【GD32H757Z海棠派開發(fā)板使用手冊(cè)】第五講 PMU-低功耗實(shí)驗(yàn)

5.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：

• PMU原理；
• 低功耗的進(jìn)入以及退出操作；

5.2實(shí)驗(yàn)原理

5.2.1PMU結(jié)構(gòu)原理

PMU即電源管理單元，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)下圖所示，由該圖可知，GD32H7XX系列MCU具有三個(gè)電源域，包括VDD/VDDA電源域、0.9V電源域以及電池備份域，其中，VDD /VDDA域由電源直接供電。0.9V由內(nèi)部LDO或者外部Vcore供電。在備份域中有一個(gè)電源切換器，當(dāng)VDD/VDDA電源關(guān)閉時(shí)，電源切換器可以將備份域的電源切換到VBAT引腳，此時(shí)備份域由VBAT引腳（電池）供電。

1. VDD/VDDA電源域

VDD / VDDA 域包括VDD域和VDDA域兩部分。VDD域包括HXTAL（高速外部晶體振蕩器）、POR/ PDR（上電/掉電復(fù)位）、FWDGT（獨(dú)立看門狗定時(shí)器）和除PC13、PC14和PC15之外的所有PAD等等。VDDA域包括ADC / DAC（AD / DA轉(zhuǎn)換器）、LPIRC4M（內(nèi)部4MHz RC振蕩器）、IRC64M（內(nèi)部64M RC振蕩器）、IRC32K（內(nèi)部32KHz RC振蕩器）PLLs（鎖相環(huán)）、LVD（低電壓檢測(cè)器）、VOVD（0.9V電壓檢測(cè)器）、VAVD（VDDA電壓檢測(cè)器）、TVD（溫度電壓檢測(cè)器）和BVD（VBAK電壓檢測(cè)器）等等。

POR / PDR（上電/掉電復(fù)位） 電路檢測(cè)VDD / VDDA并在電壓低于特定閾值時(shí)產(chǎn)生電源復(fù)位信號(hào)復(fù)位除備份域之外的整個(gè)芯片。下圖顯示了供電電壓和電源復(fù)位信號(hào)之間的關(guān)系。VPOR表示上電復(fù)位的閾值電壓，VPDR表示掉電復(fù)位的閾值電壓。遲滯電壓Vhyst值約為50mV。

BOR 電路檢測(cè)VDD / VDDA并在BOR_TH不為0b11，同時(shí)電壓低于選項(xiàng)字節(jié)的BOR_TH定義的閾值時(shí)產(chǎn)生電源復(fù)位信號(hào)復(fù)位除備份域之外的整個(gè)芯片。POR / PDR（上電/掉電復(fù)位）電路處于檢測(cè)狀態(tài)，無(wú)論選項(xiàng)字節(jié)的BOR_TH是否為0b11。 下圖顯示了供電電壓和BOR復(fù)位信號(hào)之間的關(guān)系。VBOR表示BOR復(fù)位的閾值電壓，該值在選項(xiàng)字節(jié)BOR_TH中定義。遲滯電壓Vhyst值為100mV。

LVD 的功能是檢測(cè)VDD / VDDA供電電壓是否低于低電壓檢測(cè)閾值，該閾值由電源控制寄存器0（PMU_CTL0）中的LVDT[2:0]位進(jìn)行配置。LVD通過(guò)LVDEN置位使能，位于電源控制狀態(tài)寄存器（PMU_CS）中的LVDF位表示低電壓事件是否出現(xiàn)，該事件連接至EXTI的第16線，用戶可以通過(guò)配置EXTI的第16線產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。下圖顯示了VDD / VDDA 供電電壓和LVD輸出信號(hào)的關(guān)系。（LVD中斷信號(hào)依賴于EXTI第16線的上升或下降沿配置）。遲滯電壓Vhyst值為100mV。

為提高 ADC 和DAC的精度，可將獨(dú)立的外部參考電壓連接至ADC / DAC引腳VREF+ / VREF-。

VDDA模擬電壓檢測(cè)器（VAVD）用于檢測(cè)VDDA電源電壓是否低于電源控制寄存器（PMU_CTL0）中VAVDVC[1:0]位域選擇的編程閾值。通過(guò)置位VAVDEN位能夠使能VAVD，PMU_CS寄存器中的VAVDF位指示VDDA高于或低于指定的VAVD閾值，如果VAVDF置位能夠產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的事件，這個(gè)事件在內(nèi)部連接到EXTI 16。如果通過(guò)EXTI寄存器使能，可以產(chǎn)生一個(gè)中斷。

