【GD32F470紫藤派開發板使用手冊】第五講 PMU-低功耗實驗
5.1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；
5.2實驗原理
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，GD32F4xx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）、IRC16M（內部16M RC振蕩器）、IRC32K（內部32KHz RC振蕩器）PLLs（鎖相環）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2.45V，VPDR表示掉電復位的閾值電壓，典型值約為1.82V。遲滯電壓Vhyst值約為600mV。
GD32F4XX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。
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- 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。若系統系統工作在高頻狀態建議使能高驅模式。
- 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。
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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時間。
5.2.2低功耗模式
GD32F4xx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系統控制寄存器中的SLEEPDEEP位，并執行一條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，IRC16M、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系統控制寄存器的SLEEPDEEP位置1，再清除PMU_CTL寄存器的STBMOD位，然后執行WFI或WFE指令即可進入深度睡眠模式。如果睡眠模式是通過執行WFI指令進入的， 任何來自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執行WFE指令進入的， 任何來自EXTI的事件可以將系統從深度睡眠模式中喚醒（如果SEVONPEND為1，任何來自EXTI的中斷都可以喚醒系統，請參考Cortex?-M4技術手冊）。 剛退出深度睡眠模式時，IRC16M被選中作為系統時鐘。請注意，如果LDO工作在低功耗模式，那么喚醒時需額外的延時時間。
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IRC16M、HXTAL和PLL也會被關閉。進入待機模式前，先將Cortex?-M4系統控制寄存器的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，然后執行WFI或WFE指令，系統進入待機模式，PMU_CS寄存器的STBF位狀態表示MCU是否已進入待機模式。待機模式有四個喚醒源，包括來自NRST引腳的外部復位，RTC喚醒事件，包括RTC侵入事件、RTC鬧鐘事件、RTC時間戳事件或RTC喚醒事件，FWDGT復位，WKUP引腳的上升沿。待機模式可以達到最低的功耗，但喚醒時間最長。另外，一旦進入待機模式，SRAM和1.2V電源域寄存器（除了備份SRAM，當BLDOON置位時）的內容都會丟失。退出待機模式時，會發生上電復位，復位之后Cortex?-M4將從0x00000000地址開始執行指令代碼。
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1.3ma，待機模式下功耗常溫典型值為9uA。
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Note:中間為典型數值，右側為常溫下的最大數值。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喚醒的時候，其現象可觀察到LED2的翻轉。之后使能wakeup引腳的喚醒以及USER按鍵的初始化，此時將wakeup KEY配置為中斷模式。在while（1）中，查詢USER KEY按下的時間，如果按下超過3S，則打印Entering Standby Mode.并進入standby模式，如果USER KEY按下不超過3S，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(); /* 判斷是否進入過Stanby模式 */ if(pmu_flag_get(PMU_FLAG_RESET_STANDBY)==SET) { printf_log("A reset event from Standby mode has occurred.\r\n"); bsp_led_toggle(&LED2); pmu_flag_clear(PMU_FLAG_RESET_STANDBY); } /* 配置PA0 Wakeup喚醒功能 */ pmu_wakeup_pin_enable(); 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(WFI_CMD); } /* 檢測KEY2按鍵是否被按下，如果按下，進入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(PMU_LDO_NORMAL, PMU_LOWDRIVER_DISABLE, WFI_CMD); bsp_lcd_backlight_on(); printf_log("Exit Deepsleep mode.\r\n"); bsp_led_toggle(&LED1); } } } |
5.5實驗結果
將本實驗歷程燒錄到紫藤派開發板中，按下user key按鍵超過3S，松開后MCU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LED2，之后短按USER KEY，將打印Enter Deepsleep mode.進入deepsleep模式，然后按下wakeup按鍵將從deepsleep模式下喚醒，喚醒后重新配置時鐘，打印Exit Deepsleep mode.并將LED1翻轉。
具體現象如下所示。
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