【STM32 學習筆記】PWR電源控制

在電子設備中，待機（Standby）和睡眠（Sleep）是兩種不同的省電模式。 1. 待機模式（Standby Mode）：在待機模式下，設備仍然保持一定程度的活動，但大部分功能處于暫停狀態。在這里插入圖片描述

電源

STM32的工作電壓(VDD)為2.0～3.6V。通過內置的電壓調節器提供所需的1.8V電源
當主電源VDD掉電后，通過VBAT腳為實時時鐘(RTC)和備份寄存器提供電源
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這張圖展示了STM32微控制器（MCU）內部的電源分配方案。整個系統可分為三大主要供電區域：模擬部分供電（VDDA）、數字部分供電包括VDD供電區域和1.8v供電區域、后備供電（VBAT）。

首先來看模擬部分供電，即VDDA區域，負責為模擬功能如AD轉換器、溫度傳感器、復位模塊及PLL鎖相環提供電力。這些組件的正極連接至VDDA，而負極則連接至VSSA。特別地，AD轉換器的參考電壓輸入端VREF+和VREF-通常會在在引腳多的型號里會單獨引出來；而在像C8T6這樣的少引腳型號中，它們已在芯片內部直接連接到VDDA和VSSA上。
接下來是數字部分供電，該部分分為兩個子區域：VDD供電區和1.8V供電區。VDD供電區包含了I/O電路、待機電路、喚醒邏輯和獨立看門狗等功能。這部分電路的工作電壓通常是3.3V。為了提高能效，STM32的設計采用了低壓策略，因此大部分關鍵的內部電路，例如CPU、存儲器和數字外設，實際上是以1.8V的較低電壓運行。

關于1.8V供電區，它是由VDD通過內置的電壓調節器降壓得到的，提供給CPU核心、存儲器和內置數字外設。當這些外設需要與外界進行交流時，才會通過I/O電路轉換到3.3V。這種設計有助于顯著降低系統的功耗，因為較低的電壓意味著更低的功率消耗。
需要注意的是，STM32的工作電壓（VDD）范圍為2.0～3.6V，而1.8V電源是通過內置的電壓調節器提供的。

最后討論的是后備供電區域。此區域包括了LSE 32K晶體振蕩器、后備寄存器、RCC BDCR寄存器和實時時鐘（RTC）。RCC BDCR是RTC的控制寄存器之一，也屬于后備區域的一部分，因此同樣可以通過VBAT供電。此外，圖中還顯示了一個低電壓檢測器，它可以監測主電源VDD的狀態，并在VDD失效時自動切換到VBAT供電模式，確保RTC和其他關鍵的后備功能即使在主電源斷開的情況下也能繼續工作。

電源管理器

上電復位和掉電復位，還有可編程電壓監測器這兩個內容了解即可。

上電復位和掉電復位

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上電復位和掉電復位的功能在于，當VDD或VDDA的電壓降至一定水平時，內部電路會自動觸發復位操作，防止STM32在電壓不穩定時進行錯誤操作。為此，系統設置了一個40毫伏的遲滯電壓，以避免電壓波動導致的不穩定。具體來說，當電壓超過上限（POR閾值，即1.92V）時，系統解除復位狀態；而當電壓低于下限（PDR閾值，即1.88V）時，系統進入復位狀態。這種設計采用了遲滯比較器，通過設定上下兩個閾值，有效防止了電壓在閾值附近波動時引起的輸出抖動。

需要注意的是，復位信號是低電平有效，意味著在電壓過低（前后兩種情況）時，系統會進入復位狀態，而在電壓正常（中間狀態）時，系統則不會復位。關于具體的電壓閾值和復位滯后時間，可以參考STM32的數據手冊，具體信息在5.3.3節“內嵌復位和電源控制模塊特性”中有詳細說明。根據數據手冊，PDR的典型下限閾值是1.88V，而POR的典型上限閾值是1.92V，這40毫伏的遲滯閾值確保了電壓穩定。簡而言之，電壓大于1.9V時系統上電，低于1.9V時系統掉電。此外，復位持續時間（TRSTTEMPO）的典型值為2.5毫秒。

