單片機(jī)低功耗設(shè)計案例分析

經(jīng)過了多年的低功耗硬件設(shè)計(公司硬件設(shè)計和軟件設(shè)計是分開的，我一直是做硬件，在面對低功耗生產(chǎn)事故中做硬件的往往很苦逼)，其中容易出的一個問題是單片機(jī)進(jìn)睡眠模式前IO沒配好，產(chǎn)品上主要出的問題是這些出問題的IO比較隱蔽，當(dāng)時經(jīng)過多次測試也沒測試出來，后來在生產(chǎn)或現(xiàn)場才發(fā)現(xiàn)的概率性功耗偏大的問題。

站在硬件的角度，最近才意識到原來軟件上一直容易犯的一個毛病是進(jìn)睡眠前沒有把所有IO重新配置一遍，這樣容易導(dǎo)致IO低功耗的BUG出現(xiàn)。

這個心得總結(jié)起來是：要求在進(jìn)睡眠模式前把所用的單片機(jī)的所有的IO從代碼上1個IO接1個IO的配置一遍。不要偷懶，不要多個IO一起配置。

分析：

外設(shè)時鐘

外設(shè)的時鐘沒關(guān)，單片機(jī)內(nèi)部模塊沒關(guān)等，部分單片機(jī)進(jìn)睡眠后自動會關(guān)閉，部分不會自動關(guān)閉的，沒關(guān)的話當(dāng)場測試功耗就偏高，會馬上發(fā)現(xiàn)的。所以這些在實(shí)際生產(chǎn)中都沒出過問題。

IO配置

1個IO接1個IO配置，不要多個IO用類似BIT1|BIT2……，|=0xxx這類一起配置。因?yàn)榇a上越是直觀，出現(xiàn)筆誤的概率越低。而且我們核對IO的時候都是一個IO一個IO的去核對配置對不對。所以代碼上依次寫一下其實(shí)花了不了多少時間和代碼空間的?；▊€5到30分鐘撐死，但是后續(xù)節(jié)省的時間和金錢就不好說了。人的總是有惰性的，我自己寫代碼的時候之前進(jìn)低功耗前也只是配置了一部分，現(xiàn)在慢慢開始習(xí)慣全部配置，很多配置可以復(fù)制之前的IO初始化(這個已經(jīng)養(yǎng)成了1個IO，1個IO的配置，改起來其實(shí)很舒服的)。

案例分析

實(shí)際出現(xiàn)的最麻煩，最隱蔽的情況往往跟IO的配置有關(guān)，越簡單的往往越容易出問題。

1、比如大多數(shù)情況下程序從A子程序進(jìn)入睡眠后IO配置沒問題，經(jīng)過大量測試也沒發(fā)現(xiàn)問題。但是當(dāng)某次執(zhí)行了B后再進(jìn)睡眠，B中對IO進(jìn)行了操作，再進(jìn)睡眠沒有把IO改回來，這時問題就可能出現(xiàn)了。而要是執(zhí)行C,D……等程序再睡眠都不會出IO的隱患。

案例：產(chǎn)品在客戶那里發(fā)現(xiàn)有50%左右放了一段時間后電池耗光。研發(fā)百思不得其姐，多次查看代碼沒發(fā)現(xiàn)問題，之前也沒出現(xiàn)死機(jī)的問題(死機(jī)后會導(dǎo)致不能進(jìn)低功耗，功耗超高)。派人去現(xiàn)場測試，進(jìn)過大量測試后發(fā)現(xiàn)一個IO部分產(chǎn)品輸出高。導(dǎo)致電流多了1mA左右。原因是客戶上電做了秒脈沖輸出，下電后產(chǎn)品就用電池供電了?？蛻粝码娗皼]有配置關(guān)閉秒脈沖輸出，程序下電后也沒有把IO配置回來，導(dǎo)致有50%的概率IO輸出高電平。

