相關應用

STM32F103C8T6 MCU越來越廣泛的應用在生產生活的各個領域，外接豐富的傳感器、功能模塊、通信模塊、顯示存儲等可以形成各種可樣的產品項目應用。對于功耗要求比較高的產品，一般會選擇STM32L系列的MCU，但是從功耗的評測角度，邏輯上是基本相似的。

在很多應用場合中都對電子設備的功耗要求非常苛刻，如某些傳感器信息采集設備，僅靠小型的電池提供電源，要求工作長達數年之久，且期間不需要任何維護。由于智能穿戴設備的小型化要求，電池體積不能太大導致容量也比較小，所以也很有必要從控制功耗入手，提高設備的續航時間。其實，只要是涉及到便攜式的產品，都免不了要使用電池作為電源，否則，如果還是需要接一個插頭使用市電來供電的話，那就無法稱之為便攜式了，比如手機、運動手環、藍牙耳機、智能手表等都是類似的。所以控制功耗和提高產品的續航時間就顯得尤為重要。

目前針對STM32F103C8T6等系列單片機而言，比較常用的低功耗模式是停止模式和待機模式。

當使用待機模式時，在實際應用中，通常會有一個開關機的按鍵(PA0)，如果用戶按下按鍵的話，就會開機或者關機，開機對應的就是喚醒，而關機對應的就是待機(類似于手機的開關機按鍵)。在此過程中，電池會一直給單片機的3.3V電源供電，也就是說，單片機一直都是有電的，但是它的所有外設以及時鐘都處于關閉狀態，之所以還要給單片機供電，只是為了在用戶按下按鍵時檢測PA0的上升沿而已，如果不給單片機供電的話，那么還怎么檢測呢？檢測不了。

當使用停止模式時，我們先看一個問題：理論上待機模式的功耗遠比停止模式要低，為什么還要選擇停止模式呢？通常是這樣的，一個便攜式的系統，除了考慮按鍵開關機外，還需要考慮給電池充電的時候往往需要顯示一些充電的信息(現在的手機充電就是這樣的)，如果是在開機狀態下充電的話完全沒有問題。但是，如果是在關機狀態下充電呢？肯定就需要單片機能夠自己喚醒自己(不需要用戶按下PA0)，然后才有可能顯示充電的信息(比如手機關機狀態下接通電源后，可以自動顯示充電的動畫)。

是否可以實現不按下PA0就實現喚醒功能嗎？當然可以，只需要在硬件上做一些改動即可。

比如，將充電口的電壓降壓后跟PA0相連，這樣只要充電口在充電，PA0必定會出現一個從低到高的脈沖，這樣就可以喚醒了。但這種情況下，軟件層面上又不好區分PA0的上升沿是由于充電造成的，還是由于用戶按下按鍵造成的。所以，這個時候就需要考慮選擇停止模式了，開關機按鍵接到一個引腳，充電口接到另外一個引腳，兩個引腳都配置為外部中斷，兩個引腳也都可以喚醒單片機，分開了不同的信號電平，這樣子，在軟件上就可以很容易地判斷。

實際上也有另一種改進方式，就是在硬件上實現一個脈沖電路，可以用一個簡單的RC延時電路，就是說充電口的電平再經過一個RC電路以后，出來的就不會一直是高電平，而只是一個脈沖了，再把這個脈沖信號接到PA0引腳，這個時候插入充電口和按下PA0就都會在PA0上出現一個脈沖了。軟件上，可以利用長按開機，再長按關機的機制來進行判別，如果PA0僅僅只是出現一個上升沿并且檢測到充電芯片正在充電，此時就是充電口插入了，喚醒單片機且顯示充電效果即可。

工作模式

我們先了解一下STM32F103C8T6單片機的幾種工作模式。按功耗從高到低排列，STM32F103C8T6具有運行（Run）、睡眠（Sleep）、停止（Stop）和待機（Standby）四種工作模式。在這四種模式下，后面三種是當STM32F103C8T6的內核不在需要運行時，可以選擇的幾種模式，當單片機在工作時，則是運行模式。

