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MCU低功耗设计（二）实践

关键词：

MCU低功耗, STM8L低功耗, 节能实践, IAR开发环境, 电流表测功耗

引言：

用电池供电的产品来说能耗是一个重大的问题，一旦电能耗尽设备将“罢工”。在《MCU低功耗设计（一）理论》中，我们介绍了节能的原理，本文用万用表和MCU电路板，真刀真枪地测试功耗值。简单，但绝对真实的测试数据，看看官方宣称低功耗与实测结果有多大差距，Let’s go!

说明：

博客的书写工具对于图片的编辑支持力度不够，喜欢本博文的读者可以从以下连接下载PDF版本的博文，那将是一个更好的排版文档。

一．    搭建测试环境

1.   硬件平台：

选用“长沙市锐米通信科技有限公司(www.rimelink.com)”的无线通信模块iWL881A（下图左），考虑只测试MCU能耗，特地将无线电射频模块去除（下图右），MCU为ST公司超低功耗STM8L151C8T6。

2.   软件平台：

开发平台选用IAR集成开发环境，它的具体型号如右图：

3.   测试工具：

超高精度测低功耗，需要电池模拟器，那玩意可是RMB二十多万一台；老外（如Contiki之父Adam Dunkels）经常接100欧姆电阻，用示波器算积分，比较繁杂；我们使用最简单的办法，串联电流表，不要小看它，测量到uA的精度是可行的。测试环境搭建如下图所示

二．    低功耗模式下功耗测试

测试MCU低功耗比较科学的办法是，采用加法原则，即，首先测试最低工作状态下功耗，然后累加外设或I/O引脚，一步一步测试使能部件的功耗值。

为更好地测试STM8L151C8的功耗，我们写了一个C语言测试软件，它把MCU的5种低功耗运行模式都包括在内。当测试对应的运行模式时，只需要修改宏定义：#define MCU_MODE  MODE_xxxxxx。

读者可以从以下链接直接下载该测试代码：

http://download.csdn.net/detail/jiangjunjie_2005/8959145

以下链接下载本博文的姊妹篇：《MCU低功耗设计（一）理论》

http://download.csdn.net/detail/jiangjunjie_2005/8957767

1.   Halt功耗

将测试代码宏定义设置为：

#define MCU_MODE  MODE_HALT

编译并烧录到MCU中，并电流表调整到2mA量程。可以看到，HALT模式下，功耗为0.4uA。

ST公司产品手册：Halt（400 nA）

看来，有信仰的民族（西欧基本都是基督教徒）更容易说真话呀！

2.   Active-Halt功耗

将测试代码宏定义设置为：#defineMCU_MODE  MODE_ACTIVE_HALT，编译并烧录到MCU中，电流表仍为2mA量程。可以看到，Active-Halt模式下，功耗为1.0uA和2.2uA，为什么会有2个值呢？

如果您看过本系列的第一篇博文《MCU低功耗设计（一）理论》，那就知道，较低的功耗（1.0uA）是Halt状态，而较高的功耗（2.2uA）是唤醒状态。为什么同样是停止，Active-Halt（1.0uA）比Halt（0.4uA）功耗要高呢？答案是，前者有一个38kHz的内部RC晶振在运行，它给RTC提供时钟源，它也需要电能哦！

ST公司产品手册：Active-halt with full RTC（1.4 uA）

如果我们把1.0uA和2.2uA简单地取个平均，那将是1.6uA，和官方数据还是接近吧。当然，要更精确测量，需要拿示波器记录唤醒时间的占空比，这个工作留给更严谨的后续者来完成吧（记得给读者发博文，科技报国，需要身体力行！）。

3.   LowPowerWait功耗

将测试代码宏定义设置为：

#define MCU_MODE

MODE_LOW_POWER_WAIT，

可以看到功耗为：2.7uA。

ST公司产品手册：Low power wait（3 uA）

那个0.3uA可以算测试误差否？欢迎讨论。

4.   LowPowerRun功耗

将宏定义设置为：

#define MCU_MODE

MODE_LOW_POWER_RUN

该模式下功耗为：4.6uA。

ST公司产品手册：Low power run（5.9 uA）.

