Arduino休眠模式和看门狗以及中断详解

一、休眠模式

  Arduino睡眠模式也称为Arduino省电模式(Power Save mode)或Arduino待机模式(Standby Mode)。Arduino睡眠模式允许用户停止或关闭微控制器中未使用的模块，从而显着降低功耗。 Arduino UNO、Arduino Nano和Pro-mini配备了ATmega328P，它有一个欠压检测器(BOD)，用于监控睡眠模式时的电源电压。
   ATmega328P有六种睡眠模式，要进入任何睡眠模式，我们需要在睡眠模式控制寄存器(SMCR.SE)中启用睡眠位。然后，睡眠模式选择位选择Idle、ADC noise reduction、Power-Down、Power-Save、Standby和External Standby的睡眠模式。在现实世界中，实际上只有一种模式很有用;掉电模式(SLEEP_MODE_PWR_DOWN)。
  内部或外部Arduino中断或复位可以将Arduino从睡眠模式唤醒。
  Arduino像电脑和手机一样，也具备睡眠/休眠/待机功能。在睡眠状态下，系统几乎完全停止运作，只保留基本的侦测功能，因此只消耗少许电力。以电脑为例，在睡眠状态下，可被键盘按键或者网络信息唤醒。

主要功能函数如下：

  #include //引用库文件  
  set_sleep_mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN);// 设置休眠模式  
  sleep_mode (); // 进入休眠状态

注意： sleep_mode 为宏指令，它会自动自动开启休眠功能、进入睡眠状态、禁用休眠功能。 按照官方解释，在某些条件下， sleep_mode 宏会导致个别操作步骤开启休眠功能并发出sleep指令进入休眠，所以，另外提供了以下三个指令来分步完成sleep_mode ()工作：

  sleep_enable();  // 开启休眠功能  
  sleep_cpu (); // 进入休眠状态  
  sleep_disable();//关闭休眠功能 

也就是说，貌似使用sleep_mode会出现意外情况，所以，根据情况自己选择吧。

#include 
void setup () 
{
       
  set_sleep_mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN); // 采用“Power-down”睡眠模式 
  sleep_enable();// 启动睡眠模式 
  sleep_cpu ();  // 进入睡眠模式
} 
void loop () 
{
     
}

  这段程序在UNO R3控制板上，约消耗32.9 mA电流；但是在精简的「准系统」Arduino板，仅仅消耗0.36mA（360μA）

  微控器内部除了中央处理器（CPU），还有內存、模拟数位转换器、序列通信…等模块。越省电的模式，仍在运作中的模块就越少。
  例如，在”Power-Down”（电源关闭）睡眠模式之下，微控器仅剩下外部中断和看门狗定时器（Watchdog Timer）仍持续运作。而在Idle睡眠模式底下，SPI，UART(也就是序列端口)、定时器、模拟数位转换器等，仍持续运作，只有中央处理器和闪存（Flash）时脉信号被停止。时脉信号就像心跳一样，一旦停止时脉信号，相关的元件也随之暂停。

睡眠中断的触发

中断触发种类：

1. 通过外部中断。只有在发生外部中断时才会唤醒。
2. 通过UART（USB串行接口）。保持睡眠，直到通过串行接口收到数据。
3. 通过一个内部计时器，将定期通过Timer1从睡眠中醒来，执行一个动作并返回到睡眠状态。
4. 通过看门狗定时器。定期通过看门狗定时器从睡眠中醒来，执行一个动作并返回到睡眠状态。请注意使用Watchdog可以提供最长的睡眠时间和最低的功耗。
   

