基于STM32芯片的電源監(jiān)控器應(yīng)用方案

電源對(duì)電子設(shè)備的重要性不言而喻，它是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，而保證系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行后，又有低功耗的要求。在很多應(yīng)用場(chǎng)合中都對(duì)電子設(shè)備的功耗要求非常苛刻，如某些傳感器信息采集設(shè)備，僅靠小型的電池提供電源，要求工作長(zhǎng)達(dá)數(shù)年之久，且期間不需要任何維護(hù)；由于智慧穿戴設(shè)備的小型化要求，電池體積不能太大導(dǎo)致容量也比較小，所以也很有必要從控制功耗入手，提高設(shè)備的續(xù)行時(shí)間。因此，STM32 有專門的電源管理外設(shè)監(jiān)控電源并管理設(shè)備的運(yùn)行模式，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，并盡量降低器件的功耗。

?電源監(jiān)控器

STM32芯片主要通過引腳 VDD 從外部獲取電源，在它的內(nèi)部具有電源監(jiān)控器用于檢測(cè) VDD的電壓，以實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能及掉電緊急處理功能，保證系統(tǒng)可靠地運(yùn)行。

1. 上電復(fù)位與掉電復(fù)位（POR與 PDR）

當(dāng)檢測(cè)到 VDD 的電壓低于閾值 VPOR及 VPDR 時(shí)，無需外部電路輔助，STM32 芯片會(huì)自動(dòng)保持在復(fù)位狀態(tài)，防止因電壓不足強(qiáng)行工作而帶來嚴(yán)重的后果。見圖 45-1，在剛開始電壓低于 VPOR時(shí)（約 1.72V），STM32 保持在上電復(fù)位狀態(tài)（POR，Power On Reset），當(dāng)VDD 電壓持續(xù)上升至大于 VPOR時(shí)，芯片開始正常運(yùn)行，而在芯片正常運(yùn)行的時(shí)候，當(dāng)檢測(cè)到 VDD 電壓下降至低于 VPDR閾值（約 1.68V），會(huì)進(jìn)入掉電復(fù)位狀態(tài)（PDR，Power Down Reset）。

2. 欠壓復(fù)位（BOR）

POR與 PDR的復(fù)位電壓閾值是固定的，如果用戶想要自行設(shè)定復(fù)位閾值，可以使用STM32的 BOR功能（ Brownout Reset ）。它可以編程控制電壓檢測(cè)工作在表 45-1 中的閾值級(jí)別，通過修改“選項(xiàng)字節(jié)”（某些特殊寄存器）中的 BOR_LEV 位即可控制閾值級(jí)別。其復(fù)位控制示意圖見圖 45-2。

3. 可編程電壓檢測(cè)器 PVD

上述 POR、PDR以及 BOR功能都是使用其電壓閾值與外部供電電壓 VDD 比較，當(dāng)?shù)陀诠ぷ鏖撝禃r(shí)，會(huì)直接進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，這可防止電壓不足導(dǎo)致的誤操作。除此之外，STM32還提供了可編程電壓檢測(cè)器 PVD，它也是實(shí)時(shí)檢測(cè) VDD的電壓，當(dāng)檢測(cè)到電壓低于 VPVD閾值時(shí)，會(huì)向內(nèi)核產(chǎn)生一個(gè) PVD 中斷（EXTI16 線中斷）以使內(nèi)核在復(fù)位前進(jìn)行緊急處理。該電壓閾值可通過電源控制寄存器 PWR_CSR設(shè)置。

使用 PVD可配置 8 個(gè)等級(jí)，見表 45-2。其中的上升沿和下降沿分別表示類似圖 45-2中 VDD電壓上升過程及下降過程的閾值。

?STM32 的電源系統(tǒng)

為了方便進(jìn)行電源管理，STM32 把它的外設(shè)、內(nèi)核等模塊跟據(jù)功能劃分了供電區(qū)域，其內(nèi)部電源區(qū)域劃分見圖 45-3。

從框圖了解到，STM32的電源系統(tǒng)主要分為備份域電路、內(nèi)核電路以及 ADC電路三部分，介紹如下：

• ?備份域電路

STM32的 LSE 振蕩器、RTC、備份寄存器及備份 SRAM這些器件被包含進(jìn)備份域電路中，這部分的電路可以通過 STM32的 VBAT引腳獲取供電電源，在實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)使用 3V的鈕扣電池對(duì)該引腳供電。

在圖中備份域電路的左側(cè)有一個(gè)電源開關(guān)結(jié)構(gòu)，它的功能類似圖 45-4 中的雙二極管，在它的上方連接了 VBAT 電源，下方連接了 VDD主電源（一般為 3.3V），右側(cè)引出到備份域電路中。當(dāng) VDD主電源存在時(shí)，由于 VDD電壓較高，備份域電路通過 VDD 供電，當(dāng) VDD掉電時(shí)，備份域電路由鈕扣電池通過 VBAT 供電，保證電路能持續(xù)運(yùn)行，從而可利用它保留關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

