[16] STM32F4 - Discovery - Tryby oszczędzania energii

Tym razem chciałbym przedstawić sposób obsługi trybów oszczędzania energii w mikrokontrolerach z rodziny STM32F4.

Do wyboru są następujące rodzaje trybów oszczędzania energii w STM32:

• Tryb uśpienia (Sleep Mode)
• Tryb zatrzymania (Stop Mode)
• Tryb czuwania (Standby Mode)
• Tryb Vbat (Vbat Mode)

Rys. 1. Pobór prądu dla mikrokontrolerów [datasheet]

Poniżej przedstawię jakie elementy układu działają dla poszczególnych trybów pracy:

W trybie uśpienia wyłączeniu ulega rdzeń mikrokontrolera, natomiast bloki peryferyjne oraz źródła sygnałów zegarowych są pozostawione jako aktywne. Z tego powodu powrót układu do normalnej pracy jest najszybszy z pozostałych układów. W związku z tym, że zegary są włączone to pobór prądu w tym trybie oraz w przypadku standardowej pracy zależy od częstotliwości taktowania. Jak można zaobserwować na rysunku 1, dla stm32f407 wartość prądu przy maksymalnej częstotliwości wynosi 40mA.

Kolejnym trybem jest tryb zatrzymania. W tym przypadku dane w SRAM oraz rejestrach zostają zachowane. Zegary PLL, HSI oraz HSE zostają zatrzymane, LSE, LSI oraz zegary czasu rzeczywistego, jeśli nie zostały wcześniej wyłączone, pracują nadal. Regulatory napięcia pracują w trybie normalnym albo z obniżonym poborem prądu. Natomiast pamięć flash może zostać skonfigurowana do pracy w trybie zatrzymania albo głębokiego uśpienia. Regulator napięci 1,2V można wprowadzić w tryb obniżonego poboru mocy. Spowoduje to natomiast dłuższy czas wybudzania układu. Dodatkowo układ niezależnego watchdoga może pracować w normalnym trybie.

Tryb czuwania jest najbardziej ekonomiczny, cechuje się najniższą wartością poboru prądu. W tym trybie zegary oraz rdzeń zostały wyłączone. Regulator napięcia oraz domeny 1.2V także są ustawione jako wyłączone. Dane przechowywane w rejestrach zostają utracone, z wyjątkiem danych wprowadzonych do tzw. Backup domain czyli do rejestrów chronionych. Zasilanie Vbat musi być doprowadzone do układu. Układ wraca do normalnej pracy, w przypadku wystąpienia sygnału reset, po przepełnieniu niezależnego watchdoga, w przypadku wystąpienia alarmu na RTC bądź gdy pojawi się sygnał na linii Wakeup. 

Ostatni z trybów tzn. Vbat mode może być używane tylko w przypadku wyłączenia głównego zasilania Vdd. 

Programowanie:

Do obsługi trybów uśpienia służą rozkazy asemblerowe __WFI() (wait for interrup) lub __WFE() (wait for event). Oraz biblioteki stm32f4xx_pwr. Zawiera ona wszystkie funkcje umożliwiające wprowadzanie układów tryby oszczędzania energii.

__WFI() wchodzi w tryb uśpienia wtedy gdy zakończyć wykonywanie wszystkich przerwań. Z trybu uśpienia może go wybudzić wywołanie przerwania.

Wybudzenie będzie szybsze w przypadku zastosowania instrukcji __WFE(), która nie potrzebuje dodatkowo wykonywania obsługi przerwania.

Pierwsza funkcja pozwala na wprowadzenie układu w stan uśpienia, aż do momentu wystąpienia określonego zdarzenia.

1. void LOWPOWER_GO_SLEEP_INTERRUPT(uint8_t parameter_off_timer)
2. {
3.     //parameter_delay_timer, gdy jeden to wylacza timery
4.     //gdy zero to zostawia je wlaczone
6.     //Wylaczenie timerow oraz systicka
7.     if (parameter_off_timer == 1)
8.     {
9.         #if defined(TIMER_DELAY)
10.         //Wylaczenie zdefiniowanego timer dla opoznien
11.         TIM_Cmd(TM_DELAY_TIM, DISABLE);
12.         #else
13.         //Wylaczenie systicka jeśli on służy do opóźnień zamiast zwykłego timera
14.         SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_TICKINT_Msk;
15.         #endif
16.     }
17.    
18.     __WFI();    //Czekanie na przerwanie
19.    
20.     //Mikrokontroler w trybie sleep mode, oczekiwanie na przerwanie
21.    
22.     //Wlaczenie timerow
23.     if (parameter_off_timer == 1)
24.     {
25.         #if defined(TIMER_DELAY)
26.         //Wlaczenie timera
27.         TIM_Cmd(TM_DELAY_TIM, ENABLE);
28.         #else
29.         //Wlaczenie systicka
30.         SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_TICKINT_Msk;
31.         #endif
32.     }
33. }

