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STMicroelectronics 系列：STM32L4 系列_（3）.STM32L4系列的低功耗技术

STM32L4系列的低功耗技术

1. 低功耗概述

STM32L4系列单片机是STMicroelectronics公司推出的高性能低功耗微控制器，广泛应用于各种需要长时间运行且功耗要求严格的嵌入式系统。低功耗技术是STM32L4系列的核心优势之一，通过多种机制和优化措施，实现了在不同工作模式下的最低功耗。

2. 低功耗工作模式

STM32L4系列支持多种低功耗工作模式，包括低功耗运行模式（Low-Power Run）、低功耗睡眠模式（Low-Power Sleep）、停止模式（Stop）、待机模式（Standby）和低功耗待机模式（Low-Power Standby）。每种模式都有其独特的功耗特性和适用场景。

2.1 低功耗运行模式（Low-Power Run）

低功耗运行模式是最基本的低功耗模式，在此模式下，CPU和外设都在运行，但通过降低时钟频率和关闭不必要的外设来减少功耗。此模式适用于需要保持较高性能但同时减少功耗的场景。

代码示例：


// 降低系统时钟频率到2 MHz

void enterLowPowerRunMode(void) {

    // 配置系统时钟

    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};

    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};



    // 使能内部低速时钟（LSI）

    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_LSI;

    RCC_OscInitStruct.LSIState = RCC_LSI_ON;

    HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);



    // 选择LSI作为系统时钟源

    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK;

    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_LSI;

    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;

    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

    HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0);

}
2.2 低功耗睡眠模式（Low-Power Sleep）

低功耗睡眠模式下，CPU停止运行，但外设和RAM保持供电，可以快速唤醒。此模式适用于CPU不需要运行但外设需要继续工作的场景。

代码示例：


// 进入低功耗睡眠模式

void enterLowPowerSleepMode(void) {

    // 关闭所有不必要的外设

    __HAL_RCC_TIM1_DISABLE();

    __HAL_RCC_TIM2_DISABLE();

    __HAL_RCC_TIM3_DISABLE();



    // 设置睡眠模式

    HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);

}
2.3 停止模式（Stop）

停止模式下，CPU和外设停止运行，但RAM保持供电。此模式功耗更低，但唤醒时间较长。适用于长时间不需要处理数据的场景。

代码示例：


// 进入停止模式

void enterStopMode(void) {

    // 配置RTC唤醒中断

    RTC_InitTypeDef RTC_InitStructure = {0};

    RTC_InitStructure.HourFormat = RTC_HOURFORMAT_24;

    RTC_InitStructure.AsynchronousPrediv = 0x7F;

    RTC_InitStructure.SynchronisationPrediv = 0xFF;

    HAL_RTC_Init(&hrtc, &RTC_InitStructure);



    // 配置RTC唤醒时间

    RTC_TimeTypeDef RTC_TimeStructure;

    RTC_TimeStructure.Hours = 1;

    RTC_TimeStructure.Minutes = 0;

    RTC_TimeStructure.Seconds = 0;

    HAL_RTC_SetAlarm_IT(&hrtc, RTC_FORMAT_BIN, &RTC_TimeStructure);



    // 进入停止模式

    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);

}
2.4 待机模式（Standby）

待机模式下，CPU、外设和RAM都停止供电，只有RTC和备份寄存器保持供电。此模式功耗最低，但唤醒时间最长。适用于长时间休眠的场景。

代码示例：


// 进入待机模式

void enterStandbyMode(void) {

    // 配置RTC唤醒中断

    RTC_InitTypeDef RTC_InitStructure = {0};

    RTC_InitStructure.HourFormat = RTC_HOURFORMAT_24;

    RTC_InitStructure.AsynchronousPrediv = 0x7F;

    RTC_InitStructure.SynchronisationPrediv = 0xFF;

    HAL_RTC_Init(&hrtc, &RTC_InitStructure);



    // 配置RTC唤醒时间

    RTC_TimeTypeDef RTC_TimeStructure;

    RTC_TimeStructure.Hours = 1;