這個復位持續時間很重要,實際產品這里經常出偶發問題又難以排查

可編程電壓監測器

PVD的工作原理與前述的上電復位和掉電復位類似，都是監測VDD和VDDA的供電電壓。然而，PVD的獨特之處在于其閾值電壓是可以編程設定的，提供了更大的靈活性。
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根據數據手冊中的相關表格，可以通過配置PLS寄存器的3個位來選擇PVD的閾值。這些閾值的選擇范圍大約在2.2V到2.9V之間，且PVD的上限和下限閾值之間的遲滯電壓為100毫伏。值得注意的是，PVD的監測電壓范圍高于上電和掉電復位的閾值。
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為了更直觀地理解，可以想象一個電壓從3.3V的正常供電逐漸降低的情景。當電壓降至2.9V至2.2V之間時，就進入了PVD的監測范圍。在這個范圍內，您可以設置一個警告線，以便在電壓進一步降低至1.9V以下，即復位電路的檢測范圍時，系統可以采取行動。
當PVD被觸發時，微控制器仍然可以正常工作，但這是對用戶的一個提醒，表明電源電壓已經過低。PVD的輸出是正邏輯，即電壓過低時輸出為1，電壓正常時輸出為0。這個信號可以用來申請中斷，在電壓上升或下降時觸發，從而提醒程序進行相應的處理。
關于PVD的中斷申請，它通過外部中斷實現。在EXTI（外部中斷）的基本結構圖中，可以看到PVD的輸出信號是如何接入的。因此，如果想要使用PVD，記得正確配置外部中斷。
另外，盡管RTC有自己的中斷系統，但為了在低功耗模式下喚醒停止模式，只有外部中斷能夠實現這一點。這也是為什么其他設備，如USB和ETH的喚醒信號，也要通過外部中斷來喚醒停止模式。理解這一點對于低功耗設計至關重要。

低功耗模式

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STM32F10xxx有三種低功耗模式：

睡眠模式

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要進入睡眠模式，只需直接調用WFI（等待中斷）或WFE（等待事件）指令，這兩個都是內核指令，對應的庫函數中也提供了相應的調用方法。WFI的作用是讓CPU進入睡眠狀態，直到有中斷發生時喚醒；而WFE則是讓CPU等待一個特定的事件來喚醒。喚醒條件分別是：WFI模式下，任何中斷都能喚醒CPU；WFE模式下，則需要一個特定的事件來喚醒。喚醒后，WFI通常需要處理中斷服務函數，而WFE則可能直接繼續執行。

睡眠模式對電路的影響有限，主要表現在關閉了CPU時鐘，而其他時鐘和ADC時鐘不受影響。電壓調節器保持開啟狀態，因此，睡眠模式主要是通過停止CPU時鐘來降低功耗。關閉時鐘意味著所有的運算和時序操作暫停，但寄存器和存儲器中的數據得以保持。睡眠模式的喚醒條件相對寬松，任何中斷都能喚醒CPU，因此，它相當于是在保持身體其他部分工作的情況下，大腦稍作休息，省電程度評為一般。

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停機模式

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要進入停機模式，首先需要將sleepdeep位設置為1，指示CPU進入深度睡眠。PDDS位用于區分停機模式或待機模式，PDDS為0時進入停機模式。之后LPDS位用于控制電壓調節器是保持開啟還是進入低功耗模式（RPDS等于電壓調節器開啟，RPDS等于1電壓調節器進入低功耗v）。

設置好這些位后，調用WFI或WFE即可進入停機模式。停機模式的喚醒條件比睡眠模式苛刻，只有外部中斷能夠喚醒。這意味著，如PVD、RTC鬧鐘、USB喚醒、ETH喚醒等通過外部中斷的信號可以喚醒系統。停機模式關閉了所有1.8伏區域的時鐘，包括HSI和HSE振蕩器，但LSI和LSE振蕩器保持運行。電壓調節器可以選擇開啟或低功耗模式，后者更省電但喚醒時間更長。停機模式相當于整個人的工作完全停止，只有外部中斷才能喚醒，省電程度評為非常省電。

注意：
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系統從停止模式被中斷或喚醒事件喚醒時，HSI（內部高速時鐘）會被自動選為系統時鐘。這是因為，在我們的程序中，默認在SystemInit函數里配置的是使用HSE（外部高速時鐘），并通過PLL（鎖相環）倍頻來獲得72MHz的主頻。然而，一旦進入停止模式，PLL和HSE都會停止工作。

