代码收藏家技术教程 2024-11-13

深入解析 STM32 单片机的低功耗与唤醒机制：从睡眠到待机的高效节能策略

STM32 系列单片机凭借其低功耗特性以及强大的计算能力，被广泛应用于物联网设备、传感器系统等对功耗敏感的嵌入式应用中。为了适应不同的应用场景，STM32 提供了多种低功耗模式，并支持通过中断、定时器等方式进行快速唤醒。本文将详细介绍 STM32 的低功耗模式及其唤醒机制，附上标准固件库的示例代码。

1. STM32 单片机的低功耗模式

STM32 提供多种低功耗模式，包括：

睡眠模式（Sleep Mode）
低功耗睡眠模式（Low-Power Sleep Mode）
停止模式（Stop Mode）
待机模式（Standby Mode）
每种模式在功耗和唤醒时间上各有特点。

1.1 睡眠模式（Sleep Mode）
在睡眠模式下，CPU 停止运行，但外设继续工作。该模式适合短时间内不需要 CPU 运算，但外设仍需保持活跃的场景。

1.2 低功耗睡眠模式（Low-Power Sleep Mode）
低功耗睡眠模式是在睡眠模式的基础上降低系统时钟频率，以进一步降低功耗，适合更长时间的 CPU 空闲期。

1.3 停止模式（Stop Mode）
停止模式是低功耗状态下最常用的模式之一。主时钟（HSE/HSI）被关闭，只有低速时钟（LSI/LSE）继续运行。停止模式下保留了寄存器和 RAM 数据，唤醒时间较短，适合需要较快响应的系统。

1.4 待机模式（Standby Mode）
待机模式是最深的低功耗模式，关闭所有时钟，只有通过外部中断（如 RTC 或按键）才能唤醒。该模式适合长时间不需要响应的设备，唤醒后系统需完全重新初始化。

2. 低功耗模式的配置（基于标准固件库）

2.1 睡眠模式配置

#include "stm32f10x.h"

void Enter_SleepMode(void)
{
    // 清除 SLEEPDEEP 位，进入睡眠模式
    SCB->SCR &= ~SCB_SCR_SLEEPDEEP;
    
    // 使能睡眠模式
    __WFI();  // 进入睡眠，等待中断唤醒
}

在睡眠模式下，CPU 停止运行，但外设继续运行。可以通过外部中断或定时器唤醒 CPU。

2.2 停止模式配置

#include "stm32f10x.h"

void Enter_StopMode(void)
{
    // 使能电源控制时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
    
    // 进入停止模式
    PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);
}

停止模式适合功耗要求较低且需要快速唤醒的场景。

2.3 待机模式配置

#include "stm32f10x.h"

void Enter_StandbyMode(void)
{
    // 使能电源控制时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
    
    // 进入待机模式
    PWR_EnterSTANDBYMode();
}

待机模式功耗最低，但唤醒后需要重新初始化。

3. 唤醒机制

STM32 支持多种唤醒机制，包括外部中断、定时器以及 RTC 等。以下介绍几种常用的唤醒方法。

3.1 外部中断唤醒
外部中断是常用的唤醒方式之一，适合设备在接收到外部事件时唤醒。

#include "stm32f10x.h"

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET)
    {
        // 清除中断标志
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
        
        // 用户代码处理
    }
}

void Configure_EXTI0(void)
{
    // 使能 GPIOA 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置 PA0 为输入
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // 使能 SYSCFG 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    
    // 配置 EXTI 线路 0
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);
    
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
    EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling; // 下降沿触发
    EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);
    
    // 使能 NVIC 中断
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x00;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}

通过配置 EXTI 和 NVIC，可以让系统在接收到外部中断信号（如按键）时唤醒。

3.2 定时器唤醒
定时器唤醒适用于需要定时唤醒系统的场景。

#include "stm32f10x.h"

void Configure_Timer(void)
{
    // 使能 TIM2 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    
    // 配置定时器 TIM2
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 1000 - 1;  // 1 秒定时
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 7200 - 1; // 10KHz
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStruct);
    
    // 使能 TIM2 更新中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
    
    // 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
    
    // 使能 NVIC 中断
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x00;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        // 清除中断标志
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
        
        // 用户代码处理
    }
}