ESP32 测试（一）： Light-sleep 模式的电流功耗测试及特性

一. 测试目的

经常会有开发者提出基于 ESP32 Light-sleep 模式下的电流功耗问题，本文将测试在 Light-sleep 模式下的 ESP32 的电流功耗。

---

二. 测试环境

为了保证测试结果的一致性，采用以下测试环境:

• esp-iot-solution
  编写本文时，最新的 esp-iot-solution release 版本对应的 commit 为
  40cec13。可通过以下命令确认:

  git log --oneline -1
  

  结果为:

  40cec13 Merge branch 'master' of https://github.com/espressif/esp-iot-solution
  

• toolchain 版本
  gcc version 5.2.0 (crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-80-g6c4433a)，可通过以下命令确认:

  xtensa-esp32-elf-gcc -v
  

  结果为(log 过长，只需要关注最后的这部分。如下):

  Thread model: posix
  gcc version 5.2.0 (crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-80-g6c4433a) 
  

• 测试主机
  Linux 环境，Ubuntu 16.04 LTS，可选用其他平台。

• 开发板
  ESP32-WROOM-32D 开发板，可选用其他基于 ESP32 的开发板。

• 测试示例
  esp-iot-solution 里的 Light-sleep 示例。

• 测试工具
  Tektronix MDO3104 示波器 或 Agilent 34401A 数字万用表, 使用相关测电流工具均可。

---

三. 测试步骤

这篇文档将介绍如何在 esp-iot-solution 平台下进行 Light-sleep 期间电流的测试。Light-sleep 测试代码在 esp-iot-solution 中可以找到 测试代码链接。

0. 开发板的焊接与接线图

这次测试使用了 ESP32-WROOM-32D 开发板。以下是相应的焊接实物图以及接线图。

焊接实物图	接线图

注：测试时将万用表调至电流表模式，然后测量 Vcc 引脚上连接导线的电流即可。

1. 工具链的安装

   在进行 Light-sleep 模式下的的电流功耗测试之前需要安装工具链。工具链的详细安装步骤可以在 ESP-IDF Programming Guide 找到，这里与不多加以描述。
    

   注： esp-iot-solution 使用与 esp-idf 相同的工具链, 所以如果你的平台上能够编译 esp-idf 中的 example，则工具链无须重复安装。

2. 测试代码下载

   在工具链安装完成之后，接下来你需要下载完整的 esp-iot-solution 工程，推荐使用如下指令:

   git clone https://github.com/espressif/esp-iot-solution.git
   cd esp-iot-solution
   git submodule update --init --recursive
   

   更新 submodule 时可能需要几分钟的时间，如果本地已经有 esp-iot-solution 仓库，请及时更新到最新版本。
    

3. 测试代码编译及下载

   编译 Light-sleep 测试用例 (Light-sleep 测试代码放在了 esp-iot-solution/tools/unit-test-app/components 目录下)。

   • 1 工程配置

     make menuconfig
     

     在 menuconfig-->Serial flasher config 中修改串口号和波特率。

   • 2 代码编译

     cd esp-iot-solution/tools/unit-test-app
     make TEST_COMPONENTS=light_sleep
     

   • 3 固件烧写

     代码编译通过后，将编译生成的 .bin 文件烧写到开发板上。 首先将 GPIO0 拉低，然后按下复位键让芯片进入下载模式。执行指令:

     make flash
     

     注：波特率太高，可能会下载失败，太低则烧写过程缓慢。一般可以配置成 921600。

4. Light-sleep 电流测试用例 log

   打开串口终端，按下复位键后，芯片启动。你将看到如下打印信息:

   Here's the test menu, pick your combo:
   (1)	"Light_sleep get wake_up cause test" [light_sleep][iot]
   (2)	"Light_sleep EXT0 wakeup test" [light_sleep][iot]
   (3)	"Light_sleep EXT1 wakeup test" [light_sleep][iot]
   (4)	"Light_sleep touch_pad wakeup test" [light_sleep][iot]
   (5)	"Light_sleep time wakeup test" [light_sleep][iot]
   (6)	"Time to enter light_sleep test" [light_sleep][iot]
   

   log 上列举的就是你可以进行的测试选项，其中使用了不同的唤醒源，比如 输入 5 则进行 Light_sleep time wakeup test 。在 Light-sleep 期间，你可以对电流进行测试。Light-sleep 期间, 由于分别测试了不同的唤醒源，电流是 0.72 mA - 1.27 mA 左右。

    

   注：使用此示例对不同的唤醒源进行测试，需要你拉高对应的 GPIO（使用导线连接相关 GPIO 与 VCC ），目前需要上拉的 GPIO 列表如下：

   唤醒源	需要拉高的 GPIO
   EXT0	GPIO34 或 GPIO35 或 GPIO36 或 GPIO39
   EXT1	GPIO39 （可在代码里调整成 GPIO35）
   timer	无需刻意拉高 GPIO

