功耗测评 | STM32F103C8T6

2023-03-15 12:28:09

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STM32F103C8T6 MCU越来越广泛的应用在生产生活的各个领域,外接丰富的传感器、功能模块、通信模块、显示存储等可以形成各种可样的产品项目应用。对于功耗要求比较高的产品,一般会选择STM32L系列的MCU,但是从功耗的评测角度,逻辑上是基本相似的。
在很多应用场合中都对电子设备的功耗要求非常苛刻,如某些传感器信息采集设备,仅靠小型的电池提供电源,要求工作长达数年之久,且期间不需要任何维护。由于智能穿戴设备的小型化要求,电池体积不能太大导致容量也比较小,所以也很有必要从控制功耗入手,提高设备的续航时间。其实,只要是涉及到便携式的产品,都免不了要使用电池作为电源,否则,如果还是需要接一个插头使用市电来供电的话,那就无法称之为便携式了,比如手机、运动手环、蓝牙耳机、智能手表等都是类似的。所以控制功耗和提高产品的续航时间就显得尤为重要。
目前针对STM32F103C8T6等系列单片机而言,比较常用的低功耗模式是停止模式和待机模式。
当使用待机模式时,在实际应用中,通常会有一个开关机的按键(PA0),如果用户按下按键的话,就会开机或者关机,开机对应的就是唤醒,而关机对应的就是待机(类似于手机的开关机按键)。在此过程中,电池会一直给单片机的3.3V电源供电,也就是说,单片机一直都是有电的,但是它的所有外设以及时钟都处于关闭状态,之所以还要给单片机供电,只是为了在用户按下按键时检测PA0的上升沿而已,如果不给单片机供电的话,那么还怎么检测呢?检测不了。
当使用停止模式时,我们先看一个问题:理论上待机模式的功耗远比停止模式要低,为什么还要选择停止模式呢?通常是这样的,一个便携式的系统,除了考虑按键开关机外,还需要考虑给电池充电的时候往往需要显示一些充电的信息(现在的手机充电就是这样的),如果是在开机状态下充电的话完全没有问题。但是,如果是在关机状态下充电呢?肯定就需要单片机能够自己唤醒自己(不需要用户按下PA0),然后才有可能显示充电的信息(比如手机关机状态下接通电源后,可以自动显示充电的动画)。
是否可以实现不按下PA0就实现唤醒功能吗?当然可以,只需要在硬件上做一些改动即可。
比如,将充电口的电压降压后跟PA0相连,这样只要充电口在充电,PA0必定会出现一个从低到高的脉冲,这样就可以唤醒了。但这种情况下,软件层面上又不好区分PA0的上升沿是由于充电造成的,还是由于用户按下按键造成的。所以,这个时候就需要考虑选择停止模式了,开关机按键接到一个引脚,充电口接到另外一个引脚,两个引脚都配置为外部中断,两个引脚也都可以唤醒单片机,分开了不同的信号电平,这样子,在软件上就可以很容易地判断。
实际上也有另一种改进方式,就是在硬件上实现一个脉冲电路,可以用一个简单的RC延时电路,就是说充电口的电平再经过一个RC电路以后,出来的就不会一直是高电平,而只是一个脉冲了,再把这个脉冲信号接到PA0引脚,这个时候插入充电口和按下PA0就都会在PA0上出现一个脉冲了。软件上,可以利用长按开机,再长按关机的机制来进行判别,如果PA0仅仅只是出现一个上升沿并且检测到充电芯片正在充电,此时就是充电口插入了,唤醒单片机且显示充电效果即可。
 
工作模式
我们先了解一下STM32F103C8T6单片机的几种工作模式。按功耗从高到低排列,STM32F103C8T6具有运行(Run)、睡眠(Sleep)、停止(Stop)和待机(Standby)四种工作模式。在这四种模式下,后面三种是当STM32F103C8T6的内核不在需要运行时,可以选择的几种模式,当单片机在工作时,则是运行模式。
 
运行模式
这里我们不多说运行模式,因为当STM32F103C8T6在上电复位后,即处于了运行模式,这种情况下,单片机自动运行程序。只由当我们不需要内核也就是所谓的Cortex-M3继续运行时,我们就可以选择让芯片进入睡眠、停止和待机这三种模式,来让芯片降低功耗。功耗的降低会减少芯片的发热以及能够保证可靠性增加。
 
 
 
睡眠模式
当STM32F103C8T6在运行过程中,内核也就是所谓的Cortex-M3遇到WFE(等待中断)或者WFI(等待事件)指令时会停止内部时钟,停止程序执行。尽管Cortex-M3停止工作,但是其外设仍在继续工作,直到某个外设产生事件或者中断时,内核将会被唤醒,退出睡眠模式。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,Cortex-M3核心的外设全都还照常运行,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。基本上无唤醒延迟。

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这里补充说明一件事:Cortex-M3是一个32位的内核,在传统的单片机领域中,有一些不同于通用32位CPU应用的要求。在工控领域,用户要求具有更快的中断速度,Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术,完全基于硬件进行中断处理,最多可减少12个时钟周期数,在实际应用中可减少70%中断。
 