二、看门狗

  看门狗,又叫 watchdog timer,是一个定时器电路, 一般有一个输入,叫喂狗(kicking the dog or service the dog)，一个输出到MCU的RST端，MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端，给 WDT清零,如果超过规定的时间不喂狗(一般在程序跑飞时)，WDT 定时超过，就会给出一个复位信号到MCU，是MCU复位，防止MCU死机。看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称"看门狗"(watchdog）。
  看门狗定时器（WDT：Watch Dog Timer）实际上是一个计数器。一般给看门狗一个大数，程序开始运行后看门狗开始倒计数。如果程序运行正常，过一段时间CPU应该发出指令让看门狗复位，令其重新开始倒计数。如果看门狗计数减到0，就认为程序没有正常工作（因为没有及时复位），就强制整个系统复位（单片机重启）。
  所以，当你开启看门狗后，需要在看门狗超时（计数减到0）前，对其进行 喂狗（复位）操作，否则看门狗会强制你的单片机重启，从头运行程序。如果看门狗在休眠或空闲模式下超时，器件将唤醒并从PWRSAV指令执行处继续执行代码，同时“休眠”状态位（RCON< 3>）或“空闲”状态位（RCON< 2>）会置1，表示器件之前处于省电模式。
  功能作用：看门狗可以在你的程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。

使用看门狗需要引用头文件 【 avr/wdt.h 】，在wdt.h中，提供了3个看门狗API：

wdt_enable(timeout) //看门狗启动，并设置超时时间
wdt_disable() //看门狗停止
wdt_reset() //看门狗复位（喂狗）

wdt_enable(timeout) 中timeout为超时时间，当超过这个时间后没有喂狗，则单片机重启。
这个时间可使用如下常量：

0=15(16)ms, 1=30(32)ms,2=60(64)ms,3=120(128)ms,4=250ms,5=500ms
6=1 sec,7=2 sec, 8=4 sec, 9= 8sec

使用看门狗很简单，只需要做下面三步即可：

1、引用头文件 #include avr/wdt.h
2、Setup函数中启动看门狗，并设置超时时间为两秒：wdt_enable(WDTO_2S);
3、Loop函数中喂狗，防止饿死（重启）： wdt_reset();

代码如下：

#include   
int ledPin = 13;
void setup() 
{
       
  pinMode(ledPin, OUTPUT);       
  wdt_enable(WDTO_2S);//启动看门狗，设置喂狗时间不能超过2秒      
}  
void loop()  
{
       
  digitalWrite(ledPin, HIGH);    
  delay(500);     
  digitalWrite(ledPin, LOW);    
  //喂狗。如果超过2S没有喂狗，则单片机重启。 也就是说，如果本循环执行时间超过2S的话，单片机就会自动重启。
  wdt_reset();    
} 

其它应用：
【利用看门狗进行休眠唤醒】
用下面的代码，代替wdt_enable()，并且不要喂狗。
这样就实现了看门狗超时后，执行唤醒函数，而不是重启单片机。

void wdt_setup(int ii) 
{
     
	// ii为看门狗超时时间，支持以下数值：
	// 0=16毫秒, 1=32毫秒,2=64毫秒,3=128毫秒,4=250毫秒,5=500毫秒
	// 6=1秒 ,7=2秒, 8=4秒, 9=8秒
	byte bb;
	if (ii > 9 ) ii = 9;
	bb = ii & 7;
	if (ii > 7) bb |= (1 << 5);
	bb |= (1 << WDCE);
	//开始设置看门狗中断   
	MCUSR &= ~(1<<WDRF);  //清除复位标志
	WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE);
	//设置新的看门狗超时时间
	WDTCSR = bb;
	//设置为定时中断而不是复位
	WDTCSR |= _BV(WDIE); 
	//别忘了设置【看门狗唤醒执行函数】
}

看门狗唤醒执行函数：

ISR(WDT_vect)
{
     
    //唤醒后执行的代码
}

实例一

测试代码如下：

#include   
#include 
int ledPin = 13;
int data=0;

ISR(WDT_vect)
{
     
  //看门狗唤醒执行函数
  data++;
}

void setup() 
{
       
	pinMode(ledPin, OUTPUT);   
	set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); //设置休眠模式。
	sleep_enable(); //开启休眠功能。
	//ACSR |=_BV(ACD);//关掉ACD，据说很省电。不知道唤醒以后要不要重新开，怎么开？
	//ADCSRA=0;//关掉ADC，据说很省电。不知道唤醒以后要不要重新开，怎么开？
	//按照官方解释，sleep_enable()最好写在中断(attachInterrupt())前，防止中断在开始休眠前就提前释放而造成休眠后无法唤醒。
	//开始设置看门狗中断，用来唤醒。   
	MCUSR &= ~(1<<WDRF);
	WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE);
	WDTCSR = 1<<WDP1 | 1<<WDP2;
	WDTCSR |= _BV(WDIE); 
}  

void loop()  
{
       
  if (data>=5)
  {
     
	  digitalWrite(ledPin, HIGH);    
	  delay(500);     
	  digitalWrite(ledPin, LOW);    
	  data=0;
  }
  sleep_cpu();//进入休眠状态，从此处开始进入休眠。这里不需要喂狗。目的就是等狗超时后执行唤醒函数。
} 

