代码收藏家 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。
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：
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。
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。
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。
作者：wenchm