? 運行模式

這里我們不多說運行模式，因為當STM32F103C8T6在上電復位后，即處于了運行模式，這種情況下，單片機自動運行程序。只由當我們不需要內核也就是所謂的Cortex-M3繼續運行時，我們就可以選擇讓芯片進入睡眠、停止和待機這三種模式，來讓芯片降低功耗。功耗的降低會減少芯片的發熱以及能夠保證可靠性增加。

? 睡眠模式

當STM32F103C8T6在運行過程中，內核也就是所謂的Cortex-M3遇到WFE（等待中斷）或者WFI（等待事件）指令時會停止內部時鐘，停止程序執行。盡管Cortex-M3停止工作，但是其外設仍在繼續工作，直到某個外設產生事件或者中斷時，內核將會被喚醒，退出睡眠模式。在睡眠模式中，僅關閉了內核時鐘，內核停止運行，但其片上外設，Cortex-M3核心的外設全都還照常運行，在軟件上表現為不再執行新的代碼。這個狀態會保留睡眠前的內核寄存器、內存的數據。喚醒后 ，若由中斷喚醒，先進入中斷，退出中斷服務程序后，接著執行 WFI指令后的程序；若由事件喚醒，直接接著執行 WFE 后的程序。基本上無喚醒延遲。

這里補充說明一件事：Cortex-M3是一個32位的內核，在傳統的單片機領域中，有一些不同于通用32位CPU應用的要求。在工控領域，用戶要求具有更快的中斷速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術，完全基于硬件進行中斷處理，最多可減少12個時鐘周期數，在實際應用中可減少70%中斷。

? 停機模式

若用戶將Cortex-M3處理器的電源控制寄存器（Cortex Power Control Register，Cortex_PCR）中的SLEEPDEEP位置位，然后將STM32F103C8T6電源控制寄存器（STM32 Power Control Register.STM32 PCR）中的PDDS（Power Down Deep Sleep）位清除，就完成了STM32F103C8T6停機模式的設置。

當停機模式設置完畢后，CPU一旦遇到WFI或WFE指令就會停止工作，HSI和HSE也進人關閉狀態。但Flash和SRAM將會繼續保持電源供應，所以此時STM32F103C8T6的所有工作狀態仍然是保留著的。和睡眠模式一樣，停機模式也可以通過外設中斷喚醒，然面在停機模式下，除了外部中斷控制單元，所有設備的時鐘都被禁止了，只能通過在GPIO引腳上產生電平邊沿觸發外部中斷的方式來將STM32從停機狀態下喚醒。

需要注意的是，外部中斷通道除了與GPIO連接，還和RTC時鐘的報警事件連接，加之RTC的計數時鐘并非來源于STM32F103C8T6的設備總線（而是直接來自于LSI或LSE），因此還可以使用RTC模塊實現定時將STM32F103C8T6從停機狀態中喚醒。

在停止模式中，相對于休眠模式進一步關閉了其它所有的時鐘，于是所有的外設都停止了工作，但由于其 1.2V 區域的部分電源沒有關閉，還保留了內核的寄存器、內存的信息，所以從停止模式喚醒，并重新開啟時鐘后，還可以從上次停止處繼續執行代碼。喚醒后，若由中斷喚醒，先進入中斷，退出中斷服務程序后，接著執行 WFI指令后的程序；若由事件喚醒，直接接著執行 WFE 后的程序。停止模式喚醒后，STM32F103C8T6會使用 HSI(HSI為8M)作為系統時鐘。所以，有必要在喚醒以后，在程序上重新配置系統時鐘，將時鐘切換回HSE。喚醒延遲基本上是 HSI振蕩器的啟動時間，若調壓器工作在低功耗模式，還需要加上調壓器從低功耗切換至正常模式下的時間，若FLASH工作在掉電模式，還需要加上 FLASH 從掉電模式喚醒的時間。

順便提一下，HSI振蕩器與HSE的區別就在于一個是內部的時鐘源，一個是外部的時鐘源。HSI 時鐘信號由內部16 MHz RC 振蕩器生成，可直接用作系統時鐘，或者用作PLL 輸入。HSI RC 振蕩器的優點是成本較低（無需使用外部組件）。此外，其啟動速度也要比HSE 晶振塊，但即使校準后，其精度也不及外部晶振或陶瓷諧振器。