因此，當系統從停止模式喚醒時，它不會自動通過PLL倍頻來恢復到原來的72MHz主頻，而是直接使用HSI的8MHz作為主頻。如果忽略這一點，就可能會出現以下現象：程序剛上電時運行在72MHz的主頻，但進入停止模式并在喚醒之后，主頻會降為8MHz。不止慢9倍這么簡單，帶時序的外設基本上都出問題。

為了避免這種情況，我們通常需要在停止模式喚醒后的第一時間重新啟動HSE，并將主頻重新配置為72MHz。這一操作并不復雜，因為相關的配置函數已經為我們準備好了。我們只需要在喚醒后調用SystemInit函數，即可完成主頻的重新配置。這樣，系統就能恢復到停止模式之前的工作狀態，確保程序的正常運行。

待機模式

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進入待機模式的步驟與停機模式相似，但PDDS位需設置為1。待機模式的喚醒條件最為嚴格，普通外設中斷和外部中斷都無法喚醒，只有特定的信號，如wake up引腳的上升沿、RTC鬧鐘事件、NRST引腳的外部復位和IWDG獨立看門狗復位，才能喚醒。待機模式幾乎關閉了所有電路，包括1.8伏區域的時鐘和電壓調節器，這意味著內部存儲器和寄存器的數據會丟失。但與停機模式一樣，LSI和LSE振蕩器保持運行以支持RTC和獨立看門狗。待機模式相當于徹底下班，除非有緊急事項，否則不會返回工作，省電程度評為極為省電。

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在之前的討論中，我們提到了多個與低功耗模式相關的寄存器位，這些模式還有一些更細致的劃分。例如，睡眠模式中有SLEEP-NOW和SLEEP-ON-EXIT的區別，停機模式中則有電壓調節器開啟與低功耗模式的區別。了解如何配置這些模式對我們理解程序有很大幫助。
首先這里有一句,執行WFI等待中斷或者WFE等待事件指令后，STM32進入低功耗模式，就說這兩個指令是最終開啟低功耗模式的觸發條件，配置其他的寄存器都要在這兩個指令之前。
以下是基于配置流程的詳細說明：

執行WFI或WFE指令：這兩個指令是啟動低功耗模式的觸發點。在執行這兩個指令之前，需要配置好相關的寄存器。
判斷sleep deep位：這一位決定了是進入淺睡眠還是深度睡眠模式。
- 如果sleep deep位為0，則進入睡眠模式。
- 如果sleep deep位為1，則進入深度睡眠模式，即停機模式或待機模式。
睡眠模式的細分：在睡眠模式下，SLEEPONEXIT位可以進一步細分模式。
- 當SLEEPONEXIT位為0時，執行WFI或WFE后立即進入睡眠模式。
- 當SLEEPONEXIT位為1時，執行WFI或WFE后會等待當前中斷處理完成后才進入睡眠模式。這種情況適用于中斷處理中還有一些緊急任務需要完成。
深度睡眠模式的判斷：對于深度睡眠模式，需要進一步判斷PDDS位。
- 如果PDDS位為0，則進入停機模式。
- 如果PDDS位為1，則進入待機模式。
停機模式的進一步配置：在停機模式下，LPDS位決定了電壓調節器的工作狀態。
- 如果LPDS位為0，則電壓調節器保持開啟狀態。
- 如果LPDS位為1，則電壓調節器進入低功耗模式，雖然更省電，但喚醒延遲更長。

【手冊/天書講解環節請看VCR】

【system_stm32f10x.c/.h文件講解】

代碼實戰：修改主頻&睡眠模式&停止模式&待機模式

修改主頻

最好不要去中途改主頻，因為那些外設初始化時都是根據SystemCoreClock來的，就運行一次，主頻改完后得重新配置外設初始化那些

睡眠模式+串口發送+接收

main.c

#include "stm32f10x.h"                 // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
#include "LED.h"
uint8_t RxData;
uint8_t Pin_9, Pin_10;
int main(void)
{OLED_Init();Serial_Init();OLED_ShowString(1, 1, "RxData:");while (1){if (Serial_GetRxFlag() == 1){RxData = Serial_GetRxData();Serial_SendByte(RxData);OLED_ShowHexNum(1, 8, RxData, 2);}// 沒有數據要發送但代碼一直執行所以可以采用睡眠模式OLED_ShowString(2, 1, "Running...");Delay_ms(500);OLED_ShowString(2, 1, "         ");Delay_ms(500);__WFI(); // 進入睡眠，中斷喚醒//執行WFI這時CPU會立刻睡眠,程序就停在了WFI指令這里,但是各個外設比如USRT還是工作狀態//等到我們用串口助手發送數據時，USRT外設收到數據產生中斷，喚醒CPU之后程序在暫停的地方繼續運行}
}

