【GD32H757Z海棠派開(kāi)發(fā)板使用手冊】第五講 PMU-低功耗實(shí)驗

5.1實(shí)驗內容

通過(guò)本實(shí)驗主要學(xué)習以下內容：

• PMU原理；
• 低功耗的進(jìn)入以及退出操作；

5.2實(shí)驗原理

5.2.1PMU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，GD32H7XX系列MCU具有三個(gè)電源域，包括VDD/VDDA電源域、0.9V電源域以及電池備份域，其中，VDD /VDDA域由電源直接供電。0.9V由內部LDO或者外部Vcore供電。在備份域中有一個(gè)電源切換器，當VDD/VDDA電源關(guān)閉時(shí)，電源切換器可以將備份域的電源切換到VBAT引腳，此時(shí)備份域由VBAT引腳（電池）供電。

1. VDD/VDDA電源域

VDD / VDDA 域包括VDD域和VDDA域兩部分。VDD域包括HXTAL（高速外部晶體振蕩器）、POR/ PDR（上電/掉電復位）、FWDGT（獨立看門(mén)狗定時(shí)器）和除PC13、PC14和PC15之外的所有PAD等等。VDDA域包括ADC / DAC（AD / DA轉換器）、LPIRC4M（內部4MHz RC振蕩器）、IRC64M（內部64M RC振蕩器）、IRC32K（內部32KHz RC振蕩器）PLLs（鎖相環(huán)）、LVD（低電壓檢測器）、VOVD（0.9V電壓檢測器）、VAVD（VDDA電壓檢測器）、TVD（溫度電壓檢測器）和BVD（VBAK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(shí)產(chǎn)生電源復位信號復位除備份域之外的整個(gè)芯片。下圖顯示了供電電壓和電源復位信號之間的關(guān)系。VPOR表示上電復位的閾值電壓，VPDR表示掉電復位的閾值電壓。遲滯電壓Vhyst值約為50mV。

BOR 電路檢測VDD / VDDA并在BOR_TH不為0b11，同時(shí)電壓低于選項字節的BOR_TH定義的閾值時(shí)產(chǎn)生電源復位信號復位除備份域之外的整個(gè)芯片。POR / PDR（上電/掉電復位）電路處于檢測狀態(tài)，無(wú)論選項字節的BOR_TH是否為0b11。 下圖顯示了供電電壓和BOR復位信號之間的關(guān)系。VBOR表示BOR復位的閾值電壓，該值在選項字節BOR_TH中定義。遲滯電壓Vhyst值為100mV。

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0（PMU_CTL0）中的LVDT[2:0]位進(jìn)行配置。LVD通過(guò)LVDEN置位使能，位于電源控制狀態(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(xiàn)，用戶(hù)可以通過(guò)配置EXTI的第16線(xiàn)產(chǎn)生相應的中斷。下圖顯示了VDD / VDDA 供電電壓和LVD輸出信號的關(guān)系。（LVD中斷信號依賴(lài)于EXTI第16線(xiàn)的上升或下降沿配置）。遲滯電壓Vhyst值為100mV。

為提高 ADC 和DAC的精度，可將獨立的外部參考電壓連接至ADC / DAC引腳VREF+ / VREF-。

VDDA模擬電壓檢測器（VAVD）用于檢測VDDA電源電壓是否低于電源控制寄存器（PMU_CTL0）中VAVDVC[1:0]位域選擇的編程閾值。通過(guò)置位VAVDEN位能夠使能VAVD，PMU_CS寄存器中的VAVDF位指示VDDA高于或低于指定的VAVD閾值，如果VAVDF置位能夠產(chǎn)生對應的事件，這個(gè)事件在內部連接到EXTI 16。如果通過(guò)EXTI寄存器使能，可以產(chǎn)生一個(gè)中斷。

和備份域電壓閾值監測類(lèi)似，通過(guò)與溫度高、低兩個(gè)閾值水平比較可以來(lái)監測結溫。PMU_CTL1寄存器中TEMPH和TEMPL標志指示設備溫度是否高于或低于閾值?？梢酝ㄟ^(guò)PMU_CTL1寄存器中的VBTMEN位使能/關(guān)閉溫度電壓閾值監測。使能后，溫度閾值監測將增加功耗。溫度閾值監測可以用來(lái)觸發(fā)執行溫度控制任務(wù)的相關(guān)的程序。只有PMU_CTL1寄存器中的VBTMEN位置位，溫度閾值監測才有效。

