stm32f103c6t6下的HAL库搭建三种低功耗模式及实战分析（stm32通用）

前言:最近朋友所托，需要一个可以持续运作至少一天的计数器，我感觉头大，因为之前在制作宿舍门禁的时候利用arduino没能实现低功耗模式，所以先到网上找了很多资料，发现立创开源平台上有一个大佬利用STC15实现了低功耗宿舍门禁，能够待机3~6个月，膜拜。本来打算去学习STC15，模仿这个大佬了，但是因为之前学了很久的stm32，所以就上网查了一下资料，实测32也能实现低功耗，所以开始一边学习一边记录。

大佬的STC15低功耗宿舍门禁

文章大部分参考：【STM32】HAL库-电源控制(低功耗模式)

三种低功耗模式介绍

睡眠模式：只有内核时钟关闭，外设仍在运行；可以通过任意一个中断或唤醒事件唤醒；唤醒后回到睡眠的位置向后执行。（CM3内核停止，外设仍然运行）（数据保存）

停止模式：关闭内核时钟、外设时钟，保留内核1.8V供电，寄存器和RAM中的数据可以保持，IO口状态也可保持；可以通过任意一个外部中断唤醒；唤醒后可回到停止的代码处向后执行，但要重新初始化时钟和外设。（所有时钟都停止）（数据保存）

待机模式：关闭所有时钟，关闭内核1.8V供电，寄存器和RAM数据不能保持（除了电源控制/状态寄存器(PWR_CSR)、备份寄存器，其他数据都丢失）；可通过唤醒引脚（PA0）上升沿、RTC闹钟中断，或者复位唤醒； 从待机模式唤醒后的代码执行等同于复位后的执行 进入Standby模式后，只能有Wake-up脚和RTC唤醒，特别是唤醒后，程序将从最开始运行，也就是相当于软件复位。（最省电）（数据丢失）

正常模式下：芯片配置：

板子的大概状态：

电流表实测有33左右mA（拔掉OLED有30mA左右）

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睡眠模式（sleep mode）

使能外部中断：

有个博主说不用的IO口设置为模拟输入态最省电

main函数和外部中断的主要代码：

int times=0;
while (1)
 {
	HAL_Delay(1000);//延时1000毫秒
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_4);//翻转点亮LED
	if(times > 4)
	{
		HAL_SuspendTick();//停止系统滴答计时器
  	//	HAL_PWR_EnableSleepOnExit();//设置SCR寄存器的SLEEPONEXIT位,在中断处理结束后重新进入SLEEP模式。
		HAL_PWR_EnterSLEEPMode(0, PWR_SLEEPENTRY_WFI);//WFI指令进入睡眠模式
		times = 0;
		HAL_ResumeTick();//恢复系统滴答计时器
	}
	times++;//循环次数加一
}
		
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    //外部中断可以加自己相加的东西，也可以啥也不加，执行完返回睡眠前的位置继续执行
}

通过执行WFI或WFE指令进入睡眠状态。由于系统的滴答定时器也能够解除睡眠状态，所以要记得停止掉。

使能和停止滴答定时器在：注释说明这个函数可以对系统中断进行使能和停止

HAL_PWR_EnableSleepOnExit();在下图的文件中：注释说当外部中断执行完返回主线程序的时候，如果调用该函数那么将重新进入睡眠模式，否则就接着睡眠前的程序执行。

睡眠模式下电流表实测有18mA左右（去掉OLED有15.8mA）

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停止模式（stop mode）

SRAM和寄存器内容被保留下来
PLL、HSI和HSE RC振荡器的功能被禁止
所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态

系统时钟：停止模式唤醒后，STM32会使用 HSI（f1的HSI为8M，f4为12M）作为系统时钟。所以，有必要在唤醒以后，在程序上重新配置系统时钟，将时钟切换回HSE。
唤醒延迟 ：基础延迟为 HSI振荡器的启动时间，若调压器工作在低功耗模式，还需要加上调压器从低功耗切换至正常模式下的时间，若 FLASH 工作在掉电模式，还需要加上 FLASH 从掉电模式唤醒的时间。

程序和上面类似，还是中断唤醒，只不过设置停止模式的函数不一样，第一个参数是低功耗管理（PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON）

int times=0;
while (1)
 {
	HAL_Delay(1000);//延时1000毫秒
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_4);//翻转点亮LED
	if(times > 4)
	{
			//停止模式
			HAL_SuspendTick();//停止系统滴答计时器
			HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);//电压调节器为低功耗模式，WFI指令进入停止模式
			SystemClock_Config();//重新配置系统时钟
			times = 0;
			HAL_ResumeTick();//恢复系统滴答计时器
	 }
	times++;//循环次数加一
}

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    //外部中断可以加自己相加的东西，也可以啥也不加，执行完返回睡眠前的位置继续执行
}

停止模式下电流表实测有8.35mA左右（拔掉OLED变成5.9mA左右）

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待机模式（standby mode）

待机模式可实现系统的最低功耗。该模式是在Cortex-M3深睡眠模式时关闭电压调节器。整个1.8V供电区域被断电。PLL、HSI和HSE振荡器也被断电。SRAM和寄存器内容丢失。只有备份的寄存器和待机电路维持供电。也就是说，从待机模式唤醒后，由于没有之前代码的运行记录，只能对芯片复位，重新检测 boot条件，从头开始执行程序。