• ?調(diào)壓器供電電路

在 STM32 的電源系統(tǒng)中調(diào)壓器供電的電路是最主要的部分，調(diào)壓器為備份域及待機(jī)電路以外的所有數(shù)字電路供電，其中包括內(nèi)核、數(shù)字外設(shè)以及 RAM，調(diào)壓器的輸出電壓約為 1.2V，因而使用調(diào)壓器供電的這些電路區(qū)域被稱為 1.2V 域。調(diào)壓器可以運(yùn)行在“運(yùn)行模式”、“停止模式”以及“待機(jī)模式”。在運(yùn)行模式下，1.2V 域全功率運(yùn)行；在停止模式下 1.2V 域運(yùn)行在低功耗狀態(tài)，1.2V 區(qū)域的所有時(shí)鐘都被關(guān)閉，相應(yīng)的外設(shè)都停止了工作，但它會(huì)保留內(nèi)核寄存器以及SRAM的內(nèi)容；在待機(jī)模式下，整個(gè) 1.2V域都斷電，該區(qū)域的內(nèi)核寄存器及SRAM內(nèi)容都會(huì)丟失（備份區(qū)域的寄存器及 SRAM 不受影響）。

• ADC 電源及參考電壓

為了提高轉(zhuǎn)換精度，STM32 的 ADC 配有獨(dú)立的電源接口，方便進(jìn)行單獨(dú)的濾波。ADC 的工作電源使用 VDDA引腳輸入，使用 VSSA作為獨(dú)立的地連接，VREF引腳則為 ADC提供測(cè)量使用的參考電壓。

STM32的功耗模式

按功耗由高到低排列，STM32具有運(yùn)行、睡眠、停止和待機(jī)四種工作模式。上電復(fù)位后 STM32 處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，當(dāng)內(nèi)核不需要繼續(xù)運(yùn)行，就可以選擇進(jìn)入后面的三種低功耗模式降低功耗，這三種模式中，電源消耗不同、喚醒時(shí)間不同、喚醒源不同，用戶需要根據(jù)應(yīng)用需求，選擇最佳的低功耗模式。三種低功耗的模式說明見表 45-3。

從表中可以看到，這三種低功耗模式層層遞進(jìn)，運(yùn)行的時(shí)鐘或芯片功能越來越少，因而功耗越來越低。

1. 睡眠模式

在睡眠模式中，僅關(guān)閉了內(nèi)核時(shí)鐘，內(nèi)核停止運(yùn)行，但其片上外設(shè)，CM4核心的外設(shè)全都還照常運(yùn)行。有兩種方式進(jìn)入睡眠模式，它的進(jìn)入方式?jīng)Q定了從睡眠喚醒的方式，分別是 WFI（wait for interrupt）和 WFE（wait for event），即由等待“中斷”喚醒和由“事件”喚醒。睡眠模式的各種特性見表 45-4。

2. 停止模式

在停止模式中，進(jìn)一步關(guān)閉了其它所有的時(shí)鐘，于是所有的外設(shè)都停止了工作，但由于其 1.2V 區(qū)域的部分電源沒有關(guān)閉，還保留了內(nèi)核的寄存器、內(nèi)存的信息，所以從停止模

式喚醒，并重新開啟時(shí)鐘后，還可以從上次停止處繼續(xù)執(zhí)行代碼。停止模式可以由任意一個(gè)外部中斷（EXTI）喚醒。在停止模式中可以選擇電壓調(diào)節(jié)器為開模式或低功耗模式，可選

擇內(nèi)部 FLASH 工作在正常模式或掉電模式。停止模式的各種特性見表 45-5。

3. 待機(jī)模式

待機(jī)模式，它除了關(guān)閉所有的時(shí)鐘，還把 1.2V 區(qū)域的電源也完全關(guān)閉了，也就是說，從待機(jī)模式喚醒后，由于沒有之前代碼的運(yùn)行記錄，只能對(duì)芯片復(fù)位，重新檢測(cè) boot 條件，從頭開始執(zhí)行程序。它有四種喚醒方式，分別是 WKUP（PA0）引腳的上升沿，RTC 鬧鐘事件，NRST 引腳的復(fù)位和 IWDG（獨(dú)立看門狗）復(fù)位。

在以上講解的睡眠模式、停止模式及待機(jī)模式中，若備份域電源正常供電，備份域內(nèi)的 RTC 都可以正常運(yùn)行、備份域內(nèi)的寄存器及備份域內(nèi)的 SRAM數(shù)據(jù)會(huì)被保存，不受功耗模式影響。

