功耗测评 | STM32F103C8T6

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STM32F103C8T6 MCU越来越广泛的应用在生产生活的各个领域，外接丰富的传感器、功能模块、通信模块、显示存储等可以形成各种可样的产品项目应用。对于功耗要求比较高的产品，一般会选择STM32L系列的MCU，但是从功耗的评测角度，逻辑上是基本相似的。
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。由于智能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，提高设备的续航时间。其实，只要是涉及到便携式的产品，都免不了要使用电池作为电源，否则，如果还是需要接一个插头使用市电来供电的话，那就无法称之为便携式了，比如手机、运动手环、蓝牙耳机、智能手表等都是类似的。所以控制功耗和提高产品的续航时间就显得尤为重要。
目前针对STM32F103C8T6等系列单片机而言，比较常用的低功耗模式是停止模式和待机模式。
当使用待机模式时，在实际应用中，通常会有一个开关机的按键(PA0)，如果用户按下按键的话，就会开机或者关机，开机对应的就是唤醒，而关机对应的就是待机(类似于手机的开关机按键)。在此过程中，电池会一直给单片机的3.3V电源供电，也就是说，单片机一直都是有电的，但是它的所有外设以及时钟都处于关闭状态，之所以还要给单片机供电，只是为了在用户按下按键时检测PA0的上升沿而已，如果不给单片机供电的话，那么还怎么检测呢？检测不了。
当使用停止模式时，我们先看一个问题：理论上待机模式的功耗远比停止模式要低，为什么还要选择停止模式呢？通常是这样的，一个便携式的系统，除了考虑按键开关机外，还需要考虑给电池充电的时候往往需要显示一些充电的信息(现在的手机充电就是这样的)，如果是在开机状态下充电的话完全没有问题。但是，如果是在关机状态下充电呢？肯定就需要单片机能够自己唤醒自己(不需要用户按下PA0)，然后才有可能显示充电的信息(比如手机关机状态下接通电源后，可以自动显示充电的动画)。
是否可以实现不按下PA0就实现唤醒功能吗？当然可以，只需要在硬件上做一些改动即可。
比如，将充电口的电压降压后跟PA0相连，这样只要充电口在充电，PA0必定会出现一个从低到高的脉冲，这样就可以唤醒了。但这种情况下，软件层面上又不好区分PA0的上升沿是由于充电造成的，还是由于用户按下按键造成的。所以，这个时候就需要考虑选择停止模式了，开关机按键接到一个引脚，充电口接到另外一个引脚，两个引脚都配置为外部中断，两个引脚也都可以唤醒单片机，分开了不同的信号电平，这样子，在软件上就可以很容易地判断。
实际上也有另一种改进方式，就是在硬件上实现一个脉冲电路，可以用一个简单的RC延时电路，就是说充电口的电平再经过一个RC电路以后，出来的就不会一直是高电平，而只是一个脉冲了，再把这个脉冲信号接到PA0引脚，这个时候插入充电口和按下PA0就都会在PA0上出现一个脉冲了。软件上，可以利用长按开机，再长按关机的机制来进行判别，如果PA0仅仅只是出现一个上升沿并且检测到充电芯片正在充电，此时就是充电口插入了，唤醒单片机且显示充电效果即可。

工作模式
我们先了解一下STM32F103C8T6单片机的几种工作模式。按功耗从高到低排列，STM32F103C8T6具有运行（Run）、睡眠（Sleep）、停止（Stop）和待机（Standby）四种工作模式。在这四种模式下，后面三种是当STM32F103C8T6的内核不在需要运行时，可以选择的几种模式，当单片机在工作时，则是运行模式。

 运行模式
这里我们不多说运行模式，因为当STM32F103C8T6在上电复位后，即处于了运行模式，这种情况下，单片机自动运行程序。只由当我们不需要内核也就是所谓的Cortex-M3继续运行时，我们就可以选择让芯片进入睡眠、停止和待机这三种模式，来让芯片降低功耗。功耗的降低会减少芯片的发热以及能够保证可靠性增加。



 睡眠模式
当STM32F103C8T6在运行过程中，内核也就是所谓的Cortex-M3遇到WFE（等待中断）或者WFI（等待事件）指令时会停止内部时钟，停止程序执行。尽管Cortex-M3停止工作，但是其外设仍在继续工作，直到某个外设产生事件或者中断时，内核将会被唤醒，退出睡眠模式。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，Cortex-M3核心的外设全都还照常运行，在软件上表现为不再执行新的代码。这个状态会保留睡眠前的内核寄存器、内存的数据。唤醒后 ，若由中断唤醒，先进入中断，退出中断服务程序后，接着执行 WFI指令后的程序；若由事件唤醒，直接接着执行 WFE 后的程序。基本上无唤醒延迟。





  
这里补充说明一件事：Cortex-M3是一个32位的内核，在传统的单片机领域中，有一些不同于通用32位CPU应用的要求。在工控领域，用户要求具有更快的中断速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术，完全基于硬件进行中断处理，最多可减少12个时钟周期数，在实际应用中可减少70%中断。