在待机模式下，所有的I/O引脚处于高阻态，除了以下的引脚
复位引脚(始终有效)
当被设置为防侵入或校准输出时的TAMPER引脚
被使能的唤醒引脚(PA0)

int main(void)
{
	HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);//强制使能WKUP(PA0)引脚
	SET_BIT(PWR->CR, PWR_CR_CWUF_Msk);//写1清除该位 唤醒位
	SET_BIT(PWR->CR, PWR_CR_CSBF_Msk);//写1清除该位 待机位
	int times=0;
		
	while(1)
	{
		HAL_Delay(1000);//延时1000毫秒
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_4);
		if(times > 4)
		{
			//待机模式
	  	SET_BIT(PWR->CR, PWR_CR_CWUF_Msk);//写1清除该位 唤醒位 如果不清楚此位 系统将保持唤醒状态
	  	HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();//进入待机模式			
		}
		times++;//循环次数加一
	}
}

PA0用于唤醒单片机，下拉输入，上升沿触发。博主说PA0用cubemx配置没有用，需要强制使能PA0引脚，实践改代码可用，可PA0高电平后，程序复位

待机模式实测电流比停止模式略低一点，7mA左右

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总结

无法做到网上的那么低，网上几十个uA。
目前已知的方法可能是采用stm32L系列，专用的低功耗芯片。
还有一种可能性是用一些低功耗的LDO，打了个新板子，等焊好测试完再记录。

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2022.11.7更新

实战测试

个别电路原理图

制作了PCB进行了测试。发现静态电流低的LDO影响很大。利用的这个ME6290A33M3G的LDO，进入停止模式后，电流成功降到到60个uA。

同样的在OLED的供电口上，加上了Pmos管控制开断

增加了一个ADC电池电量采集，但是ADC采集的没有控制开断的，电流应该是180uA。

现在整体体是990多uA。

功耗分析

原因分析：
（1）ADC采集的电路占用了180uA左右
（2）OLED完全没有占用，因为G脚是高电平关断
（3）剩下的800uA全部都是芯片ADC的原因，如果在程序中利用HAL的ADC轮询采集函数，即使进入停止模式，都会占用800uA

ADC功耗大解决方案

ADC耗能解决方案：
发现停止模式下ADC没有关掉，突然想起之前学习HAL库下ADC操作时，有一个轮询模式下的HAL_ADC_Stop函数，尝试了一下发现就是这个问题。

首先函数的注释解释为：
停止常规组的ADC转换（如果是自动注入模式，则停止注入通道），禁用ADC外设。
ADC外设禁用是强制停止注入组的潜在转换。如果注入组正在使用，它应该使用HAL_ADCEx_InjectedStop函数初步停止。

程序中应用：

for(int i=0;i<40;i++)
{
	HAL_ADC_Start(&hadc1);      //开始
	if(HAL_OK==HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,100))    //等待转换，100ms超时时间  3850
	ADC_Ver+=HAL_ADC_GetValue(&hadc1);    //读取值					
}
	ADC_Ver=ADC_Ver/40;	
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);

ADC采集误差大，我这里用了简单的平均，比较好的应该是排序取中间几个数的平均值，之后再试。
只要采集完成之后HAL_ADC_Stop(&hadc1);关掉就行，在进入停止模式前关掉。

如果不会HAL库下的ADC操作，见下面文章：
HAL库（STM32CubeMX）——ADC学习总结（包含单次/连续模式下的轮询/中断/DMA）（蓝桥杯STM32G431RBT6）

ADC电池采样电路优化

现在板子的功耗就是190uA左右了，现在再查找一下ADC分压电阻能不能再大一些，功耗还能降低。

上网查阅了一些资料，发现ADC采样电阻是有要求的：（stm32f103c6手册）

图中说明了ADC采样的外部输入电阻一般最大不能超过50k，但是具体情况下这个值和采样周期有关，见下图

有博主说是因为采样是靠电容的充放电测量的，所以关于ADC采样不精确，可能是采样周期太短，导致采样数据变小。我选了41.5cycles，由上图，手头小于50k的只有33k电阻，所以选分压电阻为33k。

实际测试停止模式下，电流变成了70多uA，其中20多uA应该是ADC采样电路的。省电情况进一步改善了。

我用的电池是600mah，所以理论上停止模式能持续8000多天，但是工作电流还是挺大的（28mA），得看具体工作时间的情况了
实际测试板子图：

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2022.11.11更新
几天前买了个oled显示屏，商家发错了货，VCC和GND反了，我没有看直接插到板子上了，结果OLED烧掉了，之后查找原理图修理的时候，发现OLED上自带一个稳压3v3的芯片。

就是网上一般说的622K三端稳压器，这是个低功耗芯片，所以之前一直疑惑在停止模式下，为什么oled亮着的时候功耗也很低。

一般来说，之后把屏幕集成到板子上的时候，622K不需要也行。