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分享一个低功耗项目小小心得

同煮山川
工程师
2019-07-07 23:31:04     打赏

前两个月在公司做了一个低功耗项目，现在功耗最低10uA不到，平均功耗40uA左右，算是达标了。因为是公司产品，就不方便贴代码、原理图了，该产品是一个小模块，可以方便的嵌入到各种系统里面。跟原子哥他们卖的NRF2401类似，是一个读卡器。
      做这个项目中间也请了技术支持，因为外围电路芯片的功耗一直降不下来，经过与对方的反复交流，对方提供了低功耗的测试结果、硬件方案、软件方案，经过修改测试，最终成为我们的产品，功耗比较满意。
      硬件方案选择的是STM32，外加某公司的读卡芯片。前期完成了读卡等功能的开发，最后一项开发内容是最艰巨也是最困难的---低功耗。在开发过程中，从硬件设计上不断裁剪元器件，软件上不断精简代码，功耗最低都保持在3-4mA。

      电路设计上，只用到了一个LED、串口1、一个模拟SPI、一个中断线、一个读卡芯片RESET线，硬件上就只剩下这么点东西了，这个时候我采用的是待机模式，使用的是读卡芯片的中断接PA0唤醒STM32，在此之前要先使得读卡芯片进入低功耗、然后STM32进入低功耗，这一步完成了，貌似没什么问题，功耗确实从几十mA骤降到3mA左右，开始还挺满意的，但是测试厂商提供的样板，功耗却只有几十uA，有点郁闷了。为什么会这样？反复查看硬件、程序，都找不出原因，而且这个时候的工作效果很烂，根本就不能唤醒，所以我就怀疑是读卡芯片一端低功耗有问题，因为我将PA0脚直接短接VCC，这样就可以产生一个边沿触发STM32唤醒了，但是用读卡芯片无法唤醒，所以我怀疑是读卡芯片的RESET脚电平不对，经检查，确实是因为RESET脚加了上拉电阻，读卡芯片是高电平复位，在STM32进入待机后，管脚全都浮空了，导致RESET被拉高，一直在复位；我去掉上拉电阻，觉得很有希望解决问题了，但是测试结果是：有时候能唤醒，有时候不能，我仔细一想难道是因为STM32待机后管脚电平不确定，导致读卡芯片RESET脚电平不定，而工作不正常，看样子只有换用其他方案了。后面确实验证了我的想法，使用STOP模式后，唤醒问题引刃而解。
     就在关键时刻，芯片原厂火种送炭，送来急需的技术支持资料，一个包含低功耗源代码，赶紧拿过来测试，先研读下代码，使用的是STOP模式，而不是待机模式，使用的是任意外部中断唤醒，功耗低制40uA，这个时候就相当激动啊，赶快下载测试啊，结果功耗确实降了，但还是有1mA，更人家一比多了几十倍啊。。。
    我第一反应是硬件不对，经过测试修改，首先找到第一个原因，读卡芯片RESET管脚上拉电阻又给焊上去了...，拆掉后功耗骤降到几百uA，还是不行。。 测试过程中，为了去掉LDO的干扰，整板采用3.3V供电，但是后面经过测试，LDO的功耗其实也只有5uA不到，这LDO功耗值得赞一个；虽然结果还是没达到预期，但是看到了希望，胜利就在眼前啊。

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同煮山川
工程师
2019-07-07 23:31:42     打赏
2楼

为此我反复看了技术支持提供的程序，发现他们的STM32的所有管脚都的设置都有所考究：(因为公司保密原则，代码中删除掉了关于该读卡芯片的前缀信息等)
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 

  /* GPIOA Periph clock enable */
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  /* GPIOB Periph clock enable */
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
  /* GPIOC Periph clock enable */
  //RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); 

  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE); 

  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
  //####################################################
  //USART1 Port Set
  //TXD 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
  //RXD
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOAtiNG;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

  //RST output pushpull mode
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TRST;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_Init(PORT1, &GPIO_InitStructure);
  //IRQ input pull-up mode
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TIRQ;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
  GPIO_Init(PORT1, &GPIO_InitStructure);
  //MISO input pull-up mode
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MISO;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
  GPIO_Init(PORT2, &GPIO_InitStructure);  
  //NSS,SCK,MOSI output pushpull mode
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = (NSS|SCK|MOSI);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_Init(PORT2, &GPIO_InitStructure);
  //############################################################################
  //TEST Port set
  //TESTO input pushpull mode
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TESTO;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
  GPIO_Init(TEST_PORT, &GPIO_InitStructure);
  //############################################################################
  //TEST Port set
  //TESTI output pushpull mode
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TESTI;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_Init(TEST_PORT, &GPIO_InitStructure);
  //############################################################################
  //LED Port Set
  //LED output pushpull mode
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStructure);

