ESP8266 测试（一）： ESP8266 Deep-sleep 模式下的电流功耗测试

一. 测试目的

经常会有开发者提出基于 ESP8266 Deep-sleep 模式下的电流功耗问题，本文将测试在连接 Wi-Fi 的情况下 Deep-sleep 模式下的 ESP8266 的电流功耗。

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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:

• ESP8266_RTOS_SDK 版本

  • ESP8266_RTOS_SDK: release/v3.3
  • 对应的 commit: f7d65fe

  可通过以下命令确认:

  git log --oneline -1
  

  结果为:

  f7d65fe Merge branch 'bugfix/support_GD25Q64_qio_enable' into 'master'
  

• toolchain 版本
  gcc version 5.2.0 (crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-92-g8facf4c)，可通过以下命令确认:

  xtensa-lx106-elf-gcc -v
  

  结果为(log 过长，只需要关注最后的这部分。如下):

  Thread model: single
  gcc version 5.2.0 (crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-92-g8facf4c) 
  

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

• 开发板
  ESP-WROOM-02D 模组，可选用其他基于 ESP8266 的开发板。

• 测试示例
  ESP8266_RTOS_SDK/examples/wifi/simple_wifi 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。

• ESP8266 输入电压
  采用标准输入电压 3.3 V。

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三. 测试步骤

在此次测试中使用了 ESP8266_RTOS_SDK 里的 simple_wifi 用例。

0. 模组的焊接与接线图 & 电流功耗的测量方式

   这里使用了 ESP-WROOM-02D 开发板进行测试，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. 先确保基于 ESP8266_RTOS_SDK 的编译、烧写、运行正常。

2. 部分代码修改

   为了在 ESP8266 连接 Wi-Fi 后进入 Deep-sleep 模式，你需要在 simple_wifi 示例 main.c 中的 app_main 结束位置增加以下代码：

   esp_deep_sleep((1000*1000)*10); //10ms
   printf("finish!\n");
   

   然后在 main.c 文件开头加上 #include "esp_sleep.h" 来加入 Deep-sleep 相关头文件。

3. 固件烧写及串口监视
   首先需要 下载并配置 ESP8266_RTOS_SDK，配置完成后，输入以下指令：

   cd ~/esp/ESP8266_RTOS_SDK/examples/wifi/simple_wifi
   make menuconfig
   

   在 menuconfig 界面，你需要设置需要连接的 AP 的 SSID 和 password，然后就可以运行如下指令进行固件烧录及串口监视：

   make erase_flash flash monitor ESPPORT=/dev/ttyUSB0 ESPBAUD=921600 -j8
   

   在串口监视工具中，当看到 Wi-Fi 以下 log 时，就可以进行电流功耗测试。

   I (43) boot: ESP-IDF v3.2-324-gf7d65fe-dirty 2nd stage bootloader
   I (43) boot: compile time 17:28:24
   I (43) boot: SPI Speed      : 40MHz
   I (47) boot: SPI Mode       : DIO
   I (51) boot: SPI Flash Size : 4MB
   I (55) boot: Partition Table:
   I (59) boot: ## Label            Usage          Type ST Offset   Length
   I (66) boot:  0 nvs              WiFi data        01 02 00009000 00006000
   I (74) boot:  1 phy_init         RF data          01 01 0000f000 00001000
   I (81) boot:  2 factory          factory app      00 00 00010000 000f0000
   I (89) boot: End of partition table
   I (93) esp_image: segment 0: paddr=0x00010010 vaddr=0x40210010 size=0x3a474 (238708) map
   0x40210010: _flash_cache_start at ??:?
   I (201) esp_image: segment 1: paddr=0x0004a48c vaddr=0x4024a484 size=0x0725c ( 29276) map
   I (214) esp_image: segment 2: paddr=0x000516f0 vaddr=0x3ffe8000 size=0x0097c (  2428) load
   I (215) esp_image: segment 3: paddr=0x00052074 vaddr=0x40100000 size=0x00a30 (  2608) load
   I (222) esp_image: segment 4: paddr=0x00052aac vaddr=0x40100a30 size=0x05880 ( 22656) load
   I (239) boot: Loaded app from partition at offset 0x10000
   I (262) system_api: Base MAC address is not set, read default base MAC address from EFUSE
   I (272) system_api: Base MAC address is not set, read default base MAC address from EFUSE
   phy_version: 1155.0, 6cb3053, Nov 11 2019, 17:31:08, RTOS new
   I (325) phy_init: phy ver: 1155_0
   I (330) reset_reason: RTC reset 1 wakeup 0 store 0, reason is 1
   I (337) simple wifi: ESP_WIFI_MODE_STA
   I (386) simple wifi: wifi_init_sta finished.
   I (391) simple wifi: connect to ap SSID:ZZTest password:22222222
   finish!
   