    RTC_TimeStructure.Minutes = 0;

    RTC_TimeStructure.Seconds = 0;

    HAL_RTC_SetAlarm_IT(&hrtc, RTC_FORMAT_BIN, &RTC_TimeStructure);



    // 进入待机模式

    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();

}
2.5 低功耗待机模式（Low-Power Standby）

低功耗待机模式类似于待机模式，但可以通过更少的电源管理和更低的唤醒时间来进一步降低功耗。适用于需要极低功耗且对唤醒时间有一定要求的场景。

代码示例：


// 进入低功耗待机模式

void enterLowPowerStandbyMode(void) {

    // 配置RTC唤醒中断

    RTC_InitTypeDef RTC_InitStructure = {0};

    RTC_InitStructure.HourFormat = RTC_HOURFORMAT_24;

    RTC_InitStructure.AsynchronousPrediv = 0x7F;

    RTC_InitStructure.SynchronisationPrediv = 0xFF;

    HAL_RTC_Init(&hrtc, &RTC_InitStructure);



    // 配置RTC唤醒时间

    RTC_TimeTypeDef RTC_TimeStructure;

    RTC_TimeStructure.Hours = 1;

    RTC_TimeStructure.Minutes = 0;

    RTC_TimeStructure.Seconds = 0;

    HAL_RTC_SetAlarm_IT(&hrtc, RTC_FORMAT_BIN, &RTC_TimeStructure);



    // 配置低功耗待机模式

    PWR->CR3 &= ~PWR_CR3_APC; // 关闭APC（Auto Power Control）

    PWR->CR1 |= PWR_CR1_LPR; // 使能低功耗模式



    // 进入低功耗待机模式

    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();

}
3. 低功耗外设配置

STM32L4系列单片机提供了多种低功耗外设，如低功耗定时器（LPTIM）、低功耗USART（LPUART）和低功耗SPI（LPSPI）。这些外设可以在低功耗模式下继续工作，从而在功耗和功能之间取得平衡。

3.1 低功耗定时器（LPTIM）

LPTIM是一种低功耗定时器，可以在停止模式下继续运行。通过配置LPTIM，可以在不同的低功耗模式下实现周期性唤醒或其他定时功能。

代码示例：


// 配置LPTIM

void configureLPTIM(void) {

    LPTIM_HandleTypeDef hlptim1;



    // 基本配置

    hlptim1.Instance = LPTIM1;

    hlptim1.Init.Prescaler = LPTIM_PRESCALER_1;

    hlptim1.Init.CounterSource = LPTIM_COUNTERSOURCE_INTERNAL;

    hlptim1.Init.TriggerSource = LPTIM_TRIGSOURCE_NONE;

    hlptim1.Init.UpdateMode = LPTIM_UPDATE_MODE_IMMEDIATE;

    hlptim1.Init.AutoReloadWriteMode = LPTIM_AUTORELOAD_WRITE_MODE_SINGLE;

    hlptim1.Init.Input1Source = LPTIM_INPUT1_SRC_GPIO;

    hlptim1.Init.Input2Source = LPTIM_INPUT2_SRC_GPIO;

    hlptim1.Init.RepetitionCounter = 0;

    HAL_LPTIM_Init(&hlptim1);



    // 配置周期性中断

    hlptim1.Init.Period = 1000; // 1秒周期

    HAL_LPTIM_ConfigTimeOut(&hlptim1, &hlptim1.Init, LPTIM_STATE_STOP, LPTIM_STATE_START);

}



// 进入停止模式并配置LPTIM唤醒

void enterStopModeWithLPTIM(void) {

    configureLPTIM();

    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);

}
3.2 低功耗USART（LPUART）

LPUART是一种低功耗串行通信接口，可以在停止模式下继续接收数据。通过配置LPUART，可以在低功耗模式下实现串行通信。

代码示例：


// 配置LPUART

void configureLPUART(void) {

    LPUART_HandleTypeDef hlpuart1;



