【原创】STM32低功耗模式及中断唤醒（基于BMI160及RTC）的研究

预研目标

六轴静止时，终端进入低功耗模式；六轴震动时，终端正常工作模式，从而极大减少非工作时的电流消耗。

解决方案

机器静止时，依据六轴算法，CPU进入休眠（停止）模式；机器工作时，触发六轴中断唤醒CPU，再配合系统空闲时进入CPU睡眠模式，从而极大降低机器非工作时的电流消耗和降低工作时底电流消耗。

关键技术

STM32功耗模式

按功耗由高到低排列，STM32具有运行、睡眠、停止和待机四种工作模式。上电复位后STM32处于运行状态时，当内核不需要继续运行，就可以选择进入后面的三种低功耗模式降低功耗，这三种模式中，电源消耗不同、唤醒时间不同、唤醒源不同，用户需要根据应用需求，选择最佳的低功耗模式。三种低功耗的模式说明见表1。

表 1  STM32的低功耗模式说明

模式	说明	进入方式	唤醒方式	对1.2V区域时钟的影响	对VDD区域时钟的影响	调压器
睡眠	内核停止，所有外设包括M4核心的外设，如NVIC、系统时钟(SysTick)等仍在运行	调用WFI命令	任一中断	内核时钟关，对其他时钟和ADC时钟无影响	无	开
		调用WFE命令	唤醒事件
停止	所有的时钟都已停止	配置PWR_CR寄存器的PDDS +LPDS 位+SLEEPDEEP位 +WFI或WFE命令	任一外部中断( 在外部中断寄存器中设置)	关闭所有1.2V区域的时钟	HSI和HSE的振荡器关闭	开启或处于低功耗模式( 依据电源控制寄存器的设定)
待机	1.2V 电源关闭	配置PWR_CR寄存器的PDDS +SLEEPDEEP位 +WFI或WFE命令	WKUP 引脚的上升沿、RTC闹钟事件、NRST 引脚上的外部复位、IWDG 复位			关

从表中可以看到，这三种低功耗模式层层递进，运行的时钟或芯片功能越来越少，因而功耗越来越低。

睡眠模式

在睡眠模式中，仅关闭了内核时钟，内核停止运行，但其片上外设，CM4核心的外设全都还照常运行。有两种方式进入睡眠模式，它的进入方式决定了从睡眠唤醒的方式，分别是WFI(wait for interrupt)和WFE(wait for event)，即由等待"中断"唤醒和由"事件"唤醒。睡眠模式的各种特性见表 2。

表 2  睡眠模式的各种特性

特性	说明
立即睡眠	在执行WFI 或WFE 指令时立即进入睡眠模式。
退出时睡眠	在退出优先级最低的中断服务程序后才进入睡眠模式。
进入方式	内核寄存器的SLEEPDEEP = 0 ，然后调用WFI或WFE指令即可进入睡眠模式； 另外若内核寄存器的SLEEPONEXIT=0时，进入"立即睡眠"模式，SLEEPONEXIT=1时，进入"退出时睡眠"模式。
唤醒方式	如果是使用WFI指令睡眠的，则可使用任意中断唤醒； 如果是使用WFE指令睡眠的，则由事件唤醒。
睡眠时	关闭内核时钟，内核停止，而外设正常运行，在软件上表现为不再执行新的代码。这个状态会保留睡眠前的内核寄存器、内存的数据。
唤醒延迟	无延迟。
唤醒后	若由中断唤醒，先进入中断，退出中断服务程序后，接着执行WFI指令后的程序；若由事件唤醒，直接接着执行WFE后的程序。

停止模式

在停止模式中，进一步关闭了其它所有的时钟，于是所有的外设都停止了工作，但由于其1.2V区域的部分电源没有关闭，还保留了内核的寄存器、内存的信息，所以从停止模式唤醒，并重新开启时钟后，还可以从上次停止处继续执行代码。停止模式可以由任意一个外部中断(EXTI)唤醒。在停止模式中可以选择电压调节器为开模式或低功耗模式，可选择内部FLASH工作在正常模式或掉电模式。停止模式的各种特性见表3。

