAL_PWR_DisableSleepOnExit(void)	//将SLEEPONEXIT位清零

        进入睡眠模式的HAL函数是HAL_PWR_EnterSLEEPMode()，其源代码如下：

void HAL_PWR_EnterSLEEPMode(uint32_t Regulator, uint8_t SLEEPEntry)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(Regulator);

  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_PWR_REGULATOR(Regulator));
  assert_param(IS_PWR_SLEEP_ENTRY(SLEEPEntry));

  /* Clear SLEEPDEEP bit of Cortex System Control Register */
  CLEAR_BIT(SCB->SCR, ((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk));

  /* Select SLEEP mode entry -------------------------------------------------*/
  if(SLEEPEntry == PWR_SLEEPENTRY_WFI)
  {   
    /* Request Wait For Interrupt */
    __WFI();
  }
  else
  {
    if(SLEEPEntry != PWR_SLEEPENTRY_WFE_NO_EVT_CLEAR)
    {
      /* Clear all pending event */
      __SEV();
      __WFE();
    }

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

         其中，参数Regulator表示调压器在睡眠模式下的状态。其取值使用如下宏定义常量。

PWR_MAINREGULATOR_ON，调压器正常运行。
PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON，调压器处于低功耗模式。

        但是参数Regulator的取值在这个函数中并没有意义，因为STM32F4系列MCU在睡眠模式下，调压器总是处于运行状态，而不能是低功耗状态。这个参数是为了与低功耗系列的STM32F MCU的驱动函数相兼容。

        参数SLEEPEntry表示以何种指令进入睡眠模式，WFI指令或WFE指令。其取值使用如下宏定义常量。

PWR_SLEEPENTRY_WFI，使用WFI指令进入睡眠模式。
PWR_SLEEPENTRY_WFE，使用WFE指令进入睡眠模式。

        函数HAL_PWR_EnterSLEEPMode()内部会首先将系统控制寄存器SCR的SLEEPDEEP位清零，这个位如果置1就是深度睡眠模式，在进入停止模式时才将SLEEPDEEP位置1。

2、睡眠模式的状态

        进入睡眠模式后，系统的状态如下：

  • CPU的时钟关闭，CPU停止运行，也就是程序暂停。
  • 所有外设的时钟不停止，外设正常运行，所有I/O引脚的状态与运行时相同。
  • 调压器正常运行。

3、退出睡眠模式

        如果使用WFI指令进入睡眠模式，则NVIC确认的任何外设中断都可以将MCU唤醒。由中断唤醒后，先执行中断的ISR，然后执行WFI指令后面的程序。

        如果使用WFE指令进入睡眠模式，MCU将在有事件发生时立即退出睡眠模式，并执行WFE后的程序。唤醒事件可以通过以下方式产生。

  • 在外设的控制寄存器中使能一个中断事件，但是不在NVIC中使能其全局中断，同时使能系统控制寄存器SCR中的SEVONPEND(Send Event on Pending bit)位。当MCU从WFE恢复时，需要清除相应外设的事件中断标志位和外设NVIC中断挂起位。
  • 配置一个外部或内部EXTI线为事件模式。当CPU从WFE中恢复时，因为对应事件线的挂起位没有被置位，不必清除相应外设的中断标志位或NVIC中断通道挂起位。HAL库中有两个函数用于设置系统控制寄存器SCR中的SEVONPEND位的值。
void HAL_PWR_EnableSEVOnPend(void)	//SEVONPEND位置1
void HAL_PWR_DisableSEVOnPend(void)	//SEVONPEND位清零

        从睡眠模式唤醒的响应没有任何延迟，是3种低功耗模式中唤醒响应最快的。

4、SysTick的影响

        由于睡眠模式可以由任意中断或事件唤醒，而MCU在HAL初始化时就开启了Cortex-M内核的SysTick定时器，这个定时器每隔1ms中断一次。如果MCU处于睡眠状态，SysTick定时器的中断会将MCU从睡眠模式唤醒。

        如果要使睡眠模式不受SysTick中断的影响，需要在进入睡眠状态之前停止SysTick定时器，从睡眠状态恢复后又立即开启SysTick定时器，因为延时函数HAL_Delay()需要用到SysTick定时器。文件stmf4xx_hal.h定义了两个控制SysTick定时器的函数，两个函数原型定义如下：

void HAL_SuspendTick(void);	//暂停SysTick定时器的运行
void HAL_ResumeTick(void);	//恢复SysTick定时器的运行

三、应用示例

本文将创建一个示例项目，测试系统的睡眠模式。继续使用旺宝红龙开发板STM32F407ZGT6 KIT V1.0。示例功能和操作流程如下。

  • 将连接KeyRight键的PF6引脚配置为外部中断EXTI6。
  • 在主程序的while循环里，使系统进入睡眠状态后，按下KeyRight键把系统从睡眠状态唤醒。

        本示例要用到USART6、LED1(PA6)和KeyRight键，但是需要将连接KeyRight键的PF6引脚重新设置为外部中断线EXTI6，并设置上拉和下跳沿触发中断。本示例中KeyRight和LED1的引脚GPIO设置结果如图所示。用户还需要在NVIC中开启EXTI6的中断。