  //############################################################
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = (GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_15);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = (GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = (GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;
  GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
首先，想MOSI、SCK、CS、LED、RST这些管脚应该设置为推挽输出，TXD设置为复用输出，而IRQ、RXD、MISO设置浮空输入，什么都没接的管脚全都设置为下拉输入，而TESTI、TESO我一直不解是什么东东，开始就没管，而开始的时候MISO我也没怎么注意，设置成上拉输入(而不是浮空输入)，反正大部分按照厂家提供的参考，我并没有照搬，测试效果一样，但功耗确是还有80-90uA，期间我找了好久没找到原因，给技术支持一看，原来是因为MISO没有设置成浮空输入，我是设置成了上拉输入，上拉电阻一直在消耗大约40uA的电流。。。 好吧，这是自己不够细心导致的，以后做低功耗的项目管脚配置是个大问题，不能再这么马虎了！！！ 我将MISO设置成浮空输入之后，最低功耗还是有40+，离10uA的最低功耗还有段距离，到底是为什么呢？最后我发现
，该读卡芯片有个TESTIN/TESTOUT管脚，是用来测试用的，出厂后也就用不上了，我也一直以为这两个脚确实没什么用，就没接；可是我发现厂家提供的样板居然接了这两个脚，但是厂商也没说这两个脚接或不接会影响功耗啊，抱着试一试的心态，我我把TESTIN/TESTOUT两个管脚接到单片机上进行相应的配置，接下来是见证奇迹的时刻了，功耗居然真的、真的降到10uA了。。。。。。。。。。。 此处省略n个字
     这时候真的很激动，真的很想骂人啊，坑爹的厂家，为什么不给提示说这两个脚不接单片机会消耗电流呢？(也许是文档里面提到了，但是几百页的文档，还是全英文的，一堆堆的文字，我再看一遍，确实没有提到这两个管脚会有漏电流。)
    项目就这样完工了，中间最重要的是技术支持的强力支持，不然项目不能完工了，这个项目低功耗STM32方面难度不高，主要是读卡芯片上面的低功耗调试起来问题很多，还是人家原厂的出马才解决了问题，因为众多原因，不能公布该芯片的资料，包括该芯片怎么进入低功耗也无法公开，所以抱歉~~。
    关于STM32进入低功耗，我简单的总结了一下：
1.管脚设置，这个很关键，还是跟你电路有关系，外加上拉、下拉电阻切记不能随便加
2.STM32的systick clock、DMA、TIM什么的，能关就全都关掉，STM32低功耗很简单，关键是外围电路功耗是关键
3.选择一个低功耗的LDO，这个项目用到的LDO功耗就很不错，静态功耗10uA都不到。
4.确定STM32设置没问题，进入低功耗有好几种情况可以选择(睡眠、停机、待机)，我还是推荐选择STOP模式，这个我觉的比较好是因为可以任意外部中断都可以唤醒，而且管脚可以保留之前的设置，进入停机模式的代码使用库函数自带的，就一句：
PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);
意思是，在进入停机模式之前，也关掉电压调节器，进一步降低功耗，使用WFI指令(任意中断唤醒)，但是经过测试，使用WFE(任事件唤醒)指令效果、功耗一模一样。
最后一步是从STOP模式怎么恢复了，恢复其实也很简单，外部中断来了会进入中断函数，然后STM32就被唤醒，唤醒还要做一些工作，需要开启外部晶振(当然你也可以选择使用内部自带振荡器)、开启你需要的外设等等。


评论
无厘头
工程师
2019-07-07 23:40:13     打赏
3楼

不错的文章


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清歌孤我
工程师
2019-07-07 23:42:21     打赏
4楼

不知道楼主在这方面遇到哪些问题


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从小就是电子迷
工程师
2019-07-13 22:51:31     打赏
5楼

请问楼主是用神马设备来测量此微小电流信号的？


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船长demons
高工
2019-07-15 08:45:45     打赏
6楼

学习了


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明月风
工程师
2019-07-23 22:51:39     打赏
7楼

“LDO的功耗其实也只有5uA不到，这LDO功耗值得赞一个；”-- 这个LDO啥型号？  好用，我也试试


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大华K
工程师
2019-09-18 19:35:00     打赏
8楼

楼主的经验很重要 学习学习


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未来的我
工程师
2019-09-21 16:04:33     打赏
9楼

不错 值得学习


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