MCU低功耗设计（二）实践
来源：互联网 发布：知乎 it桔子 编辑：程序博客网 时间：2024/05/21 17:52
MCU低功耗设计（二）实践
关键词：
MCU低功耗, STM8L低功耗, 节能实践, IAR开发环境, 电流表测功耗
引言：
用电池供电的产品来说能耗是一个重大的问题，一旦电能耗尽设备将“罢工”。在《MCU低功耗设计（一）理论》中，我们介绍了节能的原理，本文用万用表和MCU电路板，真刀真枪地测试功耗值。简单，但绝对真实的测试数据，看看官方宣称低功耗与实测结果有多大差距，Let’s go!
说明：
博客的书写工具对于图片的编辑支持力度不够，喜欢本博文的读者可以从以下链接下载PDF版本的博文，那将是一个更好的排版文档。
http://download.csdn.net/detail/jiangjunjie_2005/8966291
一． 搭建测试环境
1. 硬件平台：
选用“长沙市锐米通信科技有限公司(www.rimelink.com)”的无线通信模块iWL881A（下图左），考虑只测试MCU能耗，特地将无线电射频模块去除（下图右），MCU为ST公司超低功耗STM8L151C8T6。
2. 软件平台：
开发平台选用IAR集成开发环境，它的具体型号如右图：
3. 测试工具：
超高精度测低功耗，需要电池模拟器，那玩意可是RMB二十多万一台；老外（如Contiki之父Adam Dunkels）经常接100欧姆电阻，用示波器算积分，比较繁杂；我们使用最简单的办法，串联电流表，不要小看它，测量到uA的精度是可行的。测试环境搭建如下图所示
二． 低功耗模式下功耗测试
测试MCU低功耗比较科学的办法是，采用加法原则，即，首先测试最低工作状态下功耗，然后累加外设或I/O引脚，一步一步测试使能部件的功耗值。
为更好地测试STM8L151C8的功耗，我们写了一个C语言测试软件，它把MCU的5种低功耗运行模式都包括在内。当测试对应的运行模式时，只需要修改宏定义：#define MCU_MODE MODE_xxxxxx。
读者可以从以下链接直接下载该测试代码：
http://download.csdn.net/detail/jiangjunjie_2005/8959145
以下链接下载本博文的姊妹篇：《MCU低功耗设计（一）理论》
http://download.csdn.net/detail/jiangjunjie_2005/8957767
1. Halt功耗
将测试代码宏定义设置为：
#define MCU_MODE MODE_HALT
编译并烧录到MCU中，并电流表调整到2mA量程。可以看到，HALT模式下，功耗为0.4uA。
ST公司产品手册：Halt（400 nA）
看来，有信仰的民族（西欧基本都是基督教徒）更容易说真话呀！
2. Active-Halt功耗
将测试代码宏定义设置为：#defineMCU_MODE MODE_ACTIVE_HALT，编译并烧录到MCU中，电流表仍为2mA量程。可以看到，Active-Halt模式下，功耗为1.0uA和2.2uA，为什么会有2个值呢？
如果您看过本系列的第一篇博文《MCU低功耗设计（一）理论》，那就知道，较低的功耗（1.0uA）是Halt状态，而较高的功耗（2.2uA）是唤醒状态。为什么同样是停止，Active-Halt（1.0uA）比Halt（0.4uA）功耗要高呢？答案是，前者有一个38kHz的内部RC晶振在运行，它给RTC提供时钟源，它也需要电能哦！
ST公司产品手册：Active-halt with full RTC（1.4 uA）
如果我们把1.0uA和2.2uA简单地取个平均，那将是1.6uA，和官方数据还是接近吧。当然，要更精确测量，需要拿示波器记录唤醒时间的占空比，这个工作留给更严谨的后续者来完成吧（记得给读者发博文，科技报国，需要身体力行！）。
3. LowPowerWait功耗
将测试代码宏定义设置为：
#define MCU_MODE
MODE_LOW_POWER_WAIT，
可以看到功耗为：2.7uA。
ST公司产品手册：Low power wait（3 uA）
那个0.3uA可以算测试误差否？欢迎讨论。
4. LowPowerRun功耗
将宏定义设置为：
#define MCU_MODE
MODE_LOW_POWER_RUN
该模式下功耗为：4.6uA。
ST公司产品手册：Low power run（5.9 uA）.
实测功耗比官方宣称功耗还低1.3uA。
我们一起看看该模式下MCU的工作原理。
①进入“Low power run”模式的代码序列：
l 跳转到RAM；
l 切换系统时钟到LSI或LSE；
l 关闭高速晶振、ADC和没有使用的外设；
l 屏蔽所有中断；
l 关闭FLASH和EEPROM；（添加软件延时，确保关闭成功）
l 配置低功耗电压调节器。
②退出“Low power run”模式的代码序列：
l 打开主电压调节器；
l 打开FLASH和EEPROM；
l 使能所有中断；
l 打开需要使用的外设，如有必要跳转到FLASH和EEPROM。
特别注意的是，Lowpower run模式下，MCU是从RAM（不是ROM）取指令解析执行，因为需要将该代码段定位到RAM中。在IAR环境下，将代码段定位于RAM，需要在函数前加关键字“__ramfunc”。实例函数申明如下：
__ramfunc void LPR_Ram(void)
5. Wait功耗
看过第一篇博文《MCU低功耗设计（一）理论》的读者会了解到，Wait模式下仅CPU暂停运行，这样一来晶振可以是HSI（内部高速）或LSI（内部低速）。我们先测试HIS模式下功耗，设置模式：#define MCU_MODE MODE_WAIT，设置时钟：#define IS_ENABLE_LSI 0。实测功耗为：687uA，下图右所示。
再测试LIS模式下功耗，设置模式：#define MCU_MODE MODE_WAIT，设置时钟：#define IS_ENABLE_LSI 1，实测功耗为：82uA，下图左所示。
ST公司产品手册：Wait, Low power run（5.9 uA）
为什么会有如此大的差距，这个答案肯怕得ST公司的技术人员来回答了！
6. Run功耗
当MCU以HSI（16MHz）高速运行时，它的功耗如下图左所示：5.3mA（实测时小数点后2和3位在跳动）。
ST公司产品手册：Consumption: 200 uA/MHz + 330 uA.
按上述公式计算，理论功耗应该是3.5mA，与实测值5.3mA有较大差别，很想ST公司的技术人员来解答下。
当MCU以LSI（38kHz）低速运行时，它的功耗如下图右所示：95.6uA。按官方宣称Static能耗330uA，相差也不小。
我们一起总结下上述运行模式下功耗和使能部件。
三．I/O引脚与外设功耗测试
外设需要HSI（高速外部晶振）或LSI（低速晶振）提供时钟源，因此测试外设一般工作在Wait模式下：此时CPU停止运行，将外设开启的测量功耗值减去关闭时的测量功耗值，即可得该外设的运行功耗值。
外设数目比较多，我们测试一些常用的外设功耗如下：
I/O引脚属于模拟器件，往往它的功耗更高，如在上述测试电路有一Pin5（PA4），它连接到LED上。使能与禁止该LED引脚后，测得电流为320uA。
一般而言，I/O引脚需要连接到一个确定的逻辑电平。对于所有没有连接到确定逻辑信号的I/O引脚需要改变配置，否则，外部噪声会导致功耗增加，如引脚内部的施密特触发器检测噪声的翻转而消耗能量：输入引脚配置成上拉；输出引脚配置低（或高）的逻辑电平。
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