    // 基本配置

    hlpuart1.Instance = LPUART1;

    hlpuart1.Init.BaudRate = 9600;

    hlpuart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;

    hlpuart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;

    hlpuart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;

    hlpuart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

    hlpuart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;

    hlpuart1.Init.OneBitSampling = UART_ONE_BIT_SAMPLE_DISABLE;

    hlpuart1.Init.ClockPrescaler = UART_PRESCALER_1;

    hlpuart1.Init.AdvancedInit.HighSpeedConfig = UART_HIGH_SPEED_DISABLE;

    hlpuart1.Init.AdvancedInit.HighSpeedValue = UART_HIGH_SPEED_VALUE_0;

    hlpuart1.Init.AdvancedInit.IdleStateDetect = UART_IDLE_STATE_DETECT_DISABLE;

    hlpuart1.Init.AdvancedInit.RxPinActiveLevel = UART_RX_PIN_ACTIVE_LEVEL_HIGH;

    hlpuart1.Init.AdvancedInit.TxPinActiveLevel = UART_TX_PIN_ACTIVE_LEVEL_HIGH;

    hlpuart1.Init.AdvancedInit.AdvancedFeaturesInit = UART_ADVFEATURES_NO_INIT;

    HAL_LPUART_Init(&hlpuart1);



    // 配置中断

    HAL_NVIC_SetPriority(LPUART1_IRQn, 0, 1);

    HAL_NVIC_EnableIRQ(LPUART1_IRQn);

}



// LPUART中断处理函数

void LPUART1_IRQHandler(void) {

    HAL_LPUART_IRQHandler(&hlpuart1);

}



// LPUART接收完成回调函数

void HAL_LPUART_RxCpltCallback(LPUART_HandleTypeDef *hlpuart) {

    // 处理接收到的数据

    uint8_t receivedData;

    HAL_LPUART_Receive(hlpuart, &receivedData, 1, HAL_MAX_DELAY);

    // 执行相应的操作

}



// 进入停止模式并配置LPUART唤醒

void enterStopModeWithLPUART(void) {

    configureLPUART();

    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);

}
3.3 低功耗SPI（LPSPI）

LPSPI是一种低功耗SPI接口，可以在停止模式下继续通信。通过配置LPSPI，可以在低功耗模式下实现SPI通信。

代码示例：


// 配置LPSPI

void configureLPSPI(void) {

    LPSPI_HandleTypeDef hlpspi1;



    // 基本配置

    hlpspi1.Instance = LPSPI1;

    hlpspi1.Init.Mode = LPSPI_MODE_MASTER;

    hlpspi1.Init.BaudRatePrescaler = LPSPI_BAUDRATEPRESCALER_2;

    hlpspi1.Init.DataSize = LPSPI_DATASIZE_8BIT;

    hlpspi1.Init.FirstBit = LPSPI_FIRSTBIT_MSB;

    hlpspi1.Init.NSS = LPSPI_NSS_SOFT;

    hlpspi1.Init.TIMode = LPSPI_TIMODE_DISABLE;

    hlpspi1.Init.CRCCalculation = LPSPI_CRCCALCULATION_DISABLE;

    hlpspi1.Init.CRCPolynomial = 10;

    hlpspi1.Init.Image = LPSPI_IMAGE_DISABLE;

    hlpspi1.Init.ImageSize = LPSPI_IMAGE_SIZE_0;

    hlpspi1.Init.ImagePolarity = LPSPI_IMAGE_POLARITY_HIGH;

    hlpspi1.Init.ImagePrescaler = LPSPI_IMAGE_PRESCALER_1;

    hlpspi1.Init.ImageMode = LPSPI_IMAGE_MODE_MASTER;

    hlpspi1.Init.AdvancedInit.CRCCalculation = LPSPI_CRCCALCULATION_DISABLE;

    hlpspi1.Init.AdvancedInit.CRCPolynomial = 10;

    hlpspi1.Init.AdvancedInit.AdvancedFeaturesInit = LPSPI_ADVFEATURES_NO_INIT;

    HAL_LPSPI_Init(&hlpspi1);



    // 配置中断

    HAL_NVIC_SetPriority(LPSPI1_IRQn, 0, 1);

