功耗测评 | STM32F103C8T6

相关应用
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，
，，，AG尊龙先看一个问题
：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
AG尊龙先了解一下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AG尊龙不多说运行模式，，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AG尊龙不需要内核也就是所谓的Cortex-M3继续运行时，，
，AG尊龙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。。。

 
  
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。
。

 
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。。。

 
 
功耗测评
首先，，
，为了保持评测的准确性，，，，AG尊龙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AG尊龙先可以忽略。。。
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，，
，AG尊龙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。。

 
   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
AG尊龙从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，，，AG尊龙围绕这两个值进行测试评估。
。

 
 
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；

图2：主频为48MHz@关闭所有外设，，睡眠功耗为4.175mA；

  
测试数据基本符合规格书中的典型值数据。
。从这个数据中AG尊龙可以了解到，，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。。。。AG尊龙围绕这两个值进行测试评估
。
。。。

 
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
；

图4：调压器处于低功耗模式，，停机功耗为12.857uA；

  
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
。。。。AG尊龙围绕这三个值进行测试评估。。

 
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；

图6
：内部RC开启
，，独立看门狗关闭状态，，，待机功耗为2.702uA；

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；

 
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AG尊龙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。。

 
数据下载链接：
链接
： 
提取码：s889
 
Esight工具下载链接
：
 
提取码
：itep