Wprowadzenie układu w tryb uśpienia z oczekiwaniem na zdarzenie realizuje się poprzez wywołanie odpowiedniego makra. Nie trzeba w tym przypadku wyłączać systicka i timerów, ponieważ nie mogą one wywołać zdarzenia.

1. void LOWPOWER_GO_SLEEP_EVENT(void)
2. {  
3.     //Oczekiwanie na zdarzenie
4.     __WFE();
5. }

Następna opcja umożliwia wprowadzenie układu w tryb czuwania tzw. stand by. W tym przypadku należy wyczyścić flagi, standby oraz wakeup, po czym przejść do funkcji PWR_EnterSTANDBYMode(), która jest zdefiniowana w bibliotekach API. Wprowadza ona układ w omawiany tryb.

1. void LOWPOWER_GO_STANDBY_MODE(void)
2. {
3.     //Czyszczenie flag
4.     //PWR_CSR_SBF oraz PWR_CSR_WUF
5.     PWR_ClearFlag(PWR_FLAG_SB | PWR_FLAG_WU);
6.    
7.     //Przejście w tryb StandBy
8.     PWR_EnterSTANDBYMode();
9. }

Wyczyszczenie flagi dla trybów standby:

1. uint8_t LOWPOWER_STANDBY_MODE_RESET(void)
2. {
3.     //sprawdzenie flagi
4.     if (PWR_GetFlagStatus(PWR_FLAG_SB) != RESET)
5.     {
6.         //Wyczysc flagi
7.         PWR_ClearFlag(PWR_FLAG_SB | PWR_FLAG_WU);
8.     }
9.    
10.     return 0;
11. }

Następnym trybem jest STOP mode. Jego wywołanie wygląda następująco:

1. void LOWPOWER_GO_STOP_INTERRUPT(void)
2. {
3.     //Przejście w tryb zatrzymania
4.     PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);
5.    
6.     //Ponowne włączenie wszystkich zegarów
7.     SystemInit();
8. }

W odpowiedni tryb wchodzi się poprzez podanie funkcji z biblioteki PWR. Po wyjściu z trybu zatrzymania należy ponownie włączyć wszystkie zegary. 

Tryb zatrzymania do momentu wystąpienia zdarzenia:

1. void LOWPOWER_GO_STOP_EVENT(void)
2. {
3.     //Wejscie w tryb stop
4.     PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFE);
5.    
6.     //Wlaczenie zegarow
7.     SystemInit();
8. }

Jeśli chodzi o ograniczenie poboru prądu przez cały układ z mikrokontrolerem, to można tu uzyskać poprzez wykonywanie następujących elementów:

• ograniczenie częstotliwości taktowania do wartości najmniejszej zadowalającej, czyli takiej która nie wpłynie negatywnie na procesy transmisji danych pomiędzy układami;
• stosowanie układów z niższym zapotrzebowaniem energetycznym bądź takich które można wprowadzać w odpowiednie stany ograniczające pobór mocy.
• wyłączenie nie potrzebnych linii zegarowych oraz peryferiów,
• dodatkowo jeśli urządzenie działa cyklicznie to po dokonaniu pomiarów można wyłączyć wszystkie peryferia (czasami jest to wykonywane samoistnie w trybach uśpienia, w niektórych mikrokontrolerach należy to robić ręcznie) na czas oczekiwania przed dokonaniem kolejnego pomiaru.

Przy projektowaniu systemu wymagającego obniżony pobór mocy należy pamięć o:

• przeprowadzeniu dokładnych obliczeń poboru prądu, oraz długości życia baterii,
• dokładnego zbadania możliwości obcięcia poboru energii dla wybranego mikrokontrolera,
• na jaki okres czasu przy budowanym systemie poszczególne bloki mogą zostać pozbawione zasilania,
• jak szybko możliwe jest przejście do trybu aktywnego i w jaki sposób to wykonać, tzn. jakie elementy muszą zostać włączone, przy wystąpieniu jakiej sytuacji mikrokontroler się obudzi itp.

Dokumentacja:

[1] Using STM32F4 MCU power modes with best dynamic efficiency