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xusiwei1236 发表于 2025-8-19 20:28

【STM32U385RG 测评】各功耗模式的电流测试

<h1>【STM32U385RG 测评】各功耗模式的电流测试</h1>
<h2>一、软硬件准备</h2>
<h3>1.1 软件环境</h3>
<p>开发环境用的是VSCode+CubeMX，搭建方式参考之前的帖子： <a href="https://bbs.21ic.com/icview-3472232-1-1.html">【STM32U385RG 测评】搭建基于VSCode的STM32开发环境</a></p>
<h3>1.2 硬件连接</h3>
<p>硬件连接方式如下图所示：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/201716op5ir2yic4qrpf2y.png" alt="image-20250728220602340.png" title="image-20250728220602340.png" /></p>
<p>通过USB Type-C线连将开发板连接到PC，需要注意的是：</p>
<ol>
<li>开发板接标有USB STLK的口，如图所示；</li>
<li>有的USB线PC不识别，不是驱动问题，换一根线就可以；</li>
</ol>
<h2>二、背景知识</h2>
<h3>2.1 低功耗模式</h3>
<p>关于主控芯片STM32U385xx的低功耗模式，数据手册中有一个表格列出了：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/201741y98z598u99zwvuzz.png" alt="image-20250805222714778.png" title="image-20250805222714778.png" /></p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/201759qf1orccrkcc1rkk4.png" alt="image-20250805222738591.png" title="image-20250805222738591.png" /></p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/201815p88skd7shk23ddx4.png" alt="image-20250805223134045.png" title="image-20250805223134045.png" /></p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/201833qt8fz71dfz9cu9z1.png" alt="image-20250805223151773.png" title="image-20250805223151773.png" /></p>
<p>表格下方的说明文字，翻译过来就是：</p>
<blockquote>
<p><strong>默认情况下，微控制器在系统复位或上电复位后处于运行模式（Run mode）。用户可以选择下述低功耗模式之一：</strong></p>
<ul>
<li><strong>睡眠模式 (Sleep mode)</strong><br />
CPU时钟关闭，所有外设（包括Cortex®-M33内核组件，如NVIC和SysTick）可以运行，并在发生中断或事件时唤醒CPU。</li>
<li><strong>停止模式 0、1、2 和 3 (Stop 0, Stop 1, Stop 2, and Stop 3 modes)</strong><br />
停止模式在保留SRAM和寄存器内容的同时实现最低功耗。SRAM可以完全或部分关闭以进一步降低功耗。内核域中的所有时钟均停止。MSI (MSIS和MSIK) RC振荡器、HSI16 RC振荡器和HSE晶体振荡器被禁用。LSE或LSI仍在运行。
<ul>
<li>RTC可以保持活动（带RTC的停止模式，不带RTC的停止模式）。</li>
<li>一些外设是自主的，可以在停止模式下操作，在需要时请求其内核时钟及其总线（APB或AHB），以便根据外设和电源模式通过GPDMA1传输数据。</li>
<li>在<strong>停止模式0</strong>下，稳压器保持主稳压模式，可实现极快的唤醒时间，但功耗较高。</li>
<li>在<strong>停止模式1</strong>下，稳压器处于低功耗模式，整个内核域保持完全供电。所有自主外设均可工作。</li>
<li>在<strong>停止模式2</strong>下，大部分内核域（D1域）置于较低泄漏模式，保留寄存器内容，但不具备任何功能。包含APB3外设的D2域保持完全供电，因此这些外设可以保持工作状态。</li>
<li><strong>停止模式3</strong>是具有完全保留功能的最低功耗模式，但可用的功能外设和唤醒源减少到与待机模式相同。</li>
<li>退出停止模式时的系统时钟可以是高达48 MHz的MSIS或HSI16，具体取决于软件配置。</li>
</ul>
</li>
<li><strong>待机模式 (Standby mode)</strong><br />
待机模式用于在开启BOR（欠压复位）的情况下实现最低功耗。内部稳压器关闭，因此内核域断电。MSI (MSIS和MSIK) RC振荡器、HSI16 RC振荡器和HSE晶体振荡器也被关闭。
<ul>
<li>RTC可以保持活动（带RTC的待机模式，不带RTC的待机模式）。</li>
<li>欠压复位（BOR）在待机模式下始终保持活动。</li>
<li>待机模式下每个I/O的状态可通过软件选择：内部上拉、内部下拉或浮空。</li>
<li>进入待机模式后，除备份域中的寄存器和待机电路外，SRAM和寄存器内容将丢失。可选地，在待机模式下可通过低功耗稳压器供电（待机且保留SRAM2模式）保留完整的SRAM2或8 KB、24 KB、32 KB的SRAM2。</li>
<li>BOR可配置为超低功耗模式，以进一步降低待机模式下的功耗。</li>
<li>当发生外部复位（NRST引脚）、IWDG（独立看门狗）提前唤醒事件或复位、WKUP引脚事件（可配置上升沿或下降沿）、RTC事件（闹钟、周期性唤醒、时间戳）、篡改检测或I3C复位模式检测时，设备将退出待机模式。</li>
<li>唤醒后的系统时钟是高达12 MHz的MSIS。</li>
</ul>
</li>
<li><strong>关机模式 (Shutdown mode)</strong><br />
