【紅楓派開發(fā)板】第六講 PMU-低功耗實驗
6.1 實驗內容
通過本實驗主要學習以下內容：
? PMU原理；
? 低功耗的進入以及退出操作；
6.2 實驗原理
6.2.1 PMU結構原理
PMU即電源管理單元，其內部結構下圖所示，由該圖可知，GD32F303系列MCU具有三個電源域，包括VDD/VDDA電源域、1.2V電源域以及電池備份域，其中，VDD /VDDA域由電源直接供電。在VDD/VDDA域中嵌入了一個LDO，用來為1.2V域供電。在備份域中有一個電源切換器，當VDD/VDDA電源關閉時，電源切換器可以將備份域的電源切換到VBAT引腳，此時備份域由VBAT引腳（電池）供電。
- VDD/VDDA電源域
VDD 域為數字電源域包括 HXTAL（高速外部晶體振蕩器）、 LDO（電壓調節(jié)器）、 POR / PDR（上電/掉電復位）、 FWDGT（獨立看門狗定時器）和除 PC13、PC14 和 PC15 之外的所有 PAD 等等。另外，上圖中與PMU控制器連接的PA0、NRST、FWDGT以及RTC表示待機模式下的喚醒源。VDDA域為模擬電源域包括 ADC / DAC（AD / DA 轉換器）、 IRC8M（內部 8M RC 振蕩器）、 IRC48M（內部 48M RC 振蕩器）、 IRC40K（內部 40KHz RC振蕩器） PLLs（鎖相環(huán)）和 LVD（低電壓檢測器）等等。
POR / PDR（上電/掉電復位） 電路檢測VDD / VDDA并在電壓低于特定閾值時產生電源復位信號復位除備份域之外的整個芯片。 下圖顯示了供電電壓和電源復位信號之間的關系。 VPOR 表示上電復位的閾值電壓，典型值約為 2.40V， VPDR 表示掉電復位的閾值電壓，典型值約為1.8V。遲滯電壓Vhyst值約為600mV。
? 注意：當電源電壓高于VPOR后，MCU內部會延遲2ms后再拉高NRST，MCU才會正式啟動，此時可確保MCU啟動時刻VDD電壓已高于VPOR。
GD32F303系列MCU具有LVD低電壓檢測功能，如下圖所示，LVD 的功能是檢測 VDD / VDDA 供電電壓是否低于低電壓檢測閾值，該閾值由電源控制寄存器（PMU_CTL） 中的 LVDT[2:0]位進行配置。 LVD 通過 LVDEN 置位使能，位于電源狀態(tài)寄存器（PMU_CS） 中的 LVDF 位表示低電壓事件是否出現，該事件連接至 EXTI 的第 16 線，用戶可以通過配置 EXTI 的第16 線產生相應的中斷。 LVD 中斷信號依賴于 EXTI 第 16 線的上升或下降沿配置。遲滯電壓 Vhyst值為 100mV。
? 注意：LVD一般可用于欠壓異常處理或者用于掉電檢測。
- 1.2V電源域
1.2V 電源域為 Cortex?-M4 內核邏輯、 AHB / APB 外設、備份域和 VDD / VDDA域的 APB 接口等供電。若系統(tǒng)系統(tǒng)工作在高頻狀態(tài)建議使能高驅模式。
- 電池備份域
電池備份域由內部電源切換器來選擇VDD供電或VBAT（電池）供電，然后由VBAK為備份域供電，該備份域包含RTC（實時時鐘）、 LXTAL（低速外部晶體振蕩器）、 BPOR（備份域上電復位）、BREG（備份寄存器），以及PC13至PC15共3個BKPPAD。為了確保備份域中寄存器的內容及RTC正常工作，當VDD關閉時， VBAT引腳可以連接至電池或其他等備份源供電。電源切換器是由VDD / VDDA域掉電復位電路控制的。對于沒有外部電池的應用，建議將VBAT引腳通過100nF的外部陶瓷去耦電容連接到VDD引腳上。
? 注意： 由于PC13至PC15引腳是通過電源切換器供電的，電源切換器僅可通過小電流，因此當PC13至PC15的GPIO口在輸出模式時，其工作的速度不能超過2MHz（最大負載為30Pf）。
電池備份域中具有84字節(jié)備份數據寄存器，該備份數據寄存器可用于存儲用戶數據，且在掉電復位以及系統(tǒng)復位情況下數據不丟失，僅在發(fā)生侵入事件時數據會被擦除。
若讀者有在VDD掉電情況下RTC繼續(xù)工作的應用需求，需要VBAT引腳外接電池并使用LXTAL外部低頻晶振，這樣在VDD掉電的情況下，VBAT供電將會由VDD切換到VBAT，LXTAL和RTC均可正常工作，后續(xù)VDD上電后同步RTC寄存器即可獲取正確的RTC時間。
6.2.2 低功耗模式
GD32F303系列MCU具有三種低功耗模式，分別為睡眠模式、深度睡眠模式和待機模式。
睡眠模式與 Cortex?-M4 的 SLEEPING 模式相對應。在睡眠模式下，僅關閉 Cortex?-M4的時鐘，如需進入睡眠模式，只要清除 Cortex?-M4 系統(tǒng)控制寄存器中的 SLEEPDEEP 位，并執(zhí)行一條 WFI 或 WFE 指令即可。
深度睡眠模式與 Cortex?-M4 的 SLEEPDEEP 模式相對應，在深度睡眠模式下， 1.2V 域中的所有時鐘全部關閉， IRC8M、 HXTAL 及 PLLs 也全部被禁用，SRAM 和寄存器中的內容被保留，根據 PMU_CTL 寄存器的 LDOLP 位的配置，可控制 LDO 工作在正常模式或低功耗模式。進入深度睡眠模式之前，先將 Cortex?-M4 系統(tǒng)控制寄存器的 SLEEPDEEP 位置 1，再清除PMU_CTL 寄存器的 STBMOD 位，然后執(zhí)行WFI 或 WFE 指令即可進入深度睡眠模式。
