评测NUCLEO-L073RZ低功耗设计方法及测试

只看该作者 · 2016-3-18 22:32

本文将分三部分介绍评测NUCLEO-L073RZ：

1，STM32L0独具的低功耗结构特点

2，低功耗程序设计时注意的要点

2.1 运行时降低功耗

2.2 休眠时降低功耗

3，编写例程，测试开发板上的低功耗性能（包括功耗及唤醒响应时间）

3.1 使用的硬件资源

3.2 软件相关，包括使用操作（软件功能说明，源码在最后附件中，就不单独贴出详细描述，有疑问可以跟贴回复）

3.3 5种模式（run , run_sleep, low power run , low power sleep, stop with rtc(3V)）下带固定几种外设（adc,systick,lptime,gpio）的功耗。

以上各模式下响应外部中断的时间。

新手评测，欢迎拍砖，如果大家还需了解什么，跟贴回复，尽量按大家要求多做测试。

NUCLEO-L073RZ是基于STM32L0超低功耗系列芯片STM32L073RZT6设计的一款评估板。该系列显著的低功耗性能也算是MCU行业的的绞绞者。官方给出数据，低功耗运行模式(Low power run) 8.55uA , 停止模式(Stop with RTC)0.82uA, 待机模式(Standby) 290 nA,功耗直逼MSP430。

但STM32L系列内核是基于Cortex-M0+的高性能32位微控制器。在低功耗应用中，MCU总有段时间需要唤醒完成一系列任务，这样可以快速处理完任务，以最大化的休眠时间进入休眠模式，也是一种降低功耗的办法，通常在执行任务时的电流消耗是休眠状态的几十，甚至几百倍。在拥有低功耗的同时，又能运行高性能模式，完成数据采集，算法处理等一系列应用。是对STM8L系列的补充。所以TI公司也推出MSP432系列基于Cortex-M0内核的低功耗产品。

只看该作者 · 2016-3-18 22:34

1，STM32L0独具的低功耗结构特点

1). Cortex-M0+ 提供一系列领先的性能和程序容量。在大多数低功耗设计中采用的，尽最大努力减少唤醒后的运行时间，争取更多的休眠时间达到降低功耗的目的。按mA/DMIPS考虑，Cortex-M0+优于其他架构，特别对比于16位MCU。

2). Voltage regulator 可动态管理内核电压Vcore，根据性能，功耗的平衡来降低电流消耗。在降低内核电压的同时，频率也必须满足相应的要求。

3). 多种时钟源选择独有的HSI16,HSI48,MSI时钟，用于复位时及stop,standby模式唤醒后使用，及低功耗运行模式的时钟源(MSI)。其中，MSI作为内部超低功耗的内部RC时钟源，可配置：65.536 kHz, 131.072 kHz, 262.144 kHz, 524.288 kHz, 1.048 MHz,2.097 MHz (default value) and 4.194 MHz,根据以最低功耗满足性能需求的原则合理降低运行时的功耗。

4). Numerous low power modes 多种低功耗模式（即休眠模式），low power run模式除外。低功耗设计中，通常尽快执行完任务，让CPU处于空闲状态后，进入休眠模式，以节约电源。不同的休眠模式，将关闭相应的外设及内核，达到降低功耗的目的。

5). 一系列独有的低功耗外设

A pair of ultra-low power comparators 用于管理模拟电压，并可以做为低功耗模式的唤醒设置（当检测到外部电压达到设置范围），仅3uA的电流消耗。

RTC peripheral 可以在内核处于电流消耗最少的待机模式下唤醒，可做为实时时钟，通常电池供电的手持设备，需要借此外设维护系统时钟等信息，功耗极低。1uA以下。

versatile LCD controller 专用的LCD控制器，5uA的消耗，不包含LCD的电流。

Low power timer (LPTIM)，LPUART 不同于常规的MCU，独有的低功耗外设，实现定时，串口。另I2C,USART在使用HSI16驱动时，可把MCU从stop模式下唤醒。

只看该作者 · 2016-3-18 22:35

2，低功耗程序设计时注意的要点

微控制器程序设计时，影响最大的因素是：电压和频率。高性能的处理效率和低功耗相互茅盾，难度在于平衡时间和功耗以达到最低的功耗（相当于程序设计思路权衡，唤醒时间间隔及唤醒后以多高的性能运行，以达到最快的结束算法，降低平均功耗）。本文只描述降低芯片自身的功耗，在产品中，整体功耗有关原理的设计，各功能的外围电路应用MOS电路能使能或关断相应的电源电路以降低功耗。

2.1 运行时降低功耗

1).根据运行时需处理的任务实时性，算法复杂度，选取合适的内核电压和频率。降低运行时的平均功耗。

2).除了上途选择合适的电压频率，在突发式需大量处理数据时，可根据需要动态调整电压频率以降低功耗或提升性能。

3).可以考虑使用low power run的运行模式。

4).关闭不使用或暂时不需要用到的外设时钟

5).降低不需要高频率运行的外设频率，如定时器、ADC（1MSps时300uA,10KSps时仅几十uA）等。

6).定时器，串口尽量使用专门设计的低功耗的LPTIM，LPUART。ADC也有特殊的低功耗处理模式

2.2 休眠时降低功耗

1).合理设计休眠时间，满足需求情况下，最大程度休眠。

2).休眠期间可选择关断FLASH，内核等不同的休眠模式，但牺牲的是唤醒的实时性。

3).休眠时间较长，可选择关闭所有外设时钟。

4).除了上述关闭时钟，有些外设还需要禁能（如ADC，关闭后，可以关闭模式电源）

5).IO口配合外围电源，切断或减小外部电路的消耗（通常此时不需要响应的，不用IO调成内部上拉，并关闭时钟）。

3，低功耗测试

本次功耗测试，在run,low power run模式下，均运行adc，systick,usart,gpio button。官方给出的功耗，在low power run模式下只有button,systick,实际运行的时刻不可能不运行其他东西。另外，测试时无法避免外围器件上的一点点电流消耗，所以此次测得的功耗可能会相对官方给出的偏一些。

3.1使用的硬件资源

上述图中JP6可以断开MCU供电，所以拿掉跳丝帽，串入电流表即可测得电流。

上图的BUTTON接在PC3口上，用于外部中断，把MCU从各种低功耗模式唤醒，切换至高速的RUN模式。