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基于RT-Thread功耗调优与PM管理实战经验分享-驱动篇

发布于 2020-10-18 07:46:52 浏览：2086 订阅该版

[tocm]

[RT-Thread 电源管理与功耗调优系列 - 目录](https://club.rt-thread.org/ask/article/3419.html)

[基础篇  概念，基础，理解什么是功耗](https://club.rt-thread.org/ask/article/2282.html)

[调试篇  开始搭环境，动手调起来](https://club.rt-thread.org/ask/article/2283.html)

[驱动篇  想要调功耗，代码也要有](https://club.rt-thread.org/ask/article/2284.html)

[系统篇  如何利用rtos或PM框架，配合PMS线程，管理功耗](https://club.rt-thread.org/ask/article/2285.html)

[实战篇  具体问题的实战思考与解决思路](https://club.rt-thread.org/ask/article/2286.html)

[日志篇  功耗日志文件输出与解析](https://club.rt-thread.org/ask/article/2288.html)

[收尾篇  高调做好功耗，低调掌握知识的回顾](https://club.rt-thread.org/ask/article/2289.html)

[进阶：RT-Thread精通PM功耗调优 系列](https://club.rt-thread.org/ask/article/2296.html)

[上手：产品功耗管理与调优经验分享 系列](https://club.rt-thread.org/ask/article/2707.html)

[应用：PM组件应用与经验分享 系列](https://club.rt-thread.org/ask/article/292.html)

## 背景

* 本篇为驱动篇，偏底层，与硬件、HAL、硬件测量设备相关，需要了解一些底层的东西。

* 若要问我，要搞功耗，不就是等项目快结束时，产品发布前，随意搞下，指导其他人这么搞、那么写。。。就完事了吗？还要自己码代码不成？

* 如果公司里，这些底层的干活的就是你自己，你难道说，你不适合这个岗位？

* 如果硬件设计问题，功耗根本达不到指标，怎么办？

* 废话不多说，先来看看驱动的相关的问题！开关一个LED，都是驱动。驱动就是借助软件，驱使硬件工作。

* 嵌入式软件，也叫固件（firmware），最终转化为机器识别的东西。

* 芯片内部好比是一座城市。

### 开始与硬件打交道

## 开关驱动：

### 假设有如下的图：

![2020-10-18_085746.png](/uploads/20201018/b33ee2319fc101a34ef7ec128add3fa1.png)

分析如下：

* （1）LR1 红色 LED电源 +5V_B直接控制，电源电压在，LED LR1红灯就会亮。开关控制，需要控制+5V_B电源的开关。

* （2）LG1 LY1 绿色与黄色LED，使用PNP三极管控制，则可以通过MCU 的GPIO 引脚控制。控制逻辑为：

* RXD3   TXD3 为高电平时（3.3V），LED 绿色与黄色不亮（PNP三极管不导通）

* RXD3   TXD3 为低电平时（0V,GND），LED 绿色与黄色亮起来（PNP三极管导通）

*（3）总结，只有导通的回路，才会产生电流。

#### 通过上述的实例，说明：不是电源（电压）存在，就有电流产生，电流产生需要有电流回路，且回路导通。

* （4）功耗深入分析1：是不是PNP三级管不导通时，电流就为0？No，需要看手册，或许还有极低（nA级）漏电流。管子用多了，也会累计电流来。

* （5）功耗深入分析2：控制端的电压，若为1.8V，能否控制PNP管子开关？答：根据PNP三极管的特性，低电压，可以让PNP导通。1.8V，PNP管子无法完全关闭，所以，硬件设计时，需要注意MCU供电电压与外设电压的匹配。防止电流往MCU端内灌。

## 外部上拉电阻：

![2020-10-18_090927.png](/uploads/20201018/8709bda9b7a739f7dcd3f0eb0e6fd390.png)

### 分析：I2C总线，总线空闲时是否会有漏电流？

* （1）I2C总线，一般会把SCL、SDA （MCU端），配置成OD（开漏输出）方式。这样，外部必须接上拉电阻，保证电平的切换。

* （2）OD输出，I2C默认总线空闲时为高（MCU端高阻态），高电平为外部上拉电阻拉起来的。因为MCU是OD高阻态，所以，I2C总线空闲时，基本上漏电很小（nA级）。

* （3）异常分析：如果异常出现，SCL、SDA，出现持续的低电平？所以，也可以在不使用总线时，把I2C 总线的两个引脚配置为float 输入或analog 模拟态。

* （4）I2C 总线控制完了，I2C外设器件呢？当然，也不能一直供电，所以硬件设计时，需要有引脚控制 I2C外部器件的电源，关闭I2C芯片的电源，整个I2C设备，就可以完全管理好功耗了。

* （5）总结：SPI、 UART、 CAN  等总线级设备时，一般都是：MCU 引脚与 外部器件连接的控制方式，都可以功耗管理划分为：电源部分与引脚部分。

## 硬件设计BUG案例分析

### 什么是经验，经历过，体验过，总结过，如此而已。

![2020-10-18_092247.png](/uploads/20201018/bcc97440de5687091bec573db32cfd01.png)

* （1）上图中，LED的作用，本来是指示继电器的开关的，但是：设计错误，造成LED常亮。

* （2）这样软件控制继电器的开关，并不能控制LED的关闭，造成持续的漏电。

![2020-10-18_092257.png](/uploads/20201018/df75c9475c065cfd4c1cef54742cb957.png)