表 3 停止模式的各种特性

特性	说明
调压器低功耗模式	在停止模式下调压器可工作在正常模式或低功耗模式，可进一步降低功耗
FLASH掉电模式	在停止模式下FLASH可工作在正常模式或掉电模式，可进一步降低功耗
进入方式	内核寄存器的SLEEPDEEP =1，PWR_CR寄存器中的PDDS=0，然后调用WFI或WFE指令即可进入停止模式； PWR_CR 寄存器的LPDS=0时，调压器工作在正常模式，LPDS=1时工作在低功耗模式； PWR_CR 寄存器的FPDS=0时，FLASH工作在正常模式，FPDS=1时进入掉电模式。
唤醒方式	如果是使用WFI指令睡眠的，可使用任意EXTI线的中断唤醒； 如果是使用WFE指令睡眠的，可使用任意配置为事件模式的EXTI线事件唤醒。
停止时	内核停止，片上外设也停止。这个状态会保留停止前的内核寄存器、内存的数据。
唤醒延迟	基础延迟为HSI振荡器的启动时间，若调压器工作在低功耗模式，还需要加上调压器从低功耗切换至正常模式下的时间，若FLASH工作在掉电模式，还需要加上FLASH从掉电模式唤醒的时间。
唤醒后	若由中断唤醒，先进入中断，退出中断服务程序后，接着执行WFI指令后的程序；若由事件唤醒，直接接着执行WFE后的程序。唤醒后，STM32会使用HIS作为系统时钟。

待机模式

待机模式，它除了关闭所有的时钟，还把1.2V区域的电源也完全关闭了，也就是说，从待机模式唤醒后，由于没有之前代码的运行记录，只能对芯片复位，重新检测boot条件，从头开始执行程序。它有四种唤醒方式，分别是WKUP(PA0)引脚的上升沿，RTC闹钟事件，NRST引脚的复位和IWDG(独立看门狗)复位。

表 4 待机模式的各种特性

特性	说明
进入方式	内核寄存器的SLEEPDEEP =1，PWR_CR寄存器中的PDDS=1，PWR_CR寄存器中的唤醒状态位WUF=0，然后调用WFI或WFE指令即可进入待机模式；
唤醒方式	通过WKUP引脚的上升沿，RTC闹钟、唤醒、入侵、时间戳事件或NRST引脚外部复位及IWDG复位唤醒。
待机时	内核停止，片上外设也停止；内核寄存器、内存的数据会丢失；除复位引脚、RTC_AF1引脚及WKUP引脚，其它I/O口均工作在高阻态。
唤醒延迟	芯片复位的时间
唤醒后	相当于芯片复位，在程序表现为从头开始执行代码。

在以上讲解的睡眠模式、停止模式及待机模式中，若备份域电源正常供电，备份域内的RTC都可以正常运行、备份域内的寄存器及备份域内的SRAM数据会被保存，不受功耗模式影响。

功耗模式选择及配置

功耗模式选择

睡眠模式：RTOS空闲任务进入休眠，sysTick中断唤醒；

停止模式：机器不工作（六轴静止）时，进入停止模式；六轴动时中断/RTC定时中断触发唤醒。

功耗模式配置

注：STOP模式下，唤醒后系统使用HSI作为系统时钟，用户可能需要未进入STOP模式前的系统时钟配置。

RTC定时唤醒喂狗

系统进入STOP模式后，需要RTC中断定时唤醒喂狗防止系统复位。

RTC定时唤醒中断使能：

HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(&hrtc, 0xA017, RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV16);

RTC定时唤醒中断失能：

HAL_RTCEx_DeactivateWakeUpTimer(&hrtc)；

RTC定时唤醒喂狗：

void HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc)

{

feed_dog();

}

六轴BMI160

电源模式

在我们的产品场景中，Gyroscope（陀螺仪）未使用，默认配置为Suspend mode,Accelermoter(加速度)使用Normal mode（退出CPU休眠后）或Low power mode（进入休眠前配置）；

中断模式

模式选择及配置

这里推荐使用BMI160官方驱动，源码获取参见参考资料第3项，关于驱动具体使用参照源码README.md文件，下面

struct bmi160_dev sensor;

BMI160初始化

struct bmi160_dev sensor;