待機模式是基于 Cortex?-M4 的 SLEEPDEEP 模式實現的。在待機模式下，整個 1.2V 域全部停止供電，同時 LDO 和包括 IRC8M、 HXTAL 和 PLL 也會被關閉。進入待機模式前，先將Cortex?-M4 系統(tǒng)控制寄存器的 SLEEPDEEP 位置 1，再將 PMU_CTL 寄存器的 STBMOD位置 1，再清除 PMU_CS 寄存器的 WUF位，然后執(zhí)行WFI 或 WFE 指令，系統(tǒng)進入待機模式。
低功耗模式相關數據可參考下表，不同的低功耗模式是通過關閉不同時鐘以及電源來實現的，關閉的時鐘和電源越多，MCU所進入的睡眠模式將會越深，功耗也會越低，帶來的喚醒時間也會越長，其喚醒源也會越少。睡眠模式是最淺的低功耗模式，僅關閉了CPU，代碼不再運行，所有的中斷或事件均可喚醒，喚醒時間也最快；深度睡眠模式時中間的低功耗模式，關閉了1.2V電源域時鐘以及IRC8M/HXTAL/PLL，僅可通過EXTI中斷或事件喚醒，喚醒后需要重新配置系統(tǒng)時鐘；待機模式是功耗最低的低功耗模式，關閉了1.2V電源域電源以及IRC8M/HXTAL/PLL，僅可通過NRST/看門狗/RTC鬧鐘/WKUP引腳喚醒，喚醒后MCU將會復位重啟。
各種睡眠模式下的功耗可以參考數據手冊描述，睡眠模式下相較于同主頻模式下的運行模式功耗減少約50%，深度睡眠和待機模式功耗更低，如下表所示，深度睡眠模式下功耗常溫典型值為133ua-189ua，待機模式下功耗常溫典型值為5uA。
? 注意：由于深度睡眠模式具有較低的功耗，喚醒后繼續(xù)從斷點處執(zhí)行，因而具有更廣泛的應用場景，但需注意若需達到較一致的MCU深度睡眠功耗，需要將系統(tǒng)中未使用的MCU引腳均配置為模擬輸入狀態(tài)，包括芯片內部未引出的pad。
Note:左側是常溫下的典型數值，中間為85度下的典型數值，右側為常溫下的最大數值。
6.3 硬件設計
本例程stanby的喚醒使用到了PA0喚醒引腳，其電路如下所示。
6.4 代碼解析
本例程實現deepsleep以及standby的進入以及喚醒測試，首先我們來看下主函數，如下所示。該主函數首先配置了系統(tǒng)主時鐘、延遲、打印和LED函數，并打印Example of Low Power Test Demo。之后查詢是否進入過Standby模式，如果進入過Standby模式，表示當前狀態(tài)為standby喚醒后的復位，則打印A reset event from Standby mode has occurred，并翻轉LED0，因而驗證standby喚醒的時候，其現象可觀察到LED0的翻轉。之后使能wakeup引腳的喚醒以及按鍵的初始化，此時將KEY0配置為中斷模式。在while（1）中，查詢KEY1是否按下，如果按下則打印Entering Standby Mode.并進入standby模式，如果key2按下，則打印Enter Deepsleep mode.并進入Deepsleep模式，從deepsleep模式喚醒后需要重新配置時鐘，打印Exit Deepsleep mode.并翻轉LED1。Standby的喚醒使用PA0 wakeup引腳，deepsleep的喚醒可使用任何EXTI中斷，本實例中使用PE2的KEY0按鍵中斷喚醒。
C
int main(void)
{
rcu_periph_clock_enable(RCU_PMU);
rcu_system_clk_config_120M();
driver_init();
bsp_uart_init(&BOARD_UART); ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????/* 板載UART初始化 */
printf("Example of Low Power Test Demo.\r\n");
delay_ms(2000);
bsp_led_group_init();
if(pmu_flag_get(PMU_FLAG_RESET_STANDBY)==SET)
{
printf("A reset event from Standby mode has occurred.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED0);
pmu_flag_clear(PMU_FLAG_RESET_STANDBY);
}
rcu_all_reset_flag_clear();
pmu_wakeup_pin_enable();
KEY0.key_gpio->gpio_mode = INT_HIGH;
KEY0.key_gpio->int_callback = key0_IRQ_callback;
bsp_key_group_init();
nvic_irq_enable(EXTI2_IRQn,0,0);
while (1)
{
if(bsp_key_state_get(&KEY1)!=RESET)
{
printf("Entering Standby Mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED0);
pmu_to_standbymode(WFI_CMD);
}
if(bsp_key_state_get(&KEY2)!=RESET)
{
printf("Enter Deepsleep mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED1);
