【STM32U385RG 测评】各功耗模式的电流测试
一、软硬件准备
1.1 软件环境
开发环境用的是VSCode+CubeMX，搭建方式参考之前的帖子： 【STM32U385RG 测评】搭建基于VSCode的STM32开发环境
1.2 硬件连接
硬件连接方式如下图所示：
通过USB Type-C线连将开发板连接到PC，需要注意的是：
- 开发板接标有USB STLK的口，如图所示；
- 有的USB线PC不识别，不是驱动问题，换一根线就可以；
二、背景知识
2.1 低功耗模式
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：
表格下方的说明文字，翻译过来就是：
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：
- 睡眠模式 (Sleep mode)
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。
- 停止模式 0、1、2 和 3 (Stop 0, Stop 1, Stop 2, and Stop 3 modes)
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。
- RTC可以保持活动（带RTC的停止模式，不带RTC的停止模式）。
- 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。
- 在停止模式0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。
- 在停止模式1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。
- 在停止模式2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。
- 停止模式3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。
- 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。
- 待机模式 (Standby mode)
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。
- RTC可以保持活动（带RTC的待机模式，不带RTC的待机模式）。
- 欠压复位（BOR）在待机模式下始终保持活动。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 唤醒后的系统时钟是高达12 MHz的MSIS。
- 关机模式 (Shutdown mode)
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。
- RTC可以保持活动（带RTC的关机模式，不带RTC的关机模式）。
- 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。
- 除备份域中的寄存器外，SRAM和寄存器内容将丢失。
- 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。
- 唤醒后的系统时钟是12 MHz的MSIS。
2.2 电源管理
参考手册第9章 开头部分：
其中System supply voltage regulation下方列出了两种，翻译过来就是：
System supply voltage regulation
系统供电电压调节
– SMPS step-down converter
– 开关模式电源 (SMPS = Switching Mode Power Supply) 降压转换器
– Linear voltage regulator (LDO)
– 线性稳压器 (LDO)
三、创建项目
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。
3.1 选择芯片型号
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：
其中，具体操作步骤为：
- 在Commercial Part Number栏中输入U385RG，并回车；
- 在MCUs/MPUs List下方选中Board列有NUCLEO-U385RG-Q的一行；
- 点击右上角Start Project按钮；
- 弹出TrustZone设置的话框，选择Witout TrustZone activated；
3.2 设置引脚功能
在STM32CubeMX的Pinout View中，找到PA5引脚，将其设置为GPIO_Output：
3.3 CPU时钟频率
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）：
3.4 生成CMake项目
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：
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：
四、电流测试
4.1 正常运行
在生成的CMake项目中，修改 Core/Src/main.c文件中，main函数的无限循环部分代码，修改为：
/* 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 */
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：
4.2 SMPS供电
切换到SMPS（开关电源模式）供电后，系统功耗可以进一步降低。
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：
/* 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 */
SMPS供电后，万用表测到的电流降低到0.43mA：
4.3 Standby模式
进入Standby模式的代码比较简单，一行代码即可：
HAL_PWR_EnterSTANDBYMode(); // 进入 Standby 模式
修改后的循环代码如下：
/* 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 */
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）：
4.4 Sleep模式
进入Sleep模式的代码稍微复杂一点，带有两个参数：
HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI); // 进入 Sleep 模式
两个参数可用的值，在接口注释上有说明：
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：
HAL_SuspendTick(); // 关闭 SysTick 中断
修改后，完整的测试循环代码如下：
/* 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 < 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 */
进入Sleep模式后，万用表测到的电流为219.8uA：
4.5 Stop模式
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：
HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERMODE_STOP0, PWR_STOPENTRY_WFI); // 进入 Stop 模式
类似的，接口注释说明了两个参数都可以使用哪些值：
相应的测试循环代码如下：
/* 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 < 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 */
进入Stop 0模式后，万用表测到的电流为76uA：
类似的，修改 HAL_PWR_EnterSTOPMode的第一个参数，就可以进入Stop 1、Stop 2、Stop 3模式。
进入Stop 1模式后，测到的电流为71.4uA：
进入Stop 2模式后，测到的电流为5.9uA：
进入Stop 3模式后，测到的电流为2.7uA：
五、数据对比
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：
| 功耗模式 |
电流值（uA） |
| 正常运行（LDO供电） |
1190 |
| SMPS供电 |
430 |
| Sleep |
219.8 |
| Stop 0 |
76 |
| Stop 1 |
71.4 |
| Stop 2 |
5.9 |
| Stop 3 |
2.7 |
| Standby |
0.5 |
绘制成柱状图，对比非常明显：
六、参考链接
- NUCLEO-U385RG-Q开发板原理图： https://www.st.com.cn/resource/en/schematic_pack/mb1841-u385rgq-e01-schematic.pdf
- STM32U3系列简介： https://www.st.com.cn/zh/microcontrollers-microprocessors/stm32u3-series.html
- STM32CubeMX下载页面： https://www.st.com.cn/zh/development-tools/stm32cubemx.html
- 【经验分享】STM32低功耗模式测试： https://shequ.stmicroelectronics.cn/thread-633881-1-1.html