停机模式
若用户将Cortex-M3处理器的电源控制寄存器(Cortex Power Control Register,Cortex_PCR)中的SLEEPDEEP位置位,然后将STM32F103C8T6电源控制寄存器(STM32 Power Control Register.STM32 PCR)中的PDDS(Power Down Deep Sleep)位清除,就完成了STM32F103C8T6停机模式的设置。
当停机模式设置完毕后,CPU一旦遇到WFI或WFE指令就会停止工作,HSI和HSE也进人关闭状态。但Flash和SRAM将会继续保持电源供应,所以此时STM32F103C8T6的所有工作状态仍然是保留着的。和睡眠模式一样,停机模式也可以通过外设中断唤醒,然面在停机模式下,除了外部中断控制单元,所有设备的时钟都被禁止了,只能通过在GPIO引脚上产生电平边沿触发外部中断的方式来将STM32从停机状态下唤醒。
需要注意的是,外部中断通道除了与GPIO连接,还和RTC时钟的报警事件连接,加之RTC的计数时钟并非来源于STM32F103C8T6的设备总线(而是直接来自于LSI或LSE),因此还可以使用RTC模块实现定时将STM32F103C8T6从停机状态中唤醒。
在停止模式中,相对于休眠模式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。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。停止模式唤醒后,STM32F103C8T6会使用 HSI(HSI为8M)作为系统时钟。所以,有必要在唤醒以后,在程序上重新配置系统时钟,将时钟切换回HSE。唤醒延迟基本上是 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。

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顺便提一下,HSI振荡器与HSE的区别就在于一个是内部的时钟源,一个是外部的时钟源。HSI 时钟信号由内部16 MHz RC 振荡器生成,可直接用作系统时钟,或者用作PLL 输入。HSI RC 振荡器的优点是成本较低(无需使用外部组件)。此外,其启动速度也要比HSE 晶振块,但即使校准后,其精度也不及外部晶振或陶瓷谐振器。
 
待机模式
若将STM32F103C8T6电源控制寄存器中的SLEEP位进行置位,再将STM32_PCR中的PDDS位进行置位,这样,单片机则进入待机模式。
若要唤醒待机模式,有多种方式进行唤醒,分别位:RTC的闹钟事件、NRST的外部引脚复位、独立看门狗(IWDG)所产生的复位信号,以及PA0引脚上所产生的一个上升沿,但是若要是要该引脚所产生的上升沿来唤醒单片机,则必须事先设置为唤醒引脚功能。待机模式是STM32F103C8T6的最低功耗模式。当进入待机模式后,所有的SRAM数据、Cortex-M3处理器的寄存器和STM32F103C8T6的寄存器内容都将会被清零,效果等同于硬件复位。

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功耗测评
首先,为了保持评测的准确性,我们先用一个电阻负载来验证一下设备测试精度,电阻是0.1%精度的100K电阻,所以电阻的阻值误差我们先可以忽略。
打开功耗分析仪电源mPower1203测试设备,设置3.3V输出。可以看到,在配套的E-sight工具上显示了流过电阻的电流值。理论上是33uA,我们实测的值和理论值相差几十个nA,所以基本上设备的电流精度可以达到千分之一以内的精度。

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   现在开始评测STM32F103C8T6单片机的几种模式下的休眠功耗。
 
睡眠模式
我们从STM32F103C8T6单片机的规格书中,可以看到使用外部时钟,在主频为72MHz和48MHz,所有外设都关闭的情况下,功耗典型值约为5.5mA和3.9mA,我们围绕这两个值进行测试评估。

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经测试和波形分析:
图1:主频为72MHz@关闭所有外设,睡眠功耗为5.889mA;

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图2:主频为48MHz@关闭所有外设,睡眠功耗为4.175mA;

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测试数据基本符合规格书中的典型值数据。从这个数据中我们可以了解到,当一个产品需要进行优化功耗时,在某些场合下,可以通过降低主频的方式来得到目标功耗。
 
停机模式
从STM32F103C8T6单片机的规格书中,可以看到,供电输出3.3V,停机模式下有两种情况。一种是调压器处于运行模式,对应的功耗典型值为24uA;另一种是调压器处于低功耗模式,对应的功耗典型值为14uA。我们围绕这两个值进行测试评估。

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经测试和波形分析:
图3:调压器处于运行模式,停机功耗为23.042uA;

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图4:调压器处于低功耗模式,停机功耗为12.857uA;

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测试数据基本符合规格书中的典型值数据。在配置STM32F103C8T6单片机进入停机模式时,特别需要注意一点,就是外部接8M晶振的管脚需要配置成普通GPIO,且也需要配置成模拟输入的方式。
 
待机模式
从STM32F103C8T6单片机的规格书中,可以看到,供电输出3.3V,待机模式下有三种情况。这三种情况分别对应的功耗的典型值约为3.4uA、3.2uA以及2uA。我们围绕这三个值进行测试评估。

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经测试和波形分析:
图5:内部RC和独立看门狗均开启状态,待机功耗为2.912uA;

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图6:内部RC开启,独立看门狗关闭状态,待机功耗为2.702uA;

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图7:内部RC和独立看门狗均关闭状态,且低速振荡器和RTC均关闭,待机功耗为1.62uA;

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测试数据基本符合规格书中的典型值数据。
最后,需要提一下,在我们进行功耗评测的时候,在和规格书进行对比时,需要了解典型值的含义。一般情况下,规格书上的值都是相对比较保守的,而且典型值是表示正态分布中一个1σ的值,也就是说68.27%的概率是落在典型值左右。换句话说,一个100个测试样本,68.27个样本的测试数据是满足典型值的。
 
 
mPower1203是一款稳压直流电源用于低功耗分析,有着Ksight N6705的精度,却比Power monitor更小巧便携。电脑端使用配套的E-sight工具可以实时分析波形,具有电源供电和电流表双模式。
支持linux和windows系统二次开发API接口(提供C#,python,VB,C++等例程),方便工厂和测试环境集成到现有的工具和设备中进行自动化测试。

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数据下载链接:
链接:https://pan.baidu.com/s/1NZhOT ... Ds889 
提取码:s889
 
Esight工具下载链接:
https://pan.baidu.com/s/1FXn4T ... Ditep 
提取码:itep