实测功耗比官方宣称功耗还低1.3uA。

我们一起看看该模式下MCU的工作原理。

①进入“Low power run”模式的代码序列：

l 跳转到RAM；

l 切换系统时钟到LSI或LSE；

l 关闭高速晶振、ADC和没有使用的外设；

l 屏蔽所有中断；

l 关闭FLASH和EEPROM；（添加软件延时，确保关闭成功）

l 配置低功耗电压调节器。

②退出“Low power run”模式的代码序列：

l 打开主电压调节器；

l 打开FLASH和EEPROM；

l 使能所有中断；

l 打开需要使用的外设，如有必要跳转到FLASH和EEPROM。

特别注意的是，Lowpower run模式下，MCU是从RAM（不是ROM）取指令解析执行，因为需要将该代码段定位到RAM中。在IAR环境下，将代码段定位于RAM，需要在函数前加关键字“__ramfunc”。实例函数申明如下：

__ramfunc void LPR_Ram(void)

5.   Wait功耗

看过第一篇博文《MCU低功耗设计（一）理论》的读者会了解到，Wait模式下仅CPU暂停运行，这样一来晶振可以是HSI（内部高速）或LSI（内部低速）。我们先测试HIS模式下功耗，设置模式：#define MCU_MODE  MODE_WAIT，设置时钟：#define IS_ENABLE_LSI  0。实测功耗为：687uA，下图右所示。

再测试LIS模式下功耗，设置模式：#define MCU_MODE  MODE_WAIT，设置时钟：#define IS_ENABLE_LSI  1，实测功耗为：82uA，下图左所示。

ST公司产品手册：Wait, Low power run（5.9 uA）

为什么会有如此大的差距，这个答案肯怕得ST公司的技术人员来回答了！

6.   Run功耗

当MCU以HSI（16MHz）高速运行时，它的功耗如下图左所示：5.3mA（实测时小数点后2和3位在跳动）。

ST公司产品手册：Consumption: 200 uA/MHz + 330 uA.

按上述公式计算，理论功耗应该是3.5mA，与实测值5.3mA有较大差别，很想ST公司的技术人员来解答下。

当MCU以LSI（38kHz）低速运行时，它的功耗如下图右所示：95.6uA。按官方宣称Static能耗330uA，相差也不小。

我们一起总结下上述运行模式下功耗和使能部件。

三．I/O引脚与外设功耗测试

外设需要HSI（高速外部晶振）或LSI（低速晶振）提供时钟源，因此测试外设一般工作在Wait模式下：此时CPU停止运行，将外设开启的测量功耗值减去关闭时的测量功耗值，即可得该外设的运行功耗值。

外设数目比较多，我们测试一些常用的外设功耗如下：

I/O引脚属于模拟器件，往往它的功耗更高，如在上述测试电路有一Pin5（PA4），它连接到LED上。使能与禁止该LED引脚后，测得电流为320uA。

一般而言，I/O引脚需要连接到一个确定的逻辑电平。对于所有没有连接到确定逻辑信号的I/O引脚需要改变配置，否则，外部噪声会导致功耗增加，如引脚内部的施密特触发器检测噪声的翻转而消耗能量：输入引脚配置成上拉；输出引脚配置低（或高）的逻辑电平。

相关文章：

《MCU低功耗设计（一）理论》

《MCU低功耗设计（三）产品》

作者简介：

蒋俊，男，硕士研究生，现任长沙市锐米通信科技有限公司CEO。

从事通信研究与嵌入式开发10年，主攻微功率无线网络。

精通LoRa无线扩频通信，无线星型/树型/MESH网络设计；

通晓Contiki,Linux,uC/OS-II,OSAL等操作系统；

熟悉ARM,DSP,STM8,PIC,PC104等处理器；

擅长AD，RF等集成IC开发。

Web: www.rimelink.com

EMail: jiangjunjie_2005@126.com

QQ群：35212129

MCU低功耗设计（二）实践

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原文地址：http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/47304927