/* BMI160初始化 */
void AccelInit(void)
{

    /* You may assign a chip select identifier to be handled later */
    sensor.id = ;
    sensor.interface = BMI160_SPI_INTF;
    sensor.read = user_spi_read;
    sensor.write = user_spi_write;
    sensor.delay_ms = user_delay_ms;

    int8_t rslt = BMI160_OK;
    rslt = bmi160_init(&sensor);
    printf("bmi160 chip id: %02x, accel power:%d, gyro power:%d\r\n", sensor.chip_id, sensor.accel_cfg.power, sensor.gyro_cfg.power);

    /* After the above function call, accel_cfg and gyro_cfg parameters in the device
    structure are set with default values, found in the datasheet of the sensor */
}

/* BMI160电源模式配置 */
void AccelConfig(void)
{
    int8_t rslt = BMI160_OK;
    struct bmi160_pmu_status pmuStatus;

    /* Select the Output data rate, range of accelerometer sensor */
    sensor.accel_cfg.odr = BMI160_ACCEL_ODR_400HZ;
    sensor.accel_cfg.range = BMI160_ACCEL_RANGE_4G;
    sensor.accel_cfg.bw = BMI160_ACCEL_BW_NORMAL_AVG4;

    /* Select the power mode of accelerometer sensor */
    sensor.accel_cfg.power = BMI160_ACCEL_NORMAL_MODE;

    /* Set the sensor configuration */
    rslt = bmi160_set_sens_conf(&sensor);

    bmi160_get_power_mode( &pmuStatus, &sensor);
    //printf("accel power:%d, gyro power:%d\r\n", pmuStatus.accel_pmu_status, pmuStatus.gyro_pmu_status);
}

/* BMI160 Any-motion中断配置 */
void AnyMotionIntCfg(void)
{
    struct bmi160_int_settg int_config;

    /* Select the Interrupt channel/pin */
    int_config.int_channel = BMI160_INT_CHANNEL_BOTH;// Interrupt channel/pin 1

    /* Select the Interrupt type */
    int_config.int_type = BMI160_ACC_ANY_MOTION_INT;// Choosing Any motion interrupt

    /* Select the interrupt channel/pin settings */
    int_config.int_pin_settg.output_en = BMI160_ENABLE;// Enabling interrupt pins to act as output pin
    int_config.int_pin_settg.output_mode = BMI160_DISABLE;// Choosing push-pull mode for interrupt pin
    int_config.int_pin_settg.output_type = BMI160_DISABLE;// Choosing active low output
    int_config.int_pin_settg.edge_ctrl = BMI160_ENABLE;// Choosing edge triggered output
    int_config.int_pin_settg.input_en = BMI160_DISABLE;// Disabling interrupt pin to act as input
    int_config.int_pin_settg.latch_dur = BMI160_LATCH_DUR_NONE;// non-latched output

    /* Select the Any-motion interrupt parameters */
    int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_en = BMI160_ENABLE;// 1- Enable the any-motion, 0- disable any-motion
    int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_x = BMI160_ENABLE;// Enabling x-axis for any motion interrupt
    int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_y = BMI160_ENABLE;// Enabling y-axis for any motion interrupt
    int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_z = BMI160_ENABLE;// Enabling z-axis for any motion interrupt
    int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_dur = ;// any-motion duration
    int_config.int_type_cfg.acc_any_motion_int.anymotion_thr = ;// (2-g range) -> (slope_thr) * 3.91 mg, (4-g range) -> (slope_thr) * 7.81 mg, (8-g range) ->(slope_thr) * 15.63 mg, (16-g range) -> (slope_thr) * 31.25 mg

    /* Set the Any-motion interrupt */
    bmi160_set_int_config(&int_config, &sensor); /* sensor is an instance of the structure bmi160_dev  */
}

方案验证

测试用例

typedef enum
{
　　STOP_MODE_WAKE_FROM_NULL,
　　STOP_MODE_WAKE_FROM_RTC,
　　STOP_MODE_WAKE_FROM_ACCEL,  
}StopModeWakeEnum;