? 待機模式

若將STM32F103C8T6電源控制寄存器中的SLEEP位進行置位，再將STM32_PCR中的PDDS位進行置位，這樣，單片機則進入待機模式。

若要喚醒待機模式，有多種方式進行喚醒，分別位：RTC的鬧鐘事件、NRST的外部引腳復位、獨立看門狗（IWDG）所產生的復位信號，以及PA0引腳上所產生的一個上升沿，但是若要是要該引腳所產生的上升沿來喚醒單片機，則必須事先設置為喚醒引腳功能。待機模式是STM32F103C8T6的最低功耗模式。當進入待機模式后，所有的SRAM數據、Cortex-M3處理器的寄存器和STM32F103C8T6的寄存器內容都將會被清零，效果等同于硬件復位。

功耗測評

首先，為了保持評測的準確性，我們先用一個電阻負載來驗證一下設備測試精度，電阻是0.1%精度的100K電阻，所以電阻的阻值誤差我們先可以忽略。

打開功耗分析儀電源mPower1203測試設備，設置3.3V輸出?？梢钥吹剑谂涮椎腅-sight工具上顯示了流過電阻的電流值。理論上是33uA，我們實測的值和理論值相差幾十個nA，所以基本上設備的電流精度可以達到千分之一以內的精度。

   現在開始評測STM32F103C8T6單片機的幾種模式下的休眠功耗。

? 睡眠模式

我們從STM32F103C8T6單片機的規格書中，可以看到使用外部時鐘，在主頻為72MHz和48MHz，所有外設都關閉的情況下，功耗典型值約為5.5mA和3.9mA，我們圍繞這兩個值進行測試評估。

經測試和波形分析：

圖1：主頻為72MHz@關閉所有外設，睡眠功耗為5.889mA；

圖2：主頻為48MHz@關閉所有外設，睡眠功耗為4.175mA；

測試數據基本符合規格書中的典型值數據。從這個數據中我們可以了解到，當一個產品需要進行優化功耗時，在某些場合下，可以通過降低主頻的方式來得到目標功耗。

? 停機模式

從STM32F103C8T6單片機的規格書中，可以看到，供電輸出3.3V，停機模式下有兩種情況。一種是調壓器處于運行模式，對應的功耗典型值為24uA；另一種是調壓器處于低功耗模式，對應的功耗典型值為14uA。我們圍繞這兩個值進行測試評估。

經測試和波形分析：

圖3：調壓器處于運行模式，停機功耗為23.042uA；

圖4：調壓器處于低功耗模式，停機功耗為12.857uA；

測試數據基本符合規格書中的典型值數據。在配置STM32F103C8T6單片機進入停機模式時，特別需要注意一點，就是外部接8M晶振的管腳需要配置成普通GPIO，且也需要配置成模擬輸入的方式。

? 待機模式

從STM32F103C8T6單片機的規格書中，可以看到，供電輸出3.3V，待機模式下有三種情況。這三種情況分別對應的功耗的典型值約為3.4uA、3.2uA以及2uA。我們圍繞這三個值進行測試評估。

經測試和波形分析：

圖5：內部RC和獨立看門狗均開啟狀態，待機功耗為2.912uA；

圖6：內部RC開啟，獨立看門狗關閉狀態，待機功耗為2.702uA；

圖7：內部RC和獨立看門狗均關閉狀態，且低速振蕩器和RTC均關閉，待機功耗為1.62uA；

測試數據基本符合規格書中的典型值數據。

最后，需要提一下，在我們進行功耗評測的時候，在和規格書進行對比時，需要了解典型值的含義。一般情況下，規格書上的值都是相對比較保守的，而且典型值是表示正態分布中一個1σ的值，也就是說68.27%的概率是落在典型值左右。換句話說，一個100個測試樣本，68.27個樣本的測試數據是滿足典型值的。

mPower1203是一款穩壓直流電源用于低功耗分析，有著Ksight N6705的精度，卻比Power monitor更小巧便攜。電腦端使用配套的E-sight工具可以實時分析波形，具有電源供電和電流表雙模式。

支持linux和windows系統二次開發API接口(提供C#,python,VB,C++等例程)，方便工廠和測試環境集成到現有的工具和設備中進行自動化測試。