config_allgpio_into_analog();
bsp_key_group_init();
pmu_to_deepsleepmode(PMU_LDO_NORMAL, PMU_LOWDRIVER_DISABLE, WFI_CMD);
bsp_led_group_init();
bsp_uart_init(&BOARD_UART); ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????/* 板載UART初始化 */
printf("Exit Deepsleep mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED1);
}
}
}
需要注意，進入deepsleep之前需要將不用的GPIO全部配置為模擬輸入的模式，為了得到更為一致且較低的功耗，其配置函數如下。
在配置所有IO為模擬輸入之后，如果有需要保持GPIO狀態(tài)的引腳，需要配置后再進入deepsleep，如例程中的按鍵引腳，因為需要按鍵喚醒deep sleep。
C
void config_allgpio_into_analog(void)
{
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOA );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOB );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOC );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOD );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOE );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOF );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOG );
rcu_periph_clock_enable( RCU_AF );
GPIO_CTL0( GPIOA ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOA ) &= 0xFFF00000 ;
GPIO_CTL0( GPIOB ) &= 0x000FF000 ;
GPIO_CTL1( GPIOB ) = 0x0 ;
GPIO_CTL0( GPIOC ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOC ) = 0x0 ;
GPIO_CTL0( GPIOD ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOD ) = 0x0 ;
GPIO_CTL0( GPIOE ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOE ) = 0x0;
GPIO_CTL0( GPIOF ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOF ) = 0x0;
GPIO_CTL0( GPIOG ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOG ) = 0x0 ;
RCU_AHBEN = 0;
RCU_APB2EN = 0;
RCU_APB1EN = 0;
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOA );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOB );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOC );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOD );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOE );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOF );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOG );
rcu_periph_clock_disable( RCU_AF );
}
6.5 實驗結果
將本實驗歷程燒錄到紅楓派實驗板中，按下KEY1按鍵將進入standby模式，并打印Entering Standby Mode.，然后按下wakeup按鍵，將從stanby模式喚醒，打印A reset event from Standby mode has occurred.并翻轉LED0，之后按下KEY2按鍵將打印Enter Deepsleep mode.進入deepsleep模式，然后按下KEY0按鍵將從deepsleep模式下喚醒，喚醒后重新配置時鐘，打印Exit Deepsleep mode.并將LED1翻轉。
具體現象如下所示。
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