5. 示波器或万用表的连接方法
   在这里，你要注意设置示波器或电流表的量程（Light-sleep 模式下的电流处于 mA 级别）。按照上图操作即可，如果使用的是 ESP32-WROOM-32D 开发板，将电流表正负探针分别接在 3.3 V 电源 与 模块 Vcc 引脚即可(此时模块应用此 3.3 V 电源供电)。
    

   注：如果用示波器，请注意电流在示波器上能显示的最小单位，如果最小单位为 10 mA 及以上，可能会导致测量结果不准确。

6. 附加测试方法

   如果你不想使用官方测试用例，或者你想测试进入 Light-sleep 模式与从 Light-sleep 模式恢复所需要的时间，你可以参考以下代码来自行编写测试用例。

   • 进入 Light-sleep 模式需要的时间

     首先，你可以对进入 Light-sleep 模式的时间进行测试。 在调用 esp_light_sleep_start 来启动 Light-sleep 模式之前先设置一个 GPIO（此处我们使用 GPIO18 ）从高电平至低电平。 如下所示，大约 200 us 之后，芯片完全进入了 Light-sleep 状态。对应代码如下所示。

     gpio_set_level(GPIO_NUM_18, 1);
     vTaskDelay(2000 / portTICK_PERIOD_MS);
     gpio_set_level(GPIO_NUM_18, 0);
     esp_light_sleep_start();
     

   • 从 Light-sleep 模式中恢复需要的时间

     第二项测试是从 Light-sleep 模式下恢复所需要的时间。 芯片唤醒后，程序将从上次停止的位置继续执行，而不是重新启动。 因此，你可以将 EXT0 配置为唤醒源，并且在 EXT0 源触发后大约 566 us，芯片恢复正常运转，GPIO18 输出为低电平。 此测试对应的代码如下。

     esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_34, 0);
     gpio_set_level(GPIO_NUM_18, 0);
     esp_light_sleep_start();
     gpio_set_level(GPIO_NUM_18, 1);
     

---

四. 测量结果

当 ESP32-WROOM-32D 进入 Light-sleep 模式后，分别使用不同唤醒源进行设置，获得的测试结果稍大于官方文档上的数值，手工焊接，集成度不如 ESP32-WROOM-32D 开发板，部分 GPIO 未被禁用均可能导致测量结果不准确。测试结果如下:

唤醒源	Light-sleep下的最小电流功耗
EXT0	1.27 mA
EXT1	1.19 mA
timer	0.72 mA

---

五. 可能导致测试结果不准确的原因

1. 在进入 Light-sleep 之前，那些由 VDD3P3_CPU 供电的 GPIO 应该被全部禁用。 否则，由于 GPIO 泄漏电流，电流会更高（约 1.5mA ）。

---

六. 总结

通过以上方法,可测出 ESP32 的 Light-sleep 模式下的电流功耗，用户可选择采用以上方法对自己的 ESP32 进行电流功耗测试。

七. 相关知识附录

0. ESP32 的 Light-sleep 模式特性

Light-sleep 模式是另一种省电模式。在 Light-sleep 模式下，数字外设和大多数 RAM 被时钟门控，电源电压降低，但 RTC 存储器和外设以及 ULP 协处理器仍保持运行。任何唤醒事件(MAC 、主机、 RTC 定时器或外部中断)都会唤醒芯片。可以使用多种唤醒源从轻度睡眠模式唤醒。可以组合这些唤醒源，在这种情况下，当触发任何一个源时芯片将被唤醒。可以使用 esp_sleep_enable_X_wakeup API 启用唤醒源，并可以使用 esp_sleep_disable_wakeup_source() API 禁用唤醒源。

从 Light-sleep 模式退出后，外围设备和 CPU 恢复运行，它们的内部状态得以保留。 通过调用 esp_err_t esp_light_sleep_start() ，应用程序可以进入 Light-sleep 模式。

此外，应用程序可以使用 esp_sleep_pd_config() API 强制 RTC 外设和 RTC 存储器的特定掉电模式。

1. WiFi/BT 与 Light-sleep 模式

在进入 Light-sleep 模式之前，应用程序必须调用以下函数 esp_bluedroid_disable()，esp_bt_controller_disable()，esp_wifi_stop() 禁用 Wi-Fi 和 BT。 即使不调用这些功能，也不会在 Light-sleep 模式中保持 Wi-Fi 和 BT 连接。