和備份域電壓閾值監(jiān)測(cè)類似，通過(guò)與溫度高、低兩個(gè)閾值水平比較可以來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)溫。PMU_CTL1寄存器中TEMPH和TEMPL標(biāo)志指示設(shè)備溫度是否高于或低于閾值?？梢酝ㄟ^(guò)PMU_CTL1寄存器中的VBTMEN位使能/關(guān)閉溫度電壓閾值監(jiān)測(cè)。使能后，溫度閾值監(jiān)測(cè)將增加功耗。溫度閾值監(jiān)測(cè)可以用來(lái)觸發(fā)執(zhí)行溫度控制任務(wù)的相關(guān)的程序。只有PMU_CTL1寄存器中的VBTMEN位置位，溫度閾值監(jiān)測(cè)才有效。

TEMPH 和TEMPL喚醒中斷可用于RTC觸發(fā)信號(hào)。

1. 0.9V電源域

主要功能包括 Cortex?-M7 內(nèi)核邏輯、AHB / APB外設(shè)、備份域和VDD / VDDA域的APB接口。當(dāng)0.9V電壓上電后，POR將在0.9V域中產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位序列，復(fù)位完成后，如果要進(jìn)入指定的省電模式，須先配置相關(guān)的控制位，之后一旦執(zhí)行WFI或WFE指令，設(shè)備便進(jìn)入該省電模式。

使用 SMPS 降壓穩(wěn)壓器和LDO，可以設(shè)置0.9V電源域的供電電源。不同配置可提供七種有效的0.9V電源域供電模式。

注意：基于供電穩(wěn)定性以及芯片散熱考慮，目前推薦采用模式6旁路模式進(jìn)行供電。在旁路供電模式下內(nèi)部SMPS和LDO是關(guān)閉狀態(tài)，內(nèi)部Vcore由Vcore引腳進(jìn)行供電，Vcore引腳外接0.9V電源。如下圖所示。

1. 電池備份域

電池備份域由內(nèi)部電源切換器來(lái)選擇 VDD 供電或VBAT（電池）供電，然后由VBAK為備份域供電，該備份域包含RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、LXTAL（低速外部晶體振蕩器），BPOR（備份域上電復(fù)位）和BREG，以及PC13至PC15共3個(gè)BKP PAD。為了確保備份域中寄存器的內(nèi)容及RTC正常工作，當(dāng)VDD關(guān)閉時(shí)，VBAT引腳可以連接至電池或其他備份電源供電。電源切換器是由VDD / VDDA域掉電復(fù)位電路控制的。對(duì)于沒(méi)有外部電池的應(yīng)用，建議將VBAT引腳通過(guò)100nF的外部陶瓷去耦電容連接到VDD引腳上。

注意： 由于PC13至PC15引腳是通過(guò)電源切換器供電的，電源切換器僅可通過(guò)小電流，因此當(dāng)PC13至PC15的GPIO口在輸出模式時(shí)，其工作的速度不能超過(guò)2MHz（最大負(fù)載為30Pf）。

若讀者有在VDD掉電情況下RTC繼續(xù)工作的應(yīng)用需求，需要VBAT引腳外接電池并使用LXTAL外部低頻晶振，這樣在VDD掉電的情況下，VBAT供電將會(huì)由VDD切換到VBAT，LXTAL和RTC均可正常工作，后續(xù)VDD上電后同步RTC寄存器即可獲取正確的RTC時(shí)間。

5.2.2低功耗模式

GD32H7xx系列MCU具有三種低功耗模式，分別為睡眠模式、深度睡眠模式和待機(jī)模式。

睡眠模式與 Cortex?-M7 的SLEEPING模式相對(duì)應(yīng)。在睡眠模式下，僅關(guān)閉Cortex?-M7的時(shí)鐘。如需進(jìn)入睡眠模式，只要清除Cortex?-M7系統(tǒng)控制寄存器中的SLEEPDEEP位，并執(zhí)行一條WFI或WFE指令即可。如果睡眠模式是通過(guò)執(zhí)行WFI指令進(jìn)入的，任何中斷都可以喚醒系統(tǒng)。如果睡眠模式是通過(guò)執(zhí)行WFE指令進(jìn)入的，任何喚醒事件都可以喚醒系統(tǒng)（如果SEVONPEND為1，任何中斷都可以喚醒系統(tǒng)，請(qǐng)參考Cortex?-M7技術(shù)手冊(cè)）。由于無(wú)需在進(jìn)入或退出中斷上消耗時(shí)間，該模式所需的喚醒時(shí)間最短。