停止模式+對射式紅外傳感器計次

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "CountSensor.h"int main(void)
{/*模塊初始化*/OLED_Init();			//OLED初始化CountSensor_Init();		//計數傳感器初始化/*開啟時鐘*/RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);		//開啟PWR的時鐘//停止模式和待機模式一定要記得開啟/*顯示靜態字符串*/OLED_ShowString(1, 1, "Count:");while (1){OLED_ShowNum(1, 7, CountSensor_Get(), 5);			//OLED不斷刷新顯示CountSensor_Get的返回值OLED_ShowString(2, 1, "Running");					//OLED閃爍Running，指示當前主循環正在運行Delay_ms(100);OLED_ShowString(2, 1, "       ");Delay_ms(100);PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_ON, PWR_STOPEntry_WFI);	//STM32進入停止模式，并等待中斷喚醒SystemInit();										    //喚醒后，要重新配置時鐘，重啟HSE配置72M主頻//退出停止模式時，HSI被選為系統時鐘，也就是在我們首次復位后，SystemInit函數里配置的是HSE*9倍頻的72M主頻//所以復位后第一次Running閃爍很快，而之后進入停止模式，再退出時默認時鐘就變成HSI了，HSI是8M，所以喚醒之后的程序運行就會明顯變慢}
}

待機模式+實時時鐘

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MyRTC.h"int main(void)
{/*模塊初始化*/OLED_Init();		//OLED初始化MyRTC_Init();		//RTC初始化/*開啟時鐘*/RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);		//開啟PWR的時鐘//停止模式和待機模式一定要記得開啟，雖然MyRTC_Init里開啟了，多次開啟無所謂，防止其他沒調用MyRTC_Init的場景   但時鐘沒開啟外設就不會工作/*顯示靜態字符串*/OLED_ShowString(1, 1, "CNT :");//秒計數器OLED_ShowString(2, 1, "ALR :");//鬧鐘值OLED_ShowString(3, 1, "ALRF:");//鬧鐘標志位/*使能WKUP引腳*/PWR_WakeUpPinCmd(ENABLE);						//使能位于PA0的WKUP引腳，WKUP引腳上升沿喚醒待機模式//手冊里PWR_CSR的寄存器描述,這里寫了使能wake up引腳后,wake up引腳被強制為輸入下拉的配置,所以不用再GPIO初始化了/*設定鬧鐘*/uint32_t Alarm = RTC_GetCounter() + 10;			//鬧鐘為喚醒后當前時間的后10sRTC_SetAlarm(Alarm);							//寫入鬧鐘值到RTC的ALR寄存器 這個寄存器只寫不可讀，所以使用變量Alarm顯示到OLED上OLED_ShowNum(2, 6, Alarm, 10);					//顯示鬧鐘值while (1){OLED_ShowNum(1, 6, RTC_GetCounter(), 10);	//顯示32位的秒計數器OLED_ShowNum(3, 6, RTC_GetFlagStatus(RTC_FLAG_ALR), 1);		//顯示鬧鐘標志位OLED_ShowString(4, 1, "Running");			//OLED閃爍Running，指示當前主循環正在運行Delay_ms(100);OLED_ShowString(4, 1, "       ");Delay_ms(100);OLED_ShowString(4, 9, "STANDBY");			//OLED閃爍STANDBY，指示即將進入待機模式Delay_ms(1000);OLED_ShowString(4, 9, "       ");Delay_ms(100);OLED_Clear();								//OLED清屏，模擬關閉外部所有的耗電設備，以達到極度省電PWR_EnterSTANDBYMode();						//STM32進入停止模式，并等待指定的喚醒事件（WKUP上升沿或RTC鬧鐘）/*待機模式喚醒后，程序會重頭開始運行*///待機模式之后的代碼執行不到，下次繼續從頭開始 在程序剛開始的時候自動調用SystemInit初始化時鐘，所以待機模式我們就不用像停止模式那樣，自己調用SystemInit了//并且這個while循環，實際上也只有執行一遍的機會，把這個while循環去掉也是可以的}
}