電源管理相關(guān)的庫(kù)函數(shù)及命令

2.1 配置 PVD監(jiān)控功能

PVD可監(jiān)控 VDD 的電壓，當(dāng)它低于閾值時(shí)可產(chǎn)生 PVD中斷以讓系統(tǒng)進(jìn)行緊急處理，這個(gè)閾值可以直接使用庫(kù)函數(shù) PWR_PVDLevelConfig 配置成前面表 45-2 中說明的閾值等級(jí)。

2.2 WFI與 WFE命令

我們了解到進(jìn)入各種低功耗模式時(shí)都需要調(diào)用 WFI 或 WFE 命令，它們實(shí)質(zhì)上都是內(nèi)核指令，在庫(kù)文件 core_cmInstr.h 中把這些指令封裝成了函數(shù)，見代碼清單 24-1。

我們了解到進(jìn)入各種低功耗模式時(shí)都需要調(diào)用 WFI 或 WFE 命令，它們實(shí)質(zhì)上都是內(nèi)核指令，在庫(kù)文件 core_cmInstr.h 中把這些指令封裝成了函數(shù)，見代碼清單 24-1。

對(duì)于這兩個(gè)指令，我們應(yīng)用時(shí)一般只需要知道，調(diào)用它們都能進(jìn)入低功耗模式，需要使用函數(shù)的格式“__WFI（）;”和“__WFE（）;”來調(diào)用（因?yàn)開_wfi及__wfe 是編譯器內(nèi)置的函數(shù)，函數(shù)內(nèi)部使用調(diào)用了相應(yīng)的匯編指令）。其中 WFI指令決定了它需要用中斷喚醒，而WFE 則決定了它可用事件來喚醒，關(guān)于它們更詳細(xì)的區(qū)別可查閱《cortex-CM3/CM4權(quán)威指南》了解。

2.3 進(jìn)入停止模式

直接調(diào)用 WFI和 WFE 指令可以進(jìn)入睡眠模式，而進(jìn)入停止模式則還需要在調(diào)用指令前設(shè)置一些寄存器位，STM32標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)把這部分的操作封裝到 PWR_EnterSTOPMode函數(shù)中

了，它的定義見代碼清單 43-2。

這個(gè)函數(shù)有兩個(gè)輸入參數(shù)，分別用于控制調(diào)壓器的模式及選擇使用 WFI 或 WFE 停止，代碼中先是根據(jù)調(diào)壓器的模式配置 PWR_CR寄存器，再把內(nèi)核寄存器的 SLEEPDEEP 位置1，這樣再調(diào)用 WFI或 WFE命令時(shí)，STM32就不是睡眠，而是進(jìn)入停止模式了。函數(shù)結(jié)尾處的語句用于復(fù)位 SLEEPDEEP 位的狀態(tài)，由于它是在 WFI及 WFE 指令之后的，所以這部分代碼是在 STM32 被喚醒的時(shí)候才會(huì)執(zhí)行。要注意的是進(jìn)入停止模式后，STM32的所有 I/O 都保持在停止前的狀態(tài)，而當(dāng)它被喚醒時(shí)，STM32 使用 HSI作為系統(tǒng)時(shí)鐘（16MHz）運(yùn)行，由于系統(tǒng)時(shí)鐘會(huì)影響很多外設(shè)的工作狀態(tài)，所以一般我們?cè)趩拘押髸?huì)重新開啟 HSE，把系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置會(huì)原來的狀態(tài)。前面提到在停止模式中還可以控制內(nèi)部 FLASH 的供電，控制 FLASH 是進(jìn)入掉電狀態(tài)還是正常供電狀態(tài)，這可以使用庫(kù)函數(shù) PWR_FlashPowerDownCmd 配置，它其實(shí)只是封裝了一個(gè)對(duì) FPDS寄存器位操作的語句，見代碼清單 45-3。這個(gè)函數(shù)需要在進(jìn)入停止模式前被調(diào)用，即應(yīng)用時(shí)需要把它放在上面的 PWR_EnterSTOPMode 之前。

2.4 進(jìn)入待機(jī)模式

類似地，STM32 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)也提供了控制進(jìn)入待機(jī)模式的函數(shù)，其定義見代碼清單 43-3。

該函數(shù)中先配置了 PDDS寄存器位及 SLEEPDEEP寄存器位，接著調(diào)用__force_stores函數(shù)確保存儲(chǔ)操作完畢后再調(diào)用 WFI指令，從而進(jìn)入待機(jī)模式。這里值得注意的是，待機(jī)

模式也可以使用 WFE 指令進(jìn)入的，如果您有需要可以自行修改；另外，由于這個(gè)函數(shù)沒有操作 WUF寄存器位，所以在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)用本函數(shù)前，還需要清空 WUF寄存器位才能進(jìn)入待機(jī)模式。

在進(jìn)入待機(jī)模式后，除了被使能了的用于喚醒的 I/O，其余 I/O 都進(jìn)入高阻態(tài)，而從待機(jī)模式喚醒后，相當(dāng)于復(fù)位 STM32 芯片，程序重新從頭開始執(zhí)行。