TEMPH 和TEMPL喚醒中斷可用于RTC觸發(fā)信號。

1. 0.9V電源域

主要功能包括 Cortex?-M7 內核邏輯、AHB / APB外設、備份域和VDD / VDDA域的APB接口。當0.9V電壓上電后，POR將在0.9V域中產(chǎn)生一個(gè)復位序列，復位完成后，如果要進(jìn)入指定的省電模式，須先配置相關(guān)的控制位，之后一旦執行WFI或WFE指令，設備便進(jìn)入該省電模式。

使用 SMPS 降壓穩壓器和LDO，可以設置0.9V電源域的供電電源。不同配置可提供七種有效的0.9V電源域供電模式。

注意：基于供電穩定性以及芯片散熱考慮，目前推薦采用模式6旁路模式進(jìn)行供電。在旁路供電模式下內部SMPS和LDO是關(guān)閉狀態(tài)，內部Vcore由Vcore引腳進(jìn)行供電，Vcore引腳外接0.9V電源。如下圖所示。

1. 電池備份域

電池備份域由內部電源切換器來(lái)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(shí)時(shí)時(shí)鐘）、LXTAL（低速外部晶體振蕩器），BPOR（備份域上電復位）和BREG，以及PC13至PC15共3個(gè)BKP PAD。為了確保備份域中寄存器的內容及RTC正常工作，當VDD關(guān)閉時(shí)，VBAT引腳可以連接至電池或其他備份電源供電。電源切換器是由VDD / VDDA域掉電復位電路控制的。對于沒(méi)有外部電池的應用，建議將VBAT引腳通過(guò)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(guò)電源切換器供電的，電源切換器僅可通過(guò)小電流，因此當PC13至PC15的GPIO口在輸出模式時(shí)，其工作的速度不能超過(guò)2MHz（最大負載為30Pf）。

若讀者有在VDD掉電情況下RTC繼續工作的應用需求，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(huì )由VDD切換到VBAT，LXTAL和RTC均可正常工作，后續VDD上電后同步RTC寄存器即可獲取正確的RTC時(shí)間。

5.2.2低功耗模式

GD32H7xx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?-M7 的SLEEPING模式相對應。在睡眠模式下，僅關(guān)閉Cortex?-M7的時(shí)鐘。如需進(jìn)入睡眠模式，只要清除Cortex?-M7系統控制寄存器中的SLEEPDEEP位，并執行一條WFI或WFE指令即可。如果睡眠模式是通過(guò)執行WFI指令進(jìn)入的，任何中斷都可以喚醒系統。如果睡眠模式是通過(guò)執行WFE指令進(jìn)入的，任何喚醒事件都可以喚醒系統（如果SEVONPEND為1，任何中斷都可以喚醒系統，請參考Cortex?-M7技術(shù)手冊）。由于無(wú)需在進(jìn)入或退出中斷上消耗時(shí)間，該模式所需的喚醒時(shí)間最短。

深度睡眠模式與 Cortex?-M7 的SLEEPDEEP模式相對應。在深度睡眠模式下，0.9V域中的所有時(shí)鐘全部關(guān)閉，LPIRC4M、IRC64M、HXTAL及PLLs也全部被禁用。進(jìn)入深度睡眠模式之前，先將Cortex?-M7系統控制寄存器的SLEEPDEEP位置1，再將PMU_CTL0寄存器的LPMOD位配置為0b1，然后執行WFI或WFE指令即可進(jìn)入深度睡眠模式。如果睡眠模式是通過(guò)執行WFI指令進(jìn)入的，任何來(lái)自EXTI的中斷可以將系統從深度睡眠模式中喚醒。如果睡眠模式是通過(guò)執行WFE指令進(jìn)入的，任何來(lái)自EXTI的事件可以將系統從深度睡眠模式中喚醒（如果SEVONPEND為1，任何來(lái)自EXTI的中斷都可以喚醒系統，請參考Cortex?-M7技術(shù)手冊）。

待機模式是基于 Cortex?-M7 的SLEEPDEEP模式實(shí)現的。在待機模式下，整個(gè)0.9V域全部停止供電，LDO關(guān)閉，同時(shí)包括LPIRC4M、IRC64M、HXTAL和PLLs也會(huì )被關(guān)閉。進(jìn)入待機模式前，先將Cortex?-M7系統控制寄存器的SLEEPDEEP位置1，再將PMU_CTL0寄存器的LPMOD位域配置為0b1，再清除PMU_CS寄存器的WUF位，然后執行WFI或WFE指令，系統進(jìn)入待機模式，PMU_CS寄存器的STBF位狀態(tài)表示MCU是否已進(jìn)入待機模式。待機模式有四個(gè)喚醒源，包括來(lái)自NRST引腳的外部復位，RTC鬧鐘，FWDGT復位，WKUP引腳的上升沿。待機模式可以達到最低的功耗，但喚醒時(shí)間最長(cháng)。另外，一旦進(jìn)入待機模式，SRAM和0.9V電源域寄存器的內容都會(huì )丟失。退出待機模式時(shí)，會(huì )發(fā)生上電復位，復位之后Cortex?-M7將從0x00000000地址開(kāi)始執行指令代碼。

