nRF Connect SDK system off模式介紹

目錄

概述

1.? 軟硬件環境

1.1 軟件開發環境

1.2 硬件環境?

2 System Off 模式

2.1 模式介紹

2.2?注意事項

3 功能實現

3.1 框架結構介紹

3.2 代碼介紹

4 功能驗證

4.1 編譯和下載代碼

4.2 測試

4.3 使能CONFIG_APP_USE_RETAINED_MEM的測試

5 main.c的源代碼文件

參考文獻

概述

System Off 模式是 Nordic nRF 系列芯片最省電的工作模式，在 nRF Connect SDK 中通過 Zephyr RTOS 的電源管理框架提供完善支持。本文通過一個demo介紹system off功能的用法及其相關函數的功能。

1.? 軟硬件環境

1.1 軟件開發環境

nordic提供了基于zephyr平臺sdk, 其提供了大量的demo可供開發者參考和使用，同時nordi還提供一個集成的軟件庫工具，方便開發者安裝相應的SDK和編譯工具鏈。集成環境同時包含了其他的一些軟件，非常便于進行項目開發。

軟件工具功能版本信息
nRF Connect SDK?nordic提供基于zephyr的代碼庫v2.9.0?
nRF Connect SDK Toolchain代碼編譯工具v2.9.1
VS-CODE集成開發環境v1.99.3?
nRF Connect for Desktopnordic集成工具鏈v5.1.0
nRF Connect手機App

手機App下載地址：

https://nav.nordicsemi.com/search?query=nRF%20Connect

搭建編譯環境的注意點

安裝工具時，在D:\ncs\v2.9.0目錄下執行如下語句，安裝與編譯器相關的工具鏈

pip3 install --user -r scripts/requirements.txt

運行該語句后，安裝信息如下：

1.2 硬件環境?

本案例是在nRF52832開發板（nRF52-DK）上實現的，該開發板nRF52832的主要特點如下：

1）板載j-link調試接口

2）引出所有 IO接口，用戶可根據實際應用，外載其他設備

3）支持4個LED

4）支持4路Key接口

5）板載UART調試接口，方便打印調試信息

2 System Off 模式

2.1 模式介紹

System Off 是 Nordic nRF 系列芯片的一種深度節能模式，在 nRF Connect SDK (基于 Zephyr RTOS) 中有完整的支持。這種模式可以最大限度地降低功耗，適用于電池供電設備。

System Off 模式特性

  • 超低功耗：僅保持 RAM 保持電源 (約 0.7μA @ 3V)

  • 喚醒源：特定 GPIO、LPCOMP、NFC、RTC 等。注意： nRF52832不支持RTC喚醒模式

  • 數據保留：可選擇保留部分或全部 RAM 內容

  • 系統狀態：CPU 和外設完全停止

1）電源特性

  • 功耗表現：0.7μA @ 3V (RAM 保持)

  • 電壓范圍：1.7V - 3.6V

  • 喚醒時間：~100μs 從 OFF 到 RUN

2） 狀態對比

模式電流消耗喚醒源RAM保持執行恢復
RUN~4mA任意保持繼續執行
IDLE~1.5mA任意保持繼續執行
System Off~0.7μA有限可選復位重啟

2.2?注意事項

  1. 調試限制：在 System Off 模式下，調試器連接會斷開

  2. 外設狀態：進入 System Off 前應正確關閉所有外設

  3. 電流測量：使用高精度電流表測量實際功耗

  4. 喚醒延遲：從 System Off 喚醒會有約 100μs 的啟動延遲

  5. GPIO 狀態：配置為喚醒源的 GPIO 必須保持有效電平

3 功能實現

3.1 框架結構介紹

軟件使用VS-CODE開發工具搭建，底層使用zephry平臺，其實現功能主要如下：

1）系統上電運行一段時間后，通過調用system off進入到低功耗模式

2）使用按button-1觸發系統重新運行

3）retained組件管理進入睡眠后的參數

3.2 代碼介紹

?1）prj.conf

代碼第1行： 使能PM管理模式

代碼第2行：使能IO工具庫

代碼第3行：使能CRC工具庫

代碼第4行：使能POWEROFF工具庫

2）main.c文件

代碼12~17行： 引入zephyr提供的代碼庫

代碼23行： 使用按鍵，其用于喚醒MCU

代碼第29行：獲取控制云臺串口端口信息

代碼第31行：check device初始化是否完成?

代碼第63行： 配置和按鍵相連的端口為輸入口?

代碼第69行：配置該端口為輸入中斷模式

代碼第78行：? 掛起控制臺設備

注釋：

pm_device_action_run?的功能介紹

pm_device_action_run?是 Zephyr RTOS (以及基于它的 nRF Connect SDK) 中電源管理子系統的一個重要函數，用于對設備執行特定的電源管理操作。

1）函數原型

int pm_device_action_run(const struct device *dev, enum pm_device_action action);

2）參數說明

  • dev: 指向目標設備的指針，可使用?DEVICE_DT_GET?宏獲取

  • action: 要執行的電源管理操作，有以下幾種可能值：

    • PM_DEVICE_ACTION_SUSPEND: 掛起設備

    • PM_DEVICE_ACTION_RESUME: 恢復設備

    • PM_DEVICE_ACTION_TURN_ON: 打開設備

    • PM_DEVICE_ACTION_TURN_OFF: 關閉設備

    • PM_DEVICE_ACTION_LOW_POWER: 進入低功耗模式

    • PM_DEVICE_ACTION_FORCE_SUSPEND: 強制掛起

3）返回值

  • 0: 操作成功

  • 負數: 錯誤代碼 (如 -ENOTSUP 表示設備不支持該操作)