StopModeWakeEnum wakeReason = STOP_MODE_WAKE_FROM_NULL;

void StopModeTest(void *pdata)
{
    RCC_ClkInitTypeDef clkCfgPre;
    uint32_t flatencyPre = ;
    uint32_t freqPre = ;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    AccelInit();
    AccelConfig();
    AnyMotionIntCfg();
    for(;;)
    {
        printf("\r\nSTM32 runing, system led off\r\n");
        PrintSysClkInfo();
        SysLedOff();
        printf("\r\nSTM32 enter stop mode\r\n");
        /*## Configure the Wake up timer ###########################################*/
        /*  RTC Wake-up Interrupt Generation:
        Wake-up Time Base = (RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV /(LSI))
        Wake-up Time = Wake-up Time Base * WakeUpCounter
        = (RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV /(LSI)) * WakeUpCounter
        ==> WakeUpCounter = Wake-up Time / Wake-up Time Base
        To configure the wake up timer to 20s the WakeUpCounter is set to 0xA017:
        RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV = RTCCLK_Div16 = 16
        Wake-up Time Base = 16 /(~32.768KHz) = ~0,488 ms
        Wake-up Time = ~20s = 0,488ms  * WakeUpCounter
        ==> WakeUpCounter = ~20s/0,488ms = 40983 = 0xA017 */
        HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(&hrtc, 0xA017, RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV16);

        /* FLASH Deep Power Down Mode enabled */
        HAL_PWREx_EnableFlashPowerDown();

        /* Enter Stop Mode */
        HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);

        HAL_PWREx_DisableFlashPowerDown();
        HAL_RCC_GetClockConfig( &clkCfgPre, &flatencyPre);
        freqPre = HAL_RCC_GetSysClockFreq ();
        SYSCLKConfig_STOP();
         /* Disable Wake-up timer */
        if(HAL_RTCEx_DeactivateWakeUpTimer(&hrtc) != HAL_OK)
        {
            /* Initialization Error */
            Error_Handler();
        }

        switch(wakeReason)
        {

            case STOP_MODE_WAKE_FROM_RTC:
                printf("\r\nSTM32 wake from stop mode from RTC, system led on\r\n");
                break;

            case STOP_MODE_WAKE_FROM_ACCEL:
                printf("\r\nSTM32 wake from stop mode from ACCEL, system led on\r\n");
                break;

            default:
                printf("\r\nSTM32 wake from stop mode from %d\r\n", wakeReason);
                break;
        }
        printf("SysFreq:%u, ClkSrc:%d(0:HSI, 1:HSE, 2:PLL, 3:PLLR)\r\n", freqPre, clkCfgPre.SYSCLKSource);
        printf("\r\nSTM32 recover system clk config\r\n");
        PrintSysClkInfo();
        OSTimeDlyHMSM( , , , );
    }
}

void HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{
    SysLedOn();
    feed_dog();
    wakeReason = STOP_MODE_WAKE_FROM_RTC;
}

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
　　switch(GPIO_Pin)
   {
　　　　case WAKED_FROM_BT_Pin:
            if(GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(WAKED_FROM_BT_GPIO_Port, WAKED_FROM_BT_Pin))
            {/*wake start*/
                BleSpiRxRestart();
            }break;

        case INT_ALARM_Pin:
            break;

        case GYRO_INT1_Pin:
            if(GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(GYRO_INT1_GPIO_Port, GYRO_INT1_Pin))
            {

            }
            break;

        case GYRO_INT2_Pin:
            if(GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(GYRO_INT2_GPIO_Port, GYRO_INT2_Pin))
            {
                SysLedOn();
                wakeReason = STOP_MODE_WAKE_FROM_ACCEL;
            }
            break;
        default:
　　　　　　　break;
　}
}

实验步骤

1. 测试用例烧录终端，连接打印串口、打开串口调试助手；
2. 18:15:49前保持终端静止、待进入CPU休眠后再次震动终端1次，重复操作2次；

测试log输出：

实验结论

CPU进入停止模式后，RTC定时中断/六轴中断可唤醒CPU，唤醒后CPU使用HSI作为系统时钟源，CPU进入停止模式后功耗极大降低，可实现机器非工作时电流消耗的极大降低。

参考资料

1. 《STM32F401xB/C and STM32F401xD/E advanced Arm®-based 32-bit MCUs》

2.《Description of STM32F4 HAL and LL drivers》

3.https://ae-bst.resource.bosch.com/media/_tech/media/datasheets/BST-BMI160-DS000.pdf

4. https://github.com/BoschSensortec/BMI160_driver

作者：大毛孩 出处： https://www.cnblogs.com/damaohai/
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