低功耗模式相關(guān)數據可參考下表，不同的低功耗模式是通過(guò)關(guān)閉不同時(shí)鐘以及電源來(lái)實(shí)現的，關(guān)閉的時(shí)鐘和電源越多，MCU所進(jìn)入的睡眠模式將會(huì )越深，功耗也會(huì )越低，帶來(lái)的喚醒時(shí)間也會(huì )越長(cháng)，其喚醒源也會(huì )越少。

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2-3ma。

注意：由于深度睡眠模式具有較低的功耗，喚醒后繼續從斷點(diǎn)處執行，因而具有更廣泛的應用場(chǎng)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。

5.3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。

5.4代碼解析

本例程實(shí)現deepsleep以及standby的進(jìn)入以及喚醒測試，首先我們來(lái)看下主函數，如下所示。該主函數首先配置了驅動(dòng)初始化、打印和LED函數，并打印Example of Low Power Test Demo。之后查詢(xún)是否進(jìn)入過(guò)Standby模式，如果進(jìn)入過(guò)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LED2，因而驗證standby喚醒的時(shí)候，其現象可觀(guān)察到LED2的翻轉。之后使能wakeup引腳的喚醒以及USER按鍵的初始化，此時(shí)將wakeup KEY配置為中斷模式。在while（1）中，查詢(xún)USER KEY按下的時(shí)間，如果按下超過(guò)3S，則打印Entering Standby Mode.并進(jìn)入standby模式，如果USER KEY按下不超過(guò)3S，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(shí)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(shí)例中使用wakeup按鍵中斷喚醒。

C
int main(void)
{
rcu_periph_clock_enable(RCU_PMU);
driver_init();
//注冊按鍵掃描
driver_tick_handle[0].tick_value=10;
driver_tick_handle[0].tick_task_callback=key_scan_10ms_callhandle;


bsp_uart_init(&BOARD_UART); /* 板載UART初始化 */
printf_log("Example of Low Power Test Demo.\r\n");

delay_ms(2000);
bsp_led_group_init();

/* 判斷是否進(jìn)入過(guò)Stanby模式 */
if(pmu_flag_get(PMU_FLAG_STANDBY)==SET)
{
printf_log("A reset event from Standby mode has occurred.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED2);
pmu_flag_clear(PMU_FLAG_STANDBY);
}

/* 配置PA0 Wakeup喚醒功能 */
pmu_wakeup_pin_enable(PMU_WAKEUP_PIN0);
WKUP_KEY.key_gpio->gpio_mode = INT_HIGH;
WKUP_KEY.key_gpio->int_callback = WKUP_KEY_IRQ_callback;
bsp_key_group_init();
nvic_irq_enable(EXTI0_IRQn,0,0);

while (1)
{
/* 檢測KEY1按鍵是否被按下，如果按下，進(jìn)入standby模式 */
if(USER_KEY.press_timerms >= PRESS_3000MS)
{
USER_KEY.press_timerms=PRESS_NONE;
printf_log("Entering Standby Mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED2);
pmu_to_standbymode();
}
/* 檢測KEY2按鍵是否被按下，如果按下，進(jìn)入Deepsleep模式 */
if(USER_KEY.press_timerms >= PRESS_50MS)
{
USER_KEY.press_timerms=PRESS_NONE;
printf_log("Enter Deepsleep mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED1);

bsp_lcd_backlight_off();
pmu_to_deepsleepmode(WFI_CMD);
bsp_lcd_backlight_on();
printf_log("Exit Deepsleep mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED1);
}
}
}

5.5實(shí)驗結果

將本實(shí)驗歷程燒錄到海棠派開(kāi)發(fā)板中，按下user key按鍵超過(guò)3S，松開(kāi)后MCU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LED2，之后短按USER KEY，將打印Enter Deepsleep mode.進(jìn)入deepsleep模式，然后按下wakeup按鍵將從deepsleep模式下喚醒，喚醒后重新配置時(shí)鐘，打印Exit Deepsleep mode.并將LED1翻轉。

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