本实验程序的行为如下：
1.启动时，每隔0.5秒点、灭三次位于第13脚的LED。
2.LED闪烁完毕后，进入“Power-down（断电）”睡眠模式,5秒之后又开始闪烁一次。

实例二

测试代码如下：

#include   
#include 
int ledPin = 13;
int data=0;

ISR(WDT_vect)
{
     
  //看门狗唤醒执行函数
  data++;
}
void setup() 
{
       
	pinMode(ledPin, OUTPUT);   
	set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); //设置休眠模式。
	sleep_enable(); //开启休眠功能。
	//ACSR |=_BV(ACD);//关掉ACD，据说很省电。不知道唤醒以后要不要重新开，怎么开？
	//ADCSRA=0;//关掉ADC，据说很省电。不知道唤醒以后要不要重新开，怎么开？
	//按照官方解释，sleep_enable()最好写在中断(attachInterrupt())前，防止中断在开始休眠前就提前释放而造成休眠后无法唤醒。
	//开始设置看门狗中断，用来唤醒。   
	MCUSR &= ~(1<<WDRF);
	WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE);
	WDTCSR = 1<<WDP1 | 1<<WDP2;
	WDTCSR |= _BV(WDIE); 
}  
void loop()  
{
       
  if (data>=5)
  {
     
	  digitalWrite(ledPin, HIGH);    
	  delay(500);     
	  digitalWrite(ledPin, LOW);    
	  data=0;
  }
  sleep_cpu();//进入休眠状态，从此处开始进入休眠。这里不需要喂狗。目的就是等狗超时后执行唤醒函数。 
} 

或者代码可以如下：

#include   
#include 
int ledPin = 13;
int data=0;

ISR(WDT_vect)
{
     
  //看门狗唤醒执行函数
  data++;
}
void setup() 
{
       
	pinMode(ledPin, OUTPUT);   
	set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); //设置休眠模式。
	//开始设置看门狗中断，用来唤醒。   
	MCUSR &= ~(1<<WDRF);
	WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE);
	WDTCSR = 1<<WDP1 | 1<<WDP2;
	WDTCSR |= _BV(WDIE); 
}  

void loop()  
{
       
  if (data>=5)
  {
     
	  digitalWrite(ledPin, HIGH);    
	  delay(500);     
	  digitalWrite(ledPin, LOW);    
	  data=0;
  }
  sleep_mode(); //进入休眠状态，从此处开始进入休眠。这里不需要喂狗。目的就是等狗超时后执行唤醒函数。 
} 

三、外部中断

1.为什么需要中断？

  因为没有中断，你不能让你的Arduino进入睡眠状态，并期望它再次唤醒(一般来说，在有限的情况下，有办法在没有中断的情况下从睡眠中唤醒)。如果你不能入睡，一直工作你的能量很快就会消耗殆尽。睡眠模式消耗的功率非常小，但需要特别设置。你必须知道的第一件事是如何编写代码来利用中断，然后你可以使用更强大的技术。