深度睡眠模式與 Cortex?-M7 的SLEEPDEEP模式相對(duì)應(yīng)。在深度睡眠模式下，0.9V域中的所有時(shí)鐘全部關(guān)閉，LPIRC4M、IRC64M、HXTAL及PLLs也全部被禁用。進(jìn)入深度睡眠模式之前，先將Cortex?-M7系統(tǒng)控制寄存器的SLEEPDEEP位置1，再將PMU_CTL0寄存器的LPMOD位配置為0b1，然后執(zhí)行WFI或WFE指令即可進(jìn)入深度睡眠模式。如果睡眠模式是通過(guò)執(zhí)行WFI指令進(jìn)入的，任何來(lái)自EXTI的中斷可以將系統(tǒng)從深度睡眠模式中喚醒。如果睡眠模式是通過(guò)執(zhí)行WFE指令進(jìn)入的，任何來(lái)自EXTI的事件可以將系統(tǒng)從深度睡眠模式中喚醒（如果SEVONPEND為1，任何來(lái)自EXTI的中斷都可以喚醒系統(tǒng)，請(qǐng)參考Cortex?-M7技術(shù)手冊(cè)）。

待機(jī)模式是基于 Cortex?-M7 的SLEEPDEEP模式實(shí)現(xiàn)的。在待機(jī)模式下，整個(gè)0.9V域全部停止供電，LDO關(guān)閉，同時(shí)包括LPIRC4M、IRC64M、HXTAL和PLLs也會(huì)被關(guān)閉。進(jìn)入待機(jī)模式前，先將Cortex?-M7系統(tǒng)控制寄存器的SLEEPDEEP位置1，再將PMU_CTL0寄存器的LPMOD位域配置為0b1，再清除PMU_CS寄存器的WUF位，然后執(zhí)行WFI或WFE指令，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，PMU_CS寄存器的STBF位狀態(tài)表示MCU是否已進(jìn)入待機(jī)模式。待機(jī)模式有四個(gè)喚醒源，包括來(lái)自NRST引腳的外部復(fù)位，RTC鬧鐘，F(xiàn)WDGT復(fù)位，WKUP引腳的上升沿。待機(jī)模式可以達(dá)到最低的功耗，但喚醒時(shí)間最長(zhǎng)。另外，一旦進(jìn)入待機(jī)模式，SRAM和0.9V電源域寄存器的內(nèi)容都會(huì)丟失。退出待機(jī)模式時(shí)，會(huì)發(fā)生上電復(fù)位，復(fù)位之后Cortex?-M7將從0x00000000地址開始執(zhí)行指令代碼。

低功耗模式相關(guān)數(shù)據(jù)可參考下表，不同的低功耗模式是通過(guò)關(guān)閉不同時(shí)鐘以及電源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，關(guān)閉的時(shí)鐘和電源越多，MCU所進(jìn)入的睡眠模式將會(huì)越深，功耗也會(huì)越低，帶來(lái)的喚醒時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)，其喚醒源也會(huì)越少。

各種睡眠模式下的功耗可以參考數(shù)據(jù)手冊(cè)描述，睡眠模式下相較于同主頻模式下的運(yùn)行模式功耗減少約50%，深度睡眠和待機(jī)模式功耗更低，如下表所示，深度睡眠模式下功耗常溫典型值為2-3ma。

注意：由于深度睡眠模式具有較低的功耗，喚醒后繼續(xù)從斷點(diǎn)處執(zhí)行，因而具有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，但需注意若需達(dá)到較一致的MCU深度睡眠功耗，需要將系統(tǒng)中未使用的MCU引腳均配置為模擬輸入狀態(tài)，包括芯片內(nèi)部未引出的pad。

5.3硬件設(shè)計(jì)