2. 唤醒源

你需要使用唤醒源来将 ESP32 从 Light-sleep 模式中唤醒，以下是相关唤醒源的介绍。

• 1. 定时器
  ESP32 里的 RTC 控制器具有内置定时器，可用于在预定义的时间后唤醒芯片。时间精度为 μs ，但实际分辨率取决于为 RTC SLOW_CLK 选择的时钟源。有关 RTC 时钟选项的详细信息，请参见“ ESP32 技术参考手册”。

  注：此唤醒模式不需要在睡眠期间打开 RTC 外围设备或 RTC 存储器。

• 2. Touch pad
  RTC IO 模块包含触摸传感器中断时触发唤醒的逻辑。你需要在芯片开始睡眠之前配置触摸传感器。
  当 RTC 外设未被强制上电时，即 ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH 应设置为 ESP_PD_OPTION_AUTO esp_sleep_enable_touchpad_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。

• 3. External 唤醒(通过 EXT0)
  RTC IO 模块包含当其中 一个 RTC GPIO 的电平为预定义的逻辑电平时触发唤醒的逻辑。RTC IO 是 RTC 外设电源域的一部分，由于在此模式下启用了 RTC IO 模块，因此也可以使用内部上拉或下拉电阻。在调用esp_sleep_start() 之前，需要使用 rtc_gpio_pullup_en() 和 rtc_gpio_pulldown_en() 函数由应用程序配置它们。esp_sleep_enable_ext0_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。从睡眠状态唤醒后，用于唤醒的 IO pad 将被配置为 RTC IO。在将此 pad 用作数字 GPIO 之前，请使用rtc_gpio_deinit(gpio_num) 函数重新配置它。

• 4. External 唤醒(通过 EXT1)
  RTC 控制器包含使用多个 RTC GPIO 触发唤醒的逻辑。两个逻辑功能之一可用于触发唤醒：

  如果任何所选引脚为高电平，则唤醒（ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH）
  如果所有选定的引脚都为低电平，则唤醒（ESP_EXT1_WAKEUP_ALL_LOW）

  该唤醒源由 RTC 控制器实现。因此，RTC 外设和 RTC 存储器可以在此模式下断电。但是，如果 RTC 外设断电，内部上拉和下拉电阻将被禁用。要使用内部上拉或下拉电阻，请在睡眠期间请求 RTC 外设电源域保持开启，并在进入睡眠模式之前使用 rtc_gpio_ 函数配置上拉/下拉电阻：

  esp_sleep_pd_config(ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH, ESP_PD_OPTION_ON);
  gpio_pullup_dis(gpio_num);
  gpio_pulldown_en(gpio_num);
  

  esp_sleep_enable_ext1_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。

  从睡眠状态唤醒后，用于唤醒的 IO pad 将被配置为 RTC IO。在将此 pad 用作数字 GPIO 之前，请使用 rtc_gpio_deinit(gpio_num) 函数重新配置它。

• 5. ULP 协处理器唤醒
  ULP 协处理器可以在芯片处于睡眠模式时运行，并且可以用于轮询传感器，监视 ADC 或触摸传感器值，并在检测到特定事件时唤醒芯片。ULP 协处理器是 RTC 外设电源域的一部分，它运行存储在 RTC 慢速存储器中的程序。如果请求此唤醒模式，RTC 慢速内存将在睡眠期间启动。在 ULP 协处理器开始运行程序之前，RTC 外设将自动上电;程序停止运行后，RTC 外设将再次自动关闭。

  当 RTC 外设未被强制上电时（即 ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH 应设置为 ESP_PD_OPTION_AUTO），ESP32 的修订版 0 和 1 仅支持此唤醒模式。

  esp_sleep_enable_ulp_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。

• 6. GPIO 唤醒
  除了上面描述的 EXT0 和 EXT1 唤醒源之外，在轻度睡眠模式下还有一种从外部输入唤醒的方法。通过该唤醒源，每个引脚可以单独使用 gpio_wakeup_enable() 函数配置为高电平或低电平唤醒。与 EXT0 和 EXT1 唤醒源（只能与 RTC IO 一起使用）不同，此唤醒源可用于任何 IO（RTC 或数字）。

  esp_sleep_enable_gpio_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。

• 7. UART 唤醒
  当 ESP32 从外部设备接收 UART 输入时，通常需要在输入数据可用时唤醒芯片。UART 外设包含一项功能，当看到 RX 引脚上的一定数量的上升沿时，可以将芯片从轻度睡眠状态唤醒。可以使用 uart_set_wakeup_threshold() 函数设置此上升沿数。请注意，唤醒后 UART 不会接收触发唤醒的字符（及其前面的任何字符）。 这意味着外部设备通常需要在发送数据之前向 ESP32 发送额外字符以触发唤醒。

  esp_sleep_enable_uart_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。