    HAL_NVIC_EnableIRQ(LPSPI1_IRQn);

}



// LPSPI中断处理函数

void LPSPI1_IRQHandler(void) {

    HAL_LPSPI_IRQHandler(&hlpspi1);

}



// LPSPI传输完成回调函数

void HAL_LPSPI_TxCpltCallback(LPSPI_HandleTypeDef *hlpspi) {

    // 处理传输完成后的操作

    uint8_t sendData = 0x55;

    HAL_LPSPI_Transmit(hlpspi, &sendData, 1, HAL_MAX_DELAY);

}



// 进入停止模式并配置LPSPI唤醒

void enterStopModeWithLPSPI(void) {

    configureLPSPI();

    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);

}
4. 低功耗编程技巧

在STM32L4系列单片机中，通过一些编程技巧可以进一步降低功耗。这些技巧包括优化代码执行、合理配置GPIO、使用DMA传输数据等。

4.1 优化代码执行

优化代码执行可以减少CPU的运行时间，从而降低功耗。通过使用高效的算法和减少不必要的循环，可以显著提高能效。

代码示例：


// 使用高效的算法减少CPU运行时间

void efficientAlgorithm(void) {

    uint32_t sum = 0;

    uint32_t data[1000] = {0}; // 假设data数组已经初始化



    // 使用向量化指令加速求和

    for (int i = 0; i < 1000; i += 4) {

        sum += data[i] + data[i + 1] + data[i + 2] + data[i + 3];

    }



    // 处理求和结果

    // ...

}
4.2 合理配置GPIO

合理配置GPIO可以减少不必要的电流消耗。通过设置GPIO为高阻态或输入模式，可以减少漏电流。

代码示例：


// 合理配置GPIO

void configureGPIO(void) {

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};



    // 使能GPIO时钟

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();



    // 配置PA0为输入模式

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;

    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);



    // 配置PA1为高阻态

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;

    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

}
4.3 使用DMA传输数据

使用DMA（Direct Memory Access）传输数据可以减少CPU的干预，从而降低功耗。通过配置DMA，可以在CPU休眠时继续传输数据。

代码示例：


// 配置DMA传输数据

void configureDMA(void) {

    DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_tx;



    // 使能DMA时钟

    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();



    // 配置DMA通道

    hdma_spi1_tx.Instance = DMA1_Channel2;

    hdma_spi1_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;

    hdma_spi1_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;

    hdma_spi1_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;

    hdma_spi1_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;

    hdma_spi1_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;

    hdma_spi1_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;

    hdma_spi1_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;

    HAL_DMA_Init(&hdma_spi1_tx);



    // 配置SPI使用DMA传输

    __HAL_LINKDMA(&hspi1, hdmatx, hdma_spi1_tx);

}



// 使用DMA传输数据

void useDMA(void) {

    uint8_t sendData[100] = {0}; // 假设数据已经初始化

    HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, sendData, 100); // 使用DMA传输数据

}
5. 低功耗调试和测试

在开发低功耗应用时，调试和测试是非常重要的环节。通过使用STMicroelectronics提供的调试工具和方法，可以确保应用在低功耗模式下正常运行。

5.1 使用STM32CubeIDE调试

STM32CubeIDE提供了强大的调试功能，可以方便地测试低功耗模式下的应用。通过设置断点和监视变量，可以详细分析功耗特性。

步骤：

  1. 打开STM32CubeIDE，创建或打开一个STM32项目。

  2. 在项目中设置断点，以便在进入低功耗模式时暂停。

  3. 使用调试器连接目标板，开始调试。

  4. 监视变量和寄存器，确保低功耗模式下的配置正确。

5.2 使用功耗测量工具

使用功耗测量工具，如万用表或电流探头，可以准确测量STM32L4系列单片机在不同模式下的功耗。通过对比不同配置下的功耗，可以优化应用的能效。

步骤：

  1. 将STM32L4系列单片机连接到功耗测量工具。

  2. 编写测试代码，进入不同的低功耗模式。

  3. 记录每个模式下的功耗数据。

  4. 分析功耗数据，

作者：kkchenkx

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