本例程stanby的喚醒使用到了PA0喚醒引腳，其電路如下所示。

5.4代碼解析

本例程實(shí)現(xiàn)deepsleep以及standby的進(jìn)入以及喚醒測(cè)試，首先我們來(lái)看下主函數(shù)，如下所示。該主函數(shù)首先配置了驅(qū)動(dòng)初始化、打印和LED函數(shù)，并打印Example of Low Power Test Demo。之后查詢是否進(jìn)入過(guò)Standby模式，如果進(jìn)入過(guò)Standby模式，表示當(dāng)前狀態(tài)為standby喚醒后的復(fù)位，則打印A reset event from Standby mode has occurred，并翻轉(zhuǎn)LED2，因而驗(yàn)證standby喚醒的時(shí)候，其現(xiàn)象可觀察到LED2的翻轉(zhuǎn)。之后使能wakeup引腳的喚醒以及USER按鍵的初始化，此時(shí)將wakeup KEY配置為中斷模式。在while（1）中，查詢USER KEY按下的時(shí)間，如果按下超過(guò)3S，則打印Entering Standby Mode.并進(jìn)入standby模式，如果USER KEY按下不超過(guò)3S，則打印Enter Deepsleep mode.并進(jìn)入Deepsleep模式，從deepsleep模式喚醒后需要重新配置時(shí)鐘，打印Exit Deepsleep mode.并翻轉(zhuǎn)LED1。Standby的喚醒使用PA0 wakeup引腳，deepsleep的喚醒可使用任何EXTI中斷，本實(shí)例中使用wakeup按鍵中斷喚醒。

C
int main(void)
{
rcu_periph_clock_enable(RCU_PMU);
driver_init();
//注冊(cè)按鍵掃描
driver_tick_handle[0].tick_value=10;
driver_tick_handle[0].tick_task_callback=key_scan_10ms_callhandle;


bsp_uart_init(&BOARD_UART); /* 板載UART初始化 */
printf_log("Example of Low Power Test Demo.\r\n");

delay_ms(2000);
bsp_led_group_init();

/* 判斷是否進(jìn)入過(guò)Stanby模式 */
if(pmu_flag_get(PMU_FLAG_STANDBY)==SET)
{
printf_log("A reset event from Standby mode has occurred.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED2);
pmu_flag_clear(PMU_FLAG_STANDBY);
}

/* 配置PA0 Wakeup喚醒功能 */
pmu_wakeup_pin_enable(PMU_WAKEUP_PIN0);
WKUP_KEY.key_gpio->gpio_mode = INT_HIGH;
WKUP_KEY.key_gpio->int_callback = WKUP_KEY_IRQ_callback;
bsp_key_group_init();
nvic_irq_enable(EXTI0_IRQn,0,0);

while (1)
{
/* 檢測(cè)KEY1按鍵是否被按下，如果按下，進(jìn)入standby模式 */
if(USER_KEY.press_timerms >= PRESS_3000MS)
{
USER_KEY.press_timerms=PRESS_NONE;
printf_log("Entering Standby Mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED2);
pmu_to_standbymode();
}
/* 檢測(cè)KEY2按鍵是否被按下，如果按下，進(jìn)入Deepsleep模式 */
if(USER_KEY.press_timerms >= PRESS_50MS)
{
USER_KEY.press_timerms=PRESS_NONE;
printf_log("Enter Deepsleep mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED1);

bsp_lcd_backlight_off();
pmu_to_deepsleepmode(WFI_CMD);
bsp_lcd_backlight_on();
printf_log("Exit Deepsleep mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED1);
}
}
}

5.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本實(shí)驗(yàn)歷程燒錄到海棠派開發(fā)板中，按下user key按鍵超過(guò)3S，松開后MCU將進(jìn)入standby模式，并打印Entering Standby Mode.，然后按下wakeup按鍵，將從stanby模式喚醒，打印A reset event from Standby mode has occurred.并翻轉(zhuǎn)LED2，之后短按USER KEY，將打印Enter Deepsleep mode.進(jìn)入deepsleep模式，然后按下wakeup按鍵將從deepsleep模式下喚醒，喚醒后重新配置時(shí)鐘，打印Exit Deepsleep mode.并將LED1翻轉(zhuǎn)。

本教程由GD32 MCU方案商聚沃科技原創(chuàng)發(fā)布，了解更多GD32 MCU教程，關(guān)注聚沃科技官網(wǎng)