关机模式允许实现最低功耗。内部稳压器关闭，因此内核域断电。HSI16、MSI (MSIS和MSIK)、LSI以及HSE振荡器也被关闭。
<ul>
<li>RTC可以保持活动（带RTC的关机模式，不带RTC的关机模式）。</li>
<li>关机模式下不可用BOR。此模式下无法进行电源电压监控，因此不支持切换到备份域。</li>
<li>除备份域中的寄存器外，SRAM和寄存器内容将丢失。</li>
<li>当发生外部复位（NRST引脚）、WKUP引脚事件（可配置上升沿或下降沿）、RTC事件（闹钟、周期性唤醒、时间戳）、篡改检测或I3C复位模式检测时，设备将退出关机模式。</li>
<li>唤醒后的系统时钟是12 MHz的MSIS。</li>
</ul>
</li>
</ul>
</blockquote>
<h3>2.2 电源管理</h3>
<p>参考手册第9章 开头部分：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/201901s0020vu2v2z7ow29.png" alt="image-20250818215243030.png" title="image-20250818215243030.png" /></p>
<p>其中System supply voltage regulation下方列出了两种，翻译过来就是：</p>
<blockquote>
<p><strong>System supply voltage regulation</strong><br />
系统供电电压调节<br />
– <strong>SMPS step-down converter</strong><br />
– <em>开关模式电源 (<strong>SMPS = Switching Mode Power Supply</strong>) 降压转换器</em><br />
– <strong>Linear voltage regulator (LDO)</strong><br />
– <em>线性稳压器 (LDO)</em></p>
</blockquote>
<h2>三、创建项目</h2>
<p>为了方便观察，我们仍然创建一个点灯的项目，让程序正常运行状态下，执行不断闪烁LED的逻辑；进入Sleep、Stop、Standby模式之后，程序不运行，LED应该不闪烁。这样就非常方便我们观察——CPU是否真的安装我们预期的停下来了。</p>
<h3>3.1 选择芯片型号</h3>
<p>打开STM32CubeMX，通过菜单File→New Project打开新建项目窗口，在弹出的界面中选择“Board Selector”标签页：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/201924kffegv4sir7reetr.png" alt="image-20250806211407011.png" title="image-20250806211407011.png" /></p>
<p>其中，具体操作步骤为：</p>
<ul>
<li>在Commercial Part Number栏中输入U385RG，并回车；</li>
<li>在MCUs/MPUs List下方选中Board列有NUCLEO-U385RG-Q的一行；</li>
<li>点击右上角Start Project按钮；</li>
<li>弹出TrustZone设置的话框，选择Witout TrustZone activated；</li>
</ul>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202011enma4yqzxmdt4dwq.png" alt="image-20250806211853640.png" title="image-20250806211853640.png" /></p>
<h3>3.2 设置引脚功能</h3>
<p>在STM32CubeMX的Pinout View中，找到PA5引脚，将其设置为GPIO_Output：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202050rrrsnzrnz0fcc3q7.png" alt="image-20250806215301390.png" title="image-20250806215301390.png" /></p>
<h3>3.3 CPU时钟频率</h3>
<p>默认的CPU时钟频率为1.5MHz，可以正常运行LED闪烁，可以不修改（CPU频率越高，功耗也会越高）：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202115i44rs48bburrrblp.png" alt="image-20250818223110537.png" title="image-20250818223110537.png" /></p>
<h3>3.4 生成CMake项目</h3>
<p>完成引脚功能修改后，在STM32CubeMX中，切到Project Manager标签页，Toolchain/IDE选择CMake，如下图：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202145lnxnt3od2ailxan2.png" alt="image-20250806215209411.png" title="image-20250806215209411.png" /></p>
<p>切换到Code Generator设置，选择Copy only the necessary library files和Generate peripheral initialization as a pair of ‘.c/.h’ per peripheral，如下图：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202206zdb3enffmff0iff0.png" alt="image-20250818220320690.png" title="image-20250818220320690.png" /></p>
<h2>四、电流测试</h2>
<h3>4.1 正常运行</h3>
<p>在生成的CMake项目中，修改 <code>Core/Src/main.c</code>文件中，<code>main</code>函数的无限循环部分代码，修改为：</p>
<pre><code class="language-c">/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    HAL_Delay(1000);