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四. 测试结果

运行此示例，在成功连接到 Wi-Fi 后，ESP8266 会进入一段持续 10 s 的 Deep-sleep，在此期间的电流为 18.3 μA(输入电压为 3.3 V)。此外，通过查询 esp-wroom-02 技术规格书，发现 esp-wroom-02 系列的工作电压范围是 2.7 V ～ 3.6 V。在此工作电压范围下的电流功耗如下表。

输入工作电压	Deep-sleep 下的最小电流功耗
2.7 V	13.1 μA
2.8 V	14.2 μA
2.9 V	15.1 μA
3.0 V	15.5 μA
3.1 V	16.4 μA
3.2 V	17.7 μA
3.3 V	18.3 μA
3.4 V	19.6 μA
3.5 V	22.9 μA
3.6 V	30.2 μA

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五. 可能的进一步优化

1. 以下是已进行测试的优化：

1. 关闭唤醒后 RF 校验

   在 esp_deep_sleep() API 前添加 esp_deep_sleep_set_rf_option(2),这样 ESP8266 在唤醒后不会进行 RF 校验（如果不使用 esp_deep_sleep_set_rf_option()，则默认为 esp_deep_sleep_set_rf_option(1)，此时会在唤醒后进行 RF 校验），这种优化理论上会减少初始化时间与对应电流功耗。

   实际测试结果：唤醒后电流在 18 mA ～ 75 mA 浮动，Deep-sleep 期间为 17.5 μA。 可能由于测试设备的限制(实际电流过低，变化较快)，在关闭校验后观察到电流功耗基本没有变化。

2. 减少 RF 功率消耗

   我们可以在 make menuconfig 里的 PHY-->Tx Power 选项里将默认的 20 调低，例如调至 15，请注意：这样会对 Wi-Fi 功能的正常运行产生影响。这种优化理论上会减少对应 RF 功率电流功耗。

   实际测试结果：唤醒后电流在 18 mA ～ 75 mA 浮动，Deep-sleep 期间为 17.5 μA。可能由于测试设备的限制(实际电流过低，变化较快)，在减少 RF 功率消耗后观察到电流功耗基本没有变化。

2. 以下是已经查找到且有需要可以进行进一步尝试的优化（不推荐，实在需要进一步优化的用户可以进行尝试）：

1. 修改二进制文件

   使用以下指令来修改二进制文件来减少 flash 初始化时的时间和电流功耗：

   python	add_low-power_deepsleep_cmd.py	./bin	file
   

   • 如果 OTA 固件被使用，用户需要修改 boot_v1.5.bin 然后下载生成的 boot_v15_low_power.bin 到地址 0x0.

   • 如果无 OTA 固件被使用，用户需要修改 eagle.flash.bin 然后下载生成的 eagle.flash_low_power.bin 到地址 0x0.

2. 选择 flash 类型和工作模式

   正确的 flash， 比如 ISSI-IS25LQ025，能显著减少固件加载时间，合适的 flash 工作模式也能减少固件加载时间。其中推荐四线工作模式。

3. 清空 UART FIFO 来减少打印时间
   以下代码可以用来参考：

   SET_PERI_REG_MASK(UART_CONF0(0),	UART_TXFIFO_RST);//RESET FIFO
   CLEAR_PERI_REG_MASK(UART_CONF0(0),	UART_TXFIFO_RST);
   

4. 同步数据传输

   数据传输在设备唤醒模式时具有更低的功耗，所以推荐在 ESP8266 唤醒时一次性发送许多数据包。

5. 更新 SDK 至最新版

   随着 SDK 的更新，其中的 API 也会被优化，这样只需要更少的电流功耗。

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六. 附加测试：ESP8266 在低工作电压下的 Deep-sleep 模式运行情况