2、一個產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)了幾萬臺，一直沒發(fā)現(xiàn)問題。后來換了一家PCB廠家后，生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)功耗個別產(chǎn)品偏高個10uA左右，研發(fā)拿回來分析，發(fā)現(xiàn)換了芯片就好了。但是生產(chǎn)出現(xiàn)百分之幾的功耗不好的情況，芯片不可能出現(xiàn)這么大概率的損壞。430芯片，走正規(guī)供應(yīng)商的。再一個IO一個IO的查找，通過手摸IO最終發(fā)現(xiàn)一個連光耦輸入端的IO配置的是輸入模式。換了芯片好了是因?yàn)楹附舆^，板子變臟，電阻變小，IO有一個比較固定的偏向與GND的電壓，因而沒問題。之前沒問題可能是板子的阻值比現(xiàn)在的這家小了點(diǎn)，或當(dāng)時生產(chǎn)的時候濕度大點(diǎn)，或光耦的反向漏電流大些，也是各種可能了。軟件發(fā)現(xiàn)這個IO本來是配置沒問題的，中間不知道哪里配置過或配置別的IO時不小心連這個IO也配置了?？傊?dāng)時沒搜到這個IO的配置哪里改動了，只是在進(jìn)低功耗前重新配置了下這個IO。

3、產(chǎn)品上使用的一個外購低功耗RF模塊的IO問題。使用CC1101和430F2132。都算低功耗的芯片吧。前后找了2家開發(fā)模塊，第一家2132一個IO沒配置好，生產(chǎn)階段發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品功耗偏高。后來是因?yàn)轭I(lǐng)導(dǎo)的原因換了家做無線的廠家來做這個，還是CC1101+2132方案。照理來說之前犯過錯誤應(yīng)該吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)了吧。并且軟件人員也是老手了。結(jié)果生產(chǎn)是沒問題，發(fā)貨到客戶那里還是發(fā)現(xiàn)了個別產(chǎn)品出問題，最后還是發(fā)現(xiàn)一個IO沒配置好狀態(tài)。

4、以上心得很簡單，但是是付出多次時間+金錢得出的慘痛心得。而且這些都是軟件的問題，但是功耗問題往往第一個找個是硬件：你設(shè)計的產(chǎn)品功耗偏高，電池沒電，你查查看，哪里出問題了。做硬件的又開不到代碼，軟件人員往往開始還不承認(rèn)IO配置上有問題，尤其是之前找外面廠家開發(fā)的模塊，他們的意思是，我做軟件xx年了。開發(fā)了這么多產(chǎn)品，這么簡單的一個產(chǎn)品怎么會出問題，是你們自己的產(chǎn)品沒做好才出的問題。苦逼的硬件工程師沒辦法，只能自己想各種辦法找到出問題的那個IO。軟件人員經(jīng)過改代碼對比測試才完成，但是軟件最后還是不會說自己的代碼有問題。

5、關(guān)于IO的問題。430單片機(jī)IO設(shè)置是最弱的，大部分沒有上下拉電阻，默認(rèn)是輸入狀態(tài)，沒配置IO就容易出功耗問題，ST的相對好的多，51的IO默認(rèn)的51狀態(tài)有上拉電阻，沒用到的腳不去配置也不會出問題?？盏腎O我之前喜歡配置成輸出0狀態(tài)，最近在用STM8S看了下代碼發(fā)現(xiàn)喜歡配置成上拉輸入狀態(tài)，STM8S沒下拉電阻，STM32有，配置成下拉輸入狀態(tài)更好些，不小心碰到不會對外輸出電流。

題外話：關(guān)于單片機(jī)的低功耗模式之前沒深入了解STM32，最近才發(fā)現(xiàn)進(jìn)最低功耗的STANDBAY模式RAM中數(shù)據(jù)對丟失，這點(diǎn)不如8位機(jī)，之前用STC的51和STM8系列從不擔(dān)心ram數(shù)據(jù)丟失的問題?？碨TM32L系列進(jìn)最低功耗也有這個問題，只是可以掉電保的RAM區(qū)域分的更多，更大。

原文標(biāo)題：十年硬件老司機(jī)，結(jié)合實(shí)際案例，帶你探索單片機(jī)低功耗設(shè)計!

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審核編輯：湯梓紅