RTT潘多拉开发板上实现电源管理-编程知识

简介

随着物联网(IoT)的兴起，产品对功耗的需求越来越强烈。作为数据采集的传感器节点通常需要在电池供电时长期工作，而作为联网的SOC也需要有快速的响应功能和较低的功耗。

在产品开发的起始阶段，首先考虑是尽快完成产品的功能开发。在产品功能逐步完善之后，就需要加入电源管理功能。为了适应IoT的这种需求，RT-Thread提供了电源管理框架。电源管理框架的理念是尽量透明，使得产品加入低功耗功能更加轻松。

本文的示例都是在潘多拉开发板下运行。
潘多拉开发板是RTT和正点原子联合推出的硬件平台，该平台上专门为IoT领域设计，并提供了丰富的例程和文档。

MCU通常提供了多种时钟源供用户选择。
例如潘多拉开发板上板载的STM32L475就可以选择LSI/MSI/HSI等内部时钟，还可以选择HSE/LSE等外部时钟。
MCU内通常也集成了PLL（Phase-lock loops），基于不同的时钟源，向MCU的其它模块提供更高频率的时钟。

为了支持低功耗功能，MCU里也会提供不同的休眠模式。
例如STM32L475里，可以分成SLEEP模式、STOP模式、STANDBY模式。

定时应用

在定时应用里，我们创建了一个周期性的软件定时器，定时器任务里周期性输出当前的OS Tick。
如果创建软件定时器成功之后，使用rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_DEEP)请求深度睡眠模式。

按键唤醒应用

在按键唤醒应用里，我们使用wakeup按键来唤醒处于休眠模式的MCU。
一般情况下，在MCU处于比较深度的休眠模式，只能通过特定的方式唤醒。

#include <board.h>
#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>#ifdef RT_USING_PM#define WAKEUP_EVENT_BUTTON                 (1 << 0)
#define PIN_LED_R                           GET_PIN(E, 7)
#define WAKEUP_PIN                          GET_PIN(C, 13)
#define WAKEUP_APP_THREAD_STACK_SIZE        1024static rt_event_t wakeup_event;static void wakeup_callback(void *args)
{rt_event_send(wakeup_event, WAKEUP_EVENT_BUTTON);
}static void wakeup_init(void)
{rt_pin_mode(WAKEUP_PIN, PIN_MODE_INPUT_PULLUP);rt_pin_attach_irq(WAKEUP_PIN, PIN_IRQ_MODE_FALLING, wakeup_callback, RT_NULL);rt_pin_irq_enable(WAKEUP_PIN, 1);
}static void wakeup_app_entry(void *parameter)
{wakeup_init();rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_DEEP);while (1){if (rt_event_recv(wakeup_event,WAKEUP_EVENT_BUTTON,RT_EVENT_FLAG_AND | RT_EVENT_FLAG_CLEAR,RT_WAITING_FOREVER, RT_NULL) == RT_EOK){rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_NONE);rt_pin_mode(PIN_LED_R, PIN_MODE_OUTPUT);rt_pin_write(PIN_LED_R, 0);rt_thread_delay(rt_tick_from_millisecond(500));rt_pin_write(PIN_LED_R, 1);rt_pm_release(PM_SLEEP_MODE_NONE);}}
}static int wakeup_app(void)
{rt_thread_t tid;wakeup_event = rt_event_create("wakup", RT_IPC_FLAG_PRIO);RT_ASSERT(wakeup_event != RT_NULL);tid = rt_thread_create("wakeup_app", wakeup_app_entry, RT_NULL,WAKEUP_APP_THREAD_STACK_SIZE, RT_MAIN_THREAD_PRIORITY, 20);RT_ASSERT(tid != RT_NULL);rt_thread_startup(tid);return 0;
}
INIT_APP_EXPORT(wakeup_app);#endif

线程里注册了按键中断回调函数，接着请求深度睡眠模式，当唤醒中断之后就会触发回调。回调函数里会发送时间。
线程在接收事件之后，完成LED闪烁功能后，再去释放None。

STM32L4的低功耗模式简介

STM32L476是ST公司推出的一款超低功耗的Cortex-M4内核的MCU，支持多个电源管理模式，其中最低功耗shutdown模式下，待机电流仅30nA。

ST公司把L476的电源管理分为很多种，但各个模式并非功耗逐级递减的特点，下面是各个模式之间的状态转换图：
在这里插入图片描述
仅管L476的低功耗模式很多，但本质上并不复杂，理解它的原理有助于我们移植驱动，同时更好的在产品中选择合适的模式。

最终决定STM32L476系统功耗的主要是三个因素：稳压器（voltage regulator）、CPU工作频率、芯片自身低功耗的处理，下面分别对三个因素进行阐述。

稳压器

L4使用两个嵌入式线性稳压器为所有数字电路、待机电路以及备份时钟域供电，分别是主稳压器（main regulator，MR）和低功耗稳压器（low power regulator，简称LPR）。

稳压器在复位后处于使能状态，根据应用模式，选择不同的稳压器对Vcore域供电。
其中，MR的输出电压可以由软件配置为不同的范围（Range1 和 Range2）。

在这里插入图片描述

CPU工作频率

通过降低CPU的主频达到降低功耗的目的：MR工作中Range1正常模式时，SYSCLK最高可以工作在80M；MR工作在Range 2时，SYSCLK最高不能超过26M。
低功耗运行模式和低功耗休眠模式，即Vcore域由LPR供电，SYSCLK必须小于2M。

芯片本身的低功耗处理

芯片本身定义了一系列的休眠模式，如Sleep、Stop、Standby和Shutdown，前面的四种模式功耗逐渐降低，实质是芯片内部通过关闭外设和时钟来实现。

移植具体实现

RTT低功耗管理系统从设计上分离运行模式和休眠模式，独立管理，运行模式用于变频和变电压，休眠调用芯片的休眠特性。
对于多数芯片和开发来说，可能并不需要考虑变频和变电压，仅需关注休眠模式。

STM32 L4系列的芯片有运行模式和低功耗运行模式的概念，同时MR还有Range 2模式，可用于变频场景。

PM组件的底层功能都是通过struct rt_pm_ops结构体里的函数完成：

/*** low power mode operations*/
struct rt_pm_ops
{void (*sleep)(struct rt_pm *pm, uint8_t mode);void (*run)(struct rt_pm *pm, uint8_t mode);void (*timer_start)(struct rt_pm *pm, rt_uint32_t timeout);void (*timer_stop)(struct rt_pm *pm);rt_tick_t (*timer_get_tick)(struct rt_pm *pm);
};

移植休眠模式

移植休眠模式仅需关注sleep接口，根据PM用户手册相关介绍，首先将RTT的休眠模式和STM32的模式做一个转换：

NONE——Run：正常运行模式，不进行任何降功耗的措施
IDLE——Run：正常运行模式，可选择WFI（等待中断唤醒）和WFE（等待事件唤醒），此处暂不处理
LIGHT——Sleep：轻度睡眠模式，执行ST的Sleep模式
PM_SLEEP_MODE_DEEP——Stop2：深度睡眠模式，执行ST的Stop2模式
STANDBY——Standby：待机模式，执行ST的Standby模式
SHUTDOWN——Shutdown：停止模式，执行ST的Shutdown模式

#include <board.h>
#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>static void sleep(struct rt_pm *pm,uint8_t mode)
{}