* （1）上图分析：修复了软件不能控制的LED指示灯。只有在继电器开关导通时，LED才会亮。

* （2）控制功耗，就可以通过控制继电器的开关（引脚RY1）即可：

* MCU 端： RY1高电平，继电器工作

* MUC端： RY1 低电平（GND），继电器不导通，LED关闭，不会产生漏电？（三极管关闭时，nA级漏电流）

## GPIO 输入功耗分析：

### 【ADC 采样】

* 温湿度、电池电压、甚至某些器件的参考电压、ID，都通过 单片机 AD采样的方式获取。

如下图：

![2020-10-18_093127.png](/uploads/20201018/81ec6a50de8303f3505f97b3fb3aad2d.png)

### 分析：

* （1）ADC1 会接到MCU 端的 AD采样，AD采样引脚默认配置为模拟输入（INPUT），漏电很小。

* （2）MCU ADC一般会有内部的时钟与处理模块，当AD不采样后，最好关闭内部的AD控制器。

* （3）如图AD采样是电阻分压式，想要彻底的关闭AD，还要控制电源（例图上没有控制，会产生持续的漏电流）。

* （4）分析，AD硬件上，需要提供采样电源的控制，保证采样回路可以断开（如果是VBAT常电 ad采样？采样用的分压电阻，可以适当改大。）

### 【按键】

![2020-10-18_093959.png](/uploads/20201018/065eac77c84b9815d9be4207eb336c0a.png)

### 分析

* （1）一般按键，直接接到MCU引脚，外部有上拉电阻，MCU内部就不要在GPIO引脚配置上下拉（尤其是下拉，会有漏电）电阻。

* （2）一般按键会配置成中断，注意中断的触发方式（上拉，一般是下降沿触发，上拉，一般是上升沿触发）

* （3）想实现按键的按下与弹起，其实外部上拉电阻不需要，MCU内部配置好上拉电阻（最好不要配置内部下拉）

## MCU 部分

### MCU电源控制，一般分为【常供电】与【自杀式断电】两种方式。

* 自杀式断电，硬件需要有关断自己电源的开关。

* 常供电：为了让MCU（满频）降低功耗，一般采用：

* （1）降频工作（降低运行的主频）

* （2）间歇性工作（运行+睡眠）

### 分析：

* （1）降频工作后，需要考虑其他外设的时钟（波特率）的变化问题。

* （2）运行+睡眠，如何切换模式？需要了解MCU本身的工作模式、电源模式。

* （3）睡眠时，不只是要处理MCU，还要看外设的电源状态。

### 以下为寻找STM32L4系列的电源模式：

* （1）首先下载STM32L4 系列的参数手册（数据手册datasheet 参考手册 reference ）

* （2）通过标签，找到：Power Control 章节，理论上，芯片用多了，要多看看官方的手册与文档。

![2020-10-18_095106.png](/uploads/20201018/f7b3cfdcc670e3ae7d397cb72d745f43.png)

![2020-10-18_095415.png](/uploads/20201018/f7305452942c1023b6d55db17a809a79.png)

![2020-10-18_095448.png](/uploads/20201018/525c5a088bb8032822bdeee1fb61128b.png)

* 有了这些，大概清楚了模式的切换，模式的进入与退出的条件。

* 找到芯片官方提供的HAL库（标准库等），看一下各个模式的进入函数，可以开始设计模式切换了。

### 目前STM32L4系列电源模式

* （1）None模式：不改变模式，满频跑

* （2）LPSleep（LPrun），芯片内部使用LP（低功耗）的调压器（类似芯片内部的LDO，如外部供电1.8V，内核电压1.2V）。

* （3）STOP（Stop0/1/2），关闭的不同，建议超低功耗使用STOP2.

* （4）Standby（shutdown），几个uA的差别，建议系统需要假关机时实现。特殊的唤醒方式（wakeup引脚，rtc alarm等），唤醒后重启。

## 其他特殊的外设电源功耗控制

### 我印象较深的是PSRAM

* PSRAM类似于MCU扩展的外部RAM，作用是扩大RAM用。是一个独立的芯片，如果使用PSRAM时，说明你的运行的程序较复杂，有一些数据、GUI等保存在外部RAM里，内部的RAM不够大。

* （1）睡眠时，PSRAM下电，优势是漏电流极低，缺点是：初始化+数据的丢失，恢复起来类似于重启。

* （2）PSRAM不下电，低功耗运行。正常PSARM空闲时，PSRAM本身功耗并不高，几十微安左右。但我实际真正测量下来，发现有上百微安的电流。

* （3）原来与MCU 引脚连接，MCU会产生漏电。如MCU配置的内部上下拉电阻等。这部分，还不能完全配置成0或1，需要根据PSRAM手册，保证PSRAM数据正常、下次访问没问题的情况下，配置与PSRAM相关的引脚。

### NFC （卡模拟，可以用于门禁、公交等）

* 项目上，可能需要系统关机（睡眠）后，都要能刷卡（当卡刷），所以，NFC是常供电。这部分的MCU引脚也要处理，睡眠时，NFC可以产生中断，关机后，就只供电。

* 调NFC功耗的重点是：让官方提供NFC 超低功耗的固件。

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