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
</code></pre>
<p>这样就可以正常闪烁板载LED灯，此时万用表测到的电流为1.19mA：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202230efmg1g6o1yrmf6g6.jpg" alt="IMG_20250818_220939.jpg" title="IMG_20250818_220939.jpg" /></p>
<h3>4.2 SMPS供电</h3>
<p>切换到SMPS（开关电源模式）供电后，系统功耗可以进一步降低。</p>
<p>在刚刚的循环开始之前，添加一行代码，即可切换到SMPS供电，修改后的循环代码如下：</p>
<pre><code class="language-c">/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
HAL_PWREx_ConfigSupply(PWR_SMPS_SUPPLY); // 配置 SMPS 作为电源
while (1)
{
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    HAL_Delay(1000);

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
</code></pre>
<p>SMPS供电后，万用表测到的电流降低到0.43mA：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202252cidw3l1d1p9iswai.jpg" alt="IMG_20250818_222655.jpg" title="IMG_20250818_222655.jpg" /></p>
<h3>4.3 Standby模式</h3>
<p>进入Standby模式的代码比较简单，一行代码即可：</p>
<pre><code class="language-c">HAL_PWR_EnterSTANDBYMode(); // 进入 Standby 模式
</code></pre>
<p>修改后的循环代码如下：</p>
<pre><code class="language-c">/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
HAL_PWREx_ConfigSupply(PWR_SMPS_SUPPLY); // 配置 SMPS 作为电源
HAL_PWR_EnterSTANDBYMode(); // 进入 Standby 模式
while (1)
{
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    HAL_Delay(1000);

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
</code></pre>
<p>此时，万用表测到的电流为0.5uA，并且LED灯不闪烁（CPU已经停止，不再执行程序）：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202314nzfreezbf458zpb4.jpg" alt="IMG_20250818_223948.jpg" title="IMG_20250818_223948.jpg" /></p>
<h3>4.4 Sleep模式</h3>
<p>进入Sleep模式的代码稍微复杂一点，带有两个参数：</p>
<pre><code class="language-c">HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);// 进入 Sleep 模式
</code></pre>
<p>两个参数可用的值，在接口注释上有说明：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202338izumnow8dxux3l9e.png" alt="image-20250818224917776.png" title="image-20250818224917776.png" /></p>
<p>进入Sleep模式后，CPU暂停执行，但会被中断唤醒，包括SysTick中断，而STM32 HAL库初始化默认会启用SysTick中断。因此，如果只加了上面的一行代码，并不能进入休眠模式，需要在前面加入一行停止SysTick的调用：</p>
<pre><code class="language-c">HAL_SuspendTick(); // 关闭 SysTick 中断
</code></pre>
<p>修改后，完整的测试循环代码如下：</p>
<pre><code class="language-c">/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
HAL_PWREx_ConfigSupply(PWR_SMPS_SUPPLY); // 配置 SMPS 作为电源

// 先闪烁 10 次
for (int i = 0; i &lt; 10; i++) {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    HAL_Delay(500);
}
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // 熄灭 LED