2.不关心功耗还需要中断吗？

  是! 即使你不打算让处理器进入睡眠状态，也可能需要中断！如果您有一个与时间相关的应用，如需要每间隔几毫秒发生一次操作，或者需要在发生外部事件后立即发生操作，这是中断就会至关重要。如果你熟悉Arduino编程的基础知识，你可能会想知道为什么你不能只用一个简单的while循环来检查什么时候执行你的动作。简单的while循环是可以按顺序读取每个引脚的状态，但这种方法并不可靠。如果只简单的应用while循环来检查按钮的轮询的话，你的while循环再次检查按钮状态之前，该按钮是否已经被按下并释放？你会错过按钮按下。如果您正在寻找一个非常快速的事件，例如来自传感器的信号，因为害怕错过关键事件，你必须经常进行轮训，从而导致你的程序无法做任何其他事情。但是有了中断，你100％保证能够赶上事件。使用中断还可以使您不必经常检查状态，从而节省计算能力，并让while循环更快地完成其他任务。
  试想一下，你正在家里吃饭，这时传来了敲门声，虽然你巨饿，虽然面前全是山珍海味，但此时你不得不去开门，同时不得不放停下生命中最重要的事情——吃饭。打开门后，你发现只是一个查水表的，你检查了水表读数并告诉了查水表的人。关上门，你马不停蹄的又投入了于食物的作战中。
  我们来分析一下这个颇具传奇性的故事，在这里人生的主旋律——吃饭，就是你的主程序，而敲门声，就是一个中断信号，它让你不得不去执行你的人生插曲——开门接客这个中断函数。完成这个小插曲后，你又要投入到主线剧情 吃饭这个主程序上。
  现在我想告诉你一个惊天秘密,其实你妈欺骗了你，你根本不是他们亲生的，你是人造人，而你的大脑里装备了一个arduino控制器！你的型号是 Arduino 吃货，之所以叫这么2的名字，是因为你的loop的写法问题。我们来看看你的loop函数。

void loop() 
{
     
  吃();
}
//吃，是的，你没有看错，你的人生是如此的幸福，就是不断的 吃();循环。
//但实际上，你还有附加功能 开门();
void 开门()
{
     
打开门;
if(门口的人==女神)
    跪舔();
if(门口的人==查水表的)
    报告水表读数();
}

  为了让你能顺利执行 开门();动作，你的亲生父母还得在Setup函数中设置 开门();这个动作何时启动。具体的方法是attachInterrupt(中断通道, 中断函数, 触发方式); 在这里中断通道就是你的耳朵(不要问为什么不是屁股)，触发 开门();这个函数的方式是敲门声。

void setup()
{
     
      attachInterrupt(耳朵, 开门, 敲门声);
}

  这样设定后，你每次听到敲门声，就不得不去打开门，并执行相应的动作了。也许你对这样的人物设定不太满意，但这就是你的宿命，少年。忘记你蛋碎的屌丝设定吧，我们要开始严肃的讨论问题了!

3.各种板子的中断

UNO、NANO、ProMINI这仨板子都是INT0 (D2针脚:中断编号为0)、INT1(D3针脚:中断编号为1)。 

4.中断函数、中断触发模式与设置中断

【中断函数】：就是你要去执行的函数，这个函数不能带任何参数，且没有返回类型。如：

void hello()
{
     
  Serial.println("hello");
} 

【中断模式】：就是你的中断触发方式。在大多数arduino上有以下四种触发方式：

LOW                  低电平触发
CHANGE            电平变化，高电平变低电平、低电平变高电平
RISING              上升沿触发
FALLING           下降沿触发
HIGH                高电平触发(该中断模式仅适用于Arduino due) 

【设置中断】：在定义中断函数后，要使用外部中断，你只需要在程序的Setup部分配置好中断函数即可，配置函数如下：

attachInterrupt(interrupt, function, mode); 
//interrupt为你中断通道编号，function为中断函数，mode为中断触发模式 
需要注意的是在Arduino Due中，中断设置有点不同： 
attachInterrupt(pin, function, mode);
//due 的每个IO均可以进行外部中断，所以这里第一个参数为pin，即你使用的引脚编号。 
//如果在程序中途，你不需要使用外部中断了，你可以用中断分离函数来取消这一中断设置：detachInterrupt(interrupt); 
同样在Arduino Due上，该函数为detachInterrupt(Pin);。

5.例程

外部中断的使用也是非常简单的,下面我们来看一个官方提供的例程

volatile int state = 0; 
void setup()
{
     
  pinMode(13, OUTPUT);
  attachInterrupt(0, blink, CHANGE);//当int.0电平改变时,触发中断函数led
} 
void loop()
{
     
  digitalWrite(13, state);
} 
void led()//中断函数
{
     
  state = !state;
}

应用：利用外部中断,可以在很多地方提高你程序的运行效率。你可以运用以上知识,做一个简单的监控装置。