4）??函數的用法

- 1） 基本用法

const struct device *sensor_dev = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(bme280));// 關閉傳感器
pm_device_action_run(sensor_dev, PM_DEVICE_ACTION_TURN_OFF);// 需要時重新打開
pm_device_action_run(sensor_dev, PM_DEVICE_ACTION_TURN_ON);

- 2）批量管理多個設備

const struct device *devices[] = {DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(uart0)),DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(i2c0)),DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(spi1)),
};void suspend_all_devices(void)
{for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE(devices); i++) {pm_device_action_run(devices[i], PM_DEVICE_ACTION_SUSPEND);}
}

- 3）?與電源狀態結合使用

#include <pm/pm.h>void enter_low_power_mode(void)
{// 首先掛起所有設備suspend_all_devices();// 然后進入系統低功耗狀態pm_power_state_force(0, (struct pm_state_info){.state = PM_STATE_SUSPEND_TO_RAM,.substate_id = 0,.info = PM_STATE_INFO_DT_ITEMS_LIST(DT_NODELABEL(power_states))});
}

- 4)?傳感器周期性采樣

void sample_sensor_periodically(void)
{const struct device *sensor = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(bme280));while (1) {// 喚醒傳感器pm_device_action_run(sensor, PM_DEVICE_ACTION_TURN_ON);k_msleep(10); // 等待穩定// 采樣sensor_sample_fetch(sensor);// 完成后再關閉pm_device_action_run(sensor, PM_DEVICE_ACTION_TURN_OFF);k_sleep(K_MINUTES(5)); // 5分鐘后再采樣}
}

- 5)?電池供電設備

void manage_battery_life(void)
{const struct device *display = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(ssd1306));// 用戶不活動時if (inactive_time > INACTIVITY_THRESHOLD) {// 關閉顯示屏pm_device_action_run(display, PM_DEVICE_ACTION_TURN_OFF);// 掛起非必要外設pm_device_action_run(DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(i2c1)), PM_DEVICE_ACTION_SUSPEND);}
}

4 功能驗證

4.1 編譯和下載代碼

編譯配置項如下：

編譯結果如下：

?下載代碼至板卡中：

4.2 測試

下載代碼到板卡中之后，可以看見如下log：

?提示信息顯示，按鍵sw0可以重新喚醒MCU，按鍵swo后，

4.3 使能CONFIG_APP_USE_RETAINED_MEM的測試

1）編譯后重新下載代碼至板卡，運行結果如下：

2）按下SW0后的log

5 main.c的源代碼文件

/** Copyright (c) 2019 Nordic Semiconductor ASA** SPDX-License-Identifier: Apache-2.0*/#include "retained.h"#include <inttypes.h>
#include <stdio.h>#include <zephyr/device.h>
#include <zephyr/drivers/gpio.h>
#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/pm/device.h>
#include <zephyr/sys/poweroff.h>
#include <zephyr/sys/util.h>#if IS_ENABLED(CONFIG_GRTC_WAKEUP_ENABLE)
#include <zephyr/drivers/timer/nrf_grtc_timer.h>
#define DEEP_SLEEP_TIME_S 2
#else
static const struct gpio_dt_spec sw0 = GPIO_DT_SPEC_GET(DT_ALIAS(sw0), gpios);
#endifint main(void)
{int rc;const struct device *const cons = DEVICE_DT_GET(DT_CHOSEN(zephyr_console));if (!device_is_ready(cons)) {printf("%s: device not ready.\n", cons->name);return 0;}printf("\n%s system off demo\n", CONFIG_BOARD);if (IS_ENABLED(CONFIG_APP_USE_RETAINED_MEM)) {bool retained_ok = retained_validate();/* Increment for this boot attempt and update. */retained.boots += 1;retained_update();printf("Retained data: %s\n", retained_ok ? "valid" : "INVALID");printf("Boot count: %u\n", retained.boots);printf("Off count: %u\n", retained.off_count);printf("Active Ticks: %" PRIu64 "\n", retained.uptime_sum);} else {printf("Retained data not supported\n");}#if IS_ENABLED(CONFIG_GRTC_WAKEUP_ENABLE)int err = z_nrf_grtc_wakeup_prepare(DEEP_SLEEP_TIME_S * USEC_PER_SEC);if (err < 0) {printk("Unable to prepare GRTC as a wake up source (err = %d).\n", err);} else {printk("Entering system off; wait %u seconds to restart\n", DEEP_SLEEP_TIME_S);}
#else/* configure sw0 as input, interrupt as level active to allow wake-up */rc = gpio_pin_configure_dt(&sw0, GPIO_INPUT);if (rc < 0) {printf("Could not configure sw0 GPIO (%d)\n", rc);return 0;}rc = gpio_pin_interrupt_configure_dt(&sw0, GPIO_INT_LEVEL_ACTIVE);if (rc < 0) {printf("Could not configure sw0 GPIO interrupt (%d)\n", rc);return 0;}printf("Entering system off; press sw0 to restart\n");
#endifrc = pm_device_action_run(cons, PM_DEVICE_ACTION_SUSPEND);if (rc < 0) {printf("Could not suspend console (%d)\n", rc);return 0;}if (IS_ENABLED(CONFIG_APP_USE_RETAINED_MEM)) {/* Update the retained state */retained.off_count += 1;retained_update();}sys_poweroff();return 0;
}

參考文獻

D:\ncs\v2.9.0\zephyr\samples\boards\nordic\system_off

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