HAL_SuspendTick(); // 关闭 SysTick 中断
HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);// 进入 Sleep 模式

while (1) {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5); // 这里不闪烁，表示正常进入了Sleep模式，CPU暂停执行了
    HAL_Delay(1000);
}
/* USER CODE END 3 */
</code></pre>
<p>进入Sleep模式后，万用表测到的电流为219.8uA：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202359jyotbt1iy1981y8o.jpg" alt="IMG_20250818_225205.jpg" title="IMG_20250818_225205.jpg" /></p>
<h3>4.5 Stop模式</h3>
<p>和进入Sleep模式类似，进入Stop模式的HAL接口，也带有两个参数如下：</p>
<pre><code class="language-c">HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERMODE_STOP0, PWR_STOPENTRY_WFI); // 进入 Stop 模式
</code></pre>
<p>类似的，接口注释说明了两个参数都可以使用哪些值：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202443add51rhzd417d7z4.png" alt="image-20250818225800558.png" title="image-20250818225800558.png" /></p>
<p>相应的测试循环代码如下：</p>
<pre><code class="language-c">/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
HAL_PWREx_ConfigSupply(PWR_SMPS_SUPPLY); // 配置 SMPS 作为电源

// 先闪烁 10 次
for (int i = 0; i &lt; 10; i++) {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    HAL_Delay(500);
}
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // 熄灭 LED

HAL_SuspendTick(); // 关闭 SysTick 中断
HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERMODE_STOP0, PWR_STOPENTRY_WFI); // 进入 Stop 0 模式

while (1) {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    HAL_Delay(1000);
}
/* USER CODE END 3 */
</code></pre>
<p>进入Stop 0模式后，万用表测到的电流为76uA：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202514afjgml8899jzu9hb.jpg" alt="IMG_20250818_225654.jpg" title="IMG_20250818_225654.jpg" /></p>
<p>类似的，修改 <code>HAL_PWR_EnterSTOPMode</code>的第一个参数，就可以进入Stop 1、Stop 2、Stop 3模式。</p>
<p>进入Stop 1模式后，测到的电流为71.4uA：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202533vhznth0kg8h1gtjg.jpg" alt="IMG_20250818_233752.jpg" title="IMG_20250818_233752.jpg" /></p>
<p>进入Stop 2模式后，测到的电流为5.9uA：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202549uzo69fxkql9n9qjx.jpg" alt="IMG_20250818_230509.jpg" title="IMG_20250818_230509.jpg" /></p>
<p>进入Stop 3模式后，测到的电流为2.7uA：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202607al14aulbcuy199na.jpg" alt="IMG_20250818_230624.jpg" title="IMG_20250818_230624.jpg" /></p>
<h2>五、数据对比</h2>
<p>综上，实验数据整理一下，CPU时钟频率在1.5MHz时，各个功耗模式下，测得的电流值分别为：</p>
<table>
<thead>
<tr>
<th>功耗模式</th>
<th>电流值（uA）</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>正常运行（LDO供电）</td>
<td>1190</td>
</tr>
<tr>
<td>SMPS供电</td>
<td>430</td>
</tr>
<tr>
<td>Sleep</td>
<td>219.8</td>
</tr>
<tr>
<td>Stop 0</td>
<td>76</td>
</tr>
<tr>
<td>Stop 1</td>
<td>71.4</td>
</tr>
<tr>
<td>Stop 2</td>
<td>5.9</td>
</tr>
<tr>
<td>Stop 3</td>
<td>2.7</td>
</tr>
<tr>
<td>Standby</td>
<td>0.5</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>绘制成柱状图，对比非常明显：</p>
<p><img src="data/attachment/forum/202508/19/202639h1rtcosr139zcrbh.png" alt="image-20250818235232021.png" title="image-20250818235232021.png" /></p>
<h2>六、参考链接</h2>
<ol>
<li>NUCLEO-U385RG-Q开发板原理图：https://www.st.com.cn/resource/en/schematic_pack/mb1841-u385rgq-e01-schematic.pdf</li>
<li>STM32U3系列简介： https://www.st.com.cn/zh/microcontrollers-microprocessors/stm32u3-series.html</li>
<li>STM32CubeMX下载页面： https://www.st.com.cn/zh/development-tools/stm32cubemx.html</li>
<li>【经验分享】STM32低功耗模式测试： https://shequ.stmicroelectronics.cn/thread-633881-1-1.html</li>
</ol>

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