1. 测试目的：

   • 获得 ESP8266 能长时间进入 Deep-sleep 模式并唤醒的最低工作电压
   • 从最低工作电压以下回升至最低工作电压以上时 ESP8266 能否恢复运行

2. 测试结果：

   • ESP8266 能长时间进入 Deep-sleep 模式并唤醒的最低工作电压为 2.3 V
   • 从最低工作电压以下回升至最低工作电压以上时 ESP8266 能顺利恢复运行

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七. 总结

通过以上方法，可测出 ESP8266 在连接 Wi-Fi 后的 Deep-sleep 模式下的电流功耗，可见 ESP8266 的 Deep-sleep 模式非常省电。用户可选择采用以上方法对自己的 ESP8266 进行电流功耗测试。

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八. 注意事项 & 知识点补充

1. 进行 Deep-sleep 后 ESP8266 无法烧录其他固件

   当用户尝试烧录其他固件时，可能会出现无法成功烧录其他固件的情况， log 信息如下：

   Toolchain path: /home/jiangyafeng/esp/xtensa-lx106-elf/bin/xtensa-lx106-elf-gcc
   Toolchain version: crosstool-ng-1.22.0-100-ge567ec7
   Compiler version: 5.2.0
   Python requirements from /home/jiangyafeng/esp/ESP8266_RTOS_SDK/requirements.txt are satisfied.
   Flashing binaries to serial port /dev/ttyUSB4 (app at offset 0x10000)...
   esptool.py v2.4.0
   Connecting....
   Chip is ESP8266EX
   Features: WiFi
   MAC: bc:dd:c2:43:57:45
   Uploading stub...
   Running stub...
   Stub running...
   Changing baud rate to 921600
   Changed.
   Configuring flash size...
   Compressed 10784 bytes to 7148...
   A fatal error occurred: Timed out waiting for packet content
   /home/jiangyafeng/esp/ESP8266_RTOS_SDK/components/esptool_py/Makefile.projbuild:75: recipe for target 'flash' failed
   make: *** [flash] Error 2
   

   解决办法：首先将 ESP8266 上的 GPIO0 接 GND，然后将 ESP8266 断电后重新上电，最后重新将将ESP8266 上的 GPIO0 接底板对应的 GPIO0 即可（重新让 ESP8266 进入下载模式即可）。然后就可以成功烧录其他固件了。

2. 自动唤醒和外部唤醒

   自动唤醒：ESP8266 在 Deep-sleep 模式下时，可以将 GPIO16 (XPD_DCDC) 连接至 EXT_RSTB。计时到达睡眠时间后，GPIO16 输出低电平给 EXT_RSTB 管脚，芯片即可被重置并被唤醒。

   外部唤醒：ESP8266 在 Deep-sleep 模式下时，可以通过外部 IO 在芯片 EXT_RSTB 管脚上产生一个低电平脉冲，芯片即可被重置并被唤醒。

3. ESP8266 Deep-sleep 最大时间间隔
   事实上 ESP8266 并不会持续地维持这种深度睡眠状态，而是在一个指定间隔内关闭所有其它电路，当达到指定时间间隔后 ESP8266 将会自动重新启动一次，这个最大时间间隔为 4,294,967,295 µs，约合 71 分钟。这种模式非常适合于那种对时间间隔要求很长的场合，例如最常见的温度湿度检测，河水水位检测等。

4. ESP8266 低工作电压时的 Deep-sleep 与 wake-up 情况说明
   经检测，工作电压低至 2.7 V 时仍能正常进入 Deep-sleep 与 wake up，请注意：在低于 2.7 V 时，ESP8266 可能会进入异常工作状态，后续如果将工作电压恢复至正常的 3.3 V 也无法恢复正常工作。如果要避免异常工作的情况发生，可以将 ESP8266 外接一个复位芯片来确保 ESP8266 最低只在 2.7 V 的时候进行工作（外界复位芯片通过当前 ESP8266 的工作电压大小来决定是否使能 EN，EN 使能时芯片才开始进入正常工作）。