 停机模式
若用户将Cortex-M3处理器的电源控制寄存器（Cortex Power Control Register，Cortex_PCR）中的SLEEPDEEP位置位，然后将STM32F103C8T6电源控制寄存器（STM32 Power Control Register.STM32 PCR）中的PDDS（Power Down Deep Sleep）位清除，就完成了STM32F103C8T6停机模式的设置。
当停机模式设置完毕后，CPU一旦遇到WFI或WFE指令就会停止工作，HSI和HSE也进人关闭状态。但Flash和SRAM将会继续保持电源供应，所以此时STM32F103C8T6的所有工作状态仍然是保留着的。和睡眠模式一样，停机模式也可以通过外设中断唤醒，然面在停机模式下，除了外部中断控制单元，所有设备的时钟都被禁止了，只能通过在GPIO引脚上产生电平边沿触发外部中断的方式来将STM32从停机状态下唤醒。
需要注意的是，外部中断通道除了与GPIO连接，还和RTC时钟的报警事件连接，加之RTC的计数时钟并非来源于STM32F103C8T6的设备总线（而是直接来自于LSI或LSE），因此还可以使用RTC模块实现定时将STM32F103C8T6从停机状态中唤醒。
在停止模式中，相对于休眠模式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。唤醒后，若由中断唤醒，先进入中断，退出中断服务程序后，接着执行 WFI指令后的程序；若由事件唤醒，直接接着执行 WFE 后的程序。停止模式唤醒后，STM32F103C8T6会使用 HSI(HSI为8M)作为系统时钟。所以，有必要在唤醒以后，在程序上重新配置系统时钟，将时钟切换回HSE。唤醒延迟基本上是 HSI振荡器的启动时间，若调压器工作在低功耗模式，还需要加上调压器从低功耗切换至正常模式下的时间，若FLASH工作在掉电模式，还需要加上 FLASH 从掉电模式唤醒的时间。



顺便提一下，HSI振荡器与HSE的区别就在于一个是内部的时钟源，一个是外部的时钟源。HSI 时钟信号由内部16 MHz RC 振荡器生成，可直接用作系统时钟，或者用作PLL 输入。HSI RC 振荡器的优点是成本较低（无需使用外部组件）。此外，其启动速度也要比HSE 晶振块，但即使校准后，其精度也不及外部晶振或陶瓷谐振器。

 待机模式
若将STM32F103C8T6电源控制寄存器中的SLEEP位进行置位，再将STM32_PCR中的PDDS位进行置位，这样，单片机则进入待机模式。
若要唤醒待机模式，有多种方式进行唤醒，分别位：RTC的闹钟事件、NRST的外部引脚复位、独立看门狗（IWDG）所产生的复位信号，以及PA0引脚上所产生的一个上升沿，但是若要是要该引脚所产生的上升沿来唤醒单片机，则必须事先设置为唤醒引脚功能。待机模式是STM32F103C8T6的最低功耗模式。当进入待机模式后，所有的SRAM数据、Cortex-M3处理器的寄存器和STM32F103C8T6的寄存器内容都将会被清零，效果等同于硬件复位。






功耗测评
首先，为了保持评测的准确性，我们先用一个电阻负载来验证一下设备测试精度，电阻是0.1%精度的100K电阻，所以电阻的阻值误差我们先可以忽略。
打开功耗分析仪电源mPower1203测试设备，设置3.3V输出。可以看到，在配套的E-sight工具上显示了流过电阻的电流值。理论上是33uA，我们实测的值和理论值相差几十个nA，所以基本上设备的电流精度可以达到千分之一以内的精度。



   现在开始评测STM32F103C8T6单片机的几种模式下的休眠功耗。

 睡眠模式
我们从STM32F103C8T6单片机的规格书中，可以看到使用外部时钟，在主频为72MHz和48MHz，所有外设都关闭的情况下，功耗典型值约为5.5mA和3.9mA，我们围绕这两个值进行测试评估。




经测试和波形分析：
图1：主频为72MHz@关闭所有外设，睡眠功耗为5.889mA；


图2：主频为48MHz@关闭所有外设，睡眠功耗为4.175mA；


  
测试数据基本符合规格书中的典型值数据。从这个数据中我们可以了解到，当一个产品需要进行优化功耗时，在某些场合下，可以通过降低主频的方式来得到目标功耗。

 停机模式
从STM32F103C8T6单片机的规格书中，可以看到，供电输出3.3V，停机模式下有两种情况。一种是调压器处于运行模式，对应的功耗典型值为24uA；另一种是调压器处于低功耗模式，对应的功耗典型值为14uA。我们围绕这两个值进行测试评估。



经测试和波形分析：
图3：调压器处于运行模式，停机功耗为23.042uA；


图4：调压器处于低功耗模式，停机功耗为12.857uA；


  
测试数据基本符合规格书中的典型值数据。在配置STM32F103C8T6单片机进入停机模式时，特别需要注意一点，就是外部接8M晶振的管脚需要配置成普通GPIO，且也需要配置成模拟输入的方式。

 待机模式
从STM32F103C8T6单片机的规格书中，可以看到，供电输出3.3V，待机模式下有三种情况。这三种情况分别对应的功耗的典型值约为3.4uA、3.2uA以及2uA。我们围绕这三个值进行测试评估。



经测试和波形分析：
图5：内部RC和独立看门狗均开启状态，待机功耗为2.912uA；


图6：内部RC开启，独立看门狗关闭状态，待机功耗为2.702uA；


图7：内部RC和独立看门狗均关闭状态，且低速振荡器和RTC均关闭，待机功耗为1.62uA；



测试数据基本符合规格书中的典型值数据。
最后，需要提一下，在我们进行功耗评测的时候，在和规格书进行对比时，需要了解典型值的含义。一般情况下，规格书上的值都是相对比较保守的，而且典型值是表示正态分布中一个1σ的值，也就是说68.27%的概率是落在典型值左右。换句话说，一个100个测试样本，68.27个样本的测试数据是满足典型值的。

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