        本文引用KEYLED文件夹里的文件，其使用方法和管脚配置请看参考文章。

        参考文章：细说STM32F407单片机以DMA方式读写外部SRAM的方法_片外sram访问熟读-CSDN博客  细说STM32F407单片机以DMA方式读写外部SRAM的方法_片外sram访问熟读-CSDN博客

1、工程配置

（1） 时钟、DEBUG、GPIO、CodeGenerator

        外部时钟，25MHz，设置到HCLK=168MHz，PCLK1=42MHz，PCLK2=84MHz，其它，都设置成168MHz。

        DEBUG，选择serial wire，CodeGenerator的设置同参考文章。

 

（2） USART6

        使用管脚PG9、PG14，默认其它参数。

（3） NVIC

2、软件设计

（1） main.h

        即使PF6管脚被定义多重功能， IDE也自动生成如下驱动。

/* Private defines -----------------------------------------------------------*/
#define KeyRight_Pin GPIO_PIN_6
#define KeyRight_GPIO_Port GPIOF
#define KeyRight_EXTI_IRQn EXTI9_5_IRQn
#define LED1_Pin GPIO_PIN_6
#define LED1_GPIO_Port GPIOA

（2）main.c

/* USER CODE BEGIN 2 */
  printf("Demo22_1_SleepMode:Test Sleep Mode.\r\n\r\n");
  LED1_ON();
  HAL_Delay(1000);	//系统复位后，LED1 1秒后进入睡眠状态
  /* USER CODE END 2 */
  /* USER CODE BEGIN 3 */
	printf("Press KeyRight[S5] to wake up.\r\n");
	printf("After entering SleepMode,");
	printf("the LED1 flashes until the MCU wakes up.\r\n\r\n");
	LED1_OFF();
	HAL_SuspendTick();	//使SysTick定时器暂停

	/* 进入睡眠状态，对于正常的中断，WFI和WFE两种参数都可以唤醒，因为中断肯定是事件 */
	HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);

	/* 按键的EXTI中断唤醒后执行下面的代码 */
	HAL_ResumeTick();	//恢复SysTick定时器
	printf("Resumed from SleepMode.\r\n\r\n");
	for(uint8_t i=0; i<9;i++)	//使LED1 闪烁,延时也可消除按键抖动影响
	{
	  	LED1_Toggle();
	  	HAL_Delay(500);
	}
  }
  /* USER CODE END 3 */

        本示没有为外部中断EXTI6编写回调函数代码，所有用户代码都在main()函数里。

        在while循环里，在使系统进入睡眠状态之前先熄灭LED1，调用函数HAL_SuspendTick()使SysTick定时器暂停，然后调用HAL_PWR_EnterSLEEPMode()函数，用WFI指令进入睡眠模式。在进入睡眠模式后，CPU时钟停止，程序就暂停了。

        在用户按下KeyRight[S5]键时产生EXTI中断，系统被唤醒，继续执行后面的代码。程序先调用函数HAL_ResumeTick()恢复SysTick定时器的运行，因为后面的代码里需要使用HAL_Delay()函数，要用到SysTick定时器。

        本示例在执行函数HAL_PWR_EnterSLEEPMode()进入睡眠模式时，使用WFI方式或WFE方式的效果是一样的，因为中断必然是事件引起的，而事件不一定产生中断。

/* USER CODE BEGIN 4 */
// 唤醒SleepMode也可以在这里通过调用回调函数实现

int __io_putchar(int ch)
{
	HAL_UART_Transmit(&huart6,(uint8_t*)&ch,1,0xFFFF);
	return ch;
}
/* USER CODE END 4 */

四、下载并调试

        运行时可以看到示例程序是按期望运行的。系统提示进入睡眠模式后，按KeyRight键可唤醒系统，唤醒后显示提示信息，并且使LED1闪烁几次，然后又进入睡眠状态。要唤醒系统，需要再按KeyRight键。

        如果将程序中调用函数HAL_SuspendTick()的那行语句注释掉，也就是不暂停SysTick定时器，会发现运行时LED1一直闪烁。这是因为在进入睡眠状态后，SysTick定时器中断就将系统唤醒了，而SysTick定时器中断的触发周期是1ms，所以系统睡眠不超过1ms就被唤醒了。在这个程序中，while循环里的代码不会被CPU一直高速循环执行，进入睡眠模式会使CPU暂停执行程序，被唤醒后才继续执行睡眠点之后的代码。本示例为了演示的需要，在系统被唤醒后，用for循环执行了约4000ms的程序(也起到消除按键抖动影响的作用)。在实际的系统中，程序可能大部分时间处于睡眠状态，执行程序的时间可能很短，例如，睡眠1000ms，执行程序才1ms，这样可以大大降低系统的功耗。

        在CubeMX中，为本项目进行功耗计算，只设置了RUN和SLEEP两种步骤，步骤设置中只开启系统实际用到的外设。运行模式下的耗电流是47.18mA，而睡眠模式下的电流是13.18mA。

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