【GD32F303紅楓派開發(fā)板使用手冊】第六講 PMU-低功耗實驗講

6.1實驗內(nèi)容

通過本實驗主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：

• PMU原理；
• 低功耗的進(jìn)入以及退出操作；

6.2實驗原理

6.2.1PMU結(jié)構(gòu)原理

PMU即電源管理單元，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dāng)VDD/VDDA電源關(guān)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。

1. VDD/VDDA電源域

VDD 域為數(shù)字電源域包括HXTAL（高速外部晶體振蕩器）、LDO（電壓調(diào)節(jié)器）、POR / PDR（上電/掉電復(fù)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(zhuǎn)換器）、IRC8M（內(nèi)部8M RC振蕩器）、IRC48M（內(nèi)部48M RC振蕩器）、IRC40K（內(nèi)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(fù)位） 電路檢測VDD / VDDA并在電壓低于特定閾值時產(chǎn)生電源復(fù)位信號復(fù)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(fù)位信號之間的關(guān)系。VPOR表示上電復(fù)位的閾值電壓，典型值約為2.40V，VPDR表示掉電復(fù)位的閾值電壓，典型值約為1.8V。遲滯電壓Vhyst值約為600mV。

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(jìn)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(xiàn)，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(chǎn)生相應(yīng)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。

1. 1.2V電源域

1.2V 電源域為Cortex?-M4內(nèi)核邏輯、AHB / APB外設(shè)、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(qū)模式。

1. 電池備份域

電池備份域由內(nèi)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(fù)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(nèi)容及RTC正常工作，當(dāng)VDD關(guān)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(fù)位電路控制的。對于沒有外部電池的應(yīng)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。

電池備份域中具有84字節(jié)備份數(shù)據(jù)寄存器，該備份數(shù)據(jù)寄存器可用于存儲用戶數(shù)據(jù)，且在掉電復(fù)位以及系統(tǒng)復(fù)位情況下數(shù)據(jù)不丟失，僅在發(fā)生侵入事件時數(shù)據(jù)會被擦除。

若讀者有在VDD掉電情況下RTC繼續(xù)工作的應(yīng)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(yīng)。在睡眠模式下，僅關(guān)閉Cortex?-M4的時鐘，如需進(jìn)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(yīng)，在深度睡眠模式下，1.2V域中的所有時鐘全部關(guān)閉，IRC8M、HXTAL及PLLs也全部被禁用，SRAM和寄存器中的內(nèi)容被保留，根據(jù)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(jìn)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(jìn)入深度睡眠模式。

待機模式是基于 Cortex?-M4 的SLEEPDEEP模式實現(xiàn)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(guān)閉。進(jìn)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(jìn)入待機模式。

低功耗模式相關(guān)數(shù)據(jù)可參考下表，不同的低功耗模式是通過關(guān)閉不同時鐘以及電源來實現(xiàn)的，關(guān)閉的時鐘和電源越多，MCU所進(jìn)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(guān)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(guān)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(guān)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(fù)位重啟。

各種睡眠模式下的功耗可以參考數(shù)據(jù)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。

Note:左側(cè)是常溫下的典型數(shù)值，中間為85度下的典型數(shù)值，右側(cè)為常溫下的最大數(shù)值。

6.3硬件設(shè)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(xiàn)deepsleep以及standby的進(jìn)入以及喚醒測試，首先我們來看下主函數(shù)，如下所示。該主函數(shù)首先配置了系統(tǒng)主時鐘、延遲、打印和LED函數(shù)，并打印Example of Low Power Test Demo。之后查詢是否進(jìn)入過Standby模式，如果進(jìn)入過Standby模式，表示當(dāng)前狀態(tài)為standby喚醒后的復(fù)位，則打印A reset event from Standby mode has occurred，并翻轉(zhuǎn)LED0，因而驗證standby喚醒的時候，其現(xiàn)象可觀察到LED0的翻轉(zhuǎn)。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(jìn)入standby模式，如果key2按下，則打印Enter Deepsleep mode.并進(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)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(shù)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(jìn)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(jié)果

將本實驗歷程燒錄到紅楓派實驗板中，按下KEY1按鍵將進(jìn)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(zhuǎn)LED0，之后按下KEY2按鍵將打印Enter Deepsleep mode.進(jìn)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(zhuǎn)。

具體現(xiàn)象如下所示。

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