以华芯微特SWM341/SWM34S系列MCU芯片,介绍从软件层面降低MCU功耗的方法

2024-09-03 华芯微特32位MCU公众号
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一、引言

1. 背景介绍:随着集成电路技术的飞速发展,MCU的功耗问题逐渐成为设计和应用中必须考虑的关键因素。低功耗设计对于提高电路可靠性、降低成本以及延长电池寿命具有至关重要的作用。


2. 目的和意义:本文档主要是以华芯微特SWM341/SWM34S系列芯片,介绍从软件层面降低MCU功耗的方法分享。


二、功耗影响因素

 功耗影响因素:供电电压、时钟频率、外设数目以及运行模式等


三、降低功耗方法

1. 控制子模块电路电源:

可以通过GPIO对采样电源进行控制,如SDRAM在不使用时,可以断开SDRAM电源降低功耗。

2. 控制内部外设:

把不需要使用的外设时钟全部关闭,需要时开启。例如,在固件分debug和release版本时,release版本屏蔽串口调试输出,关闭串口时钟。

3. 控制时钟频率:

时钟频率是影响功耗的关键因素,同等时间内,时钟越快,功耗越高。

根据实际工作情况调整时钟频率,如低速工作时适当降低CPU的时钟频率。

4. 控制IO状态:

未用到和悬空的IO,配置为高阻态或模拟输入。凡是对接其他子模块电路的IO需要关注子模块的IO状态进行对应调整,避免存在电压差。

5. 降低唤醒频率:

如通过SPI读取子模块的数据时,可开启子模块的FIFO,由轮询读取改为中断触发读取,提高MCU休眠时间,读取数据更高效。

6. 深层待机模式:

CPU内核及所有时钟源关闭,关闭RAM及LDO等所有外围电路的电源,仅IO管脚(或部分IO管脚)持续供电。

由IO管脚或重置(Reset)管脚唤醒CPU,这种模式具有更低的静态电流,但RAM的数据会丢失。

7. 优化程序代码:

通过优化程序代码,减少不必要的功耗和数据传输。

例如,减少CPU的唤醒次数、降低数据传输的频率和数据量。


四、低功耗应用案例---SWM34SME

SWM341系列有SLEEP和STOP两种低功耗模式。SLEEP模式下,所有外设关闭,Core工作在32KHz,SRAM和FLASH不掉电。STOP模式除BACKUP寄存器外,所有模块停止工作。以GPIO唤醒睡眠为例:

l SWM34SME的SDRAM电源可硬件设计为GPIO控制,先关闭SDRAM电源,减少SDRAM静态功耗。其它系列SWM34S的SDRAM电源会SDRAM相关的IO设置成浮空模式,防止IO漏电。


l 关闭所有外设,其中USB模块需要格外关注,USB PHY供电的情况下会有3mA左右的电流消耗,需要手动关闭,USB工作时钟为外部12MH晶振,关闭之前,需要打开外部12M,关闭后加一点延时,关闭完成后关闭外部晶振。


l 主时钟切换到内部20MHz。

l l 设置任一GPIO唤醒。

l l l 配置进入低功耗模式。

 

SLEEP模式下,Core时钟自动切换到32KHz,Core此时是工作的,SDRAM没有掉电

 

STOP模式下,除BACKUP有电之外,包括核在内的其它模块都不工作。


SLEEP模式:

int main(void)

{

uint32_t  i;

for(i = 0; i < SystemCoreClock; i++) __NOP(); //防止无法更新程序

SystemInit();

//打开外部12MHz,外部晶振为USB的工作时钟源,关闭USB  PHY之前需要打开

PORT_Init(PORTA, PIN3, PORTA_PIN3_XTAL_IN,  0);

PORT_Init(PORTA, PIN4, PORTA_PIN4_XTAL_OUT, 0);

SYS->XTALCR |= (1 << SYS_XTALCR_ON_Pos) | (15 << SYS_XTALCR_DRV_Pos) | (1 << SYS_XTALCR_DET_Pos);

//等待外振起振

SysTick_Delayus(6000);

TurnOffUSBPower();

//等待USB关闭

SysTick_Delayus(10000);


GPIO_CLR();//设置所有GPIO为浮空状态

SYS->LRCCR |= (1 << SYS_LRCCR_ON_Pos);   //开启32K低频振荡器

//开启PN10引脚低电平唤

GPIO_Init(GPIOA, PIN10, 0, 1, 0, 0);    

SYS->PAWKEN |= (1 << PIN10);

while(1==1)

{


__disable_irq();       

switchTo20MHz();   //休眠前,切换到 20MHz

    SYS->PLLCR|=(1<< SYS_PLLCR_OFF_Pos);//关闭PLL

SYS->XTALCR=0;     //关闭外部时钟

SYS->PAWKSR = (1 << PIN10);     //清除唤醒标志

SYS->SLEEP |= (1 << SYS_SLEEP_SLEEP_Pos); //进入睡眠模式

while((SYS->PAWKSR & (1 << PIN10)) == 0); //等待唤醒条件


switchToPLL(0);  //唤醒后,切换到 PLL


__enable_irq();    

//切换到 PLL等待一下,看功耗变化

for(i = 0; i < SystemCoreClock/20; i++) __NOP();

   }

}


 STOP模式:

int main(void)

{

uint32_t i;

//调试阶段建议加延时,防止配置有误造成的死机

for(i=0; i<systemcoreclock; i++)<="" span="">       

{

__NOP();

}

SystemInit();

//打开外部12MHz,外部晶振为USB的工作时钟源,关闭USB  PHY 之前需要打开

PORT_Init(PORTA, PIN3, PORTA_PIN3_XTAL_IN,  0);

PORT_Init(PORTA, PIN4, PORTA_PIN4_XTAL_OUT, 0);

SYS->XTALCR |= (1 << SYS_XTALCR_ON_Pos) | (15 << SYS_XTALCR_DRV_Pos) | (1 << SYS_XTALCR_DET_Pos);

//等待外振起振

SysTick_Delayus(6000);

TurnOffUSBPower();

//等待USB关闭

SysTick_Delayus(10000);

//BACKUP寄存器值不会唤醒复位

SYS->BACKUP[0] += 1;


GPIO_CLR();//设置所有GPIO为浮空状态

//开启PA10引脚低电平唤醒

GPIO_Init(GPIOA, PIN10, 0, 1, 0, 0);    

SYS->PAWKEN |= (1 << PIN10);  

while(1==1)

{

for(i = 0; i < SystemCoreClock/4; i++) __NOP();


switchTo20MHz(); //休眠前,切换到 20MHz

    SYS->PLLCR|=(1<< SYS_PLLCR_OFF_Pos);//关闭PLL

SYS->PAWKSR = (1 << PIN10);     //清除唤醒标志

SYS->SLEEP |= (1 << SYS_SLEEP_STOP_Pos); //进入STOP模式

    }

}

void TurnOffUSBPower(void)

{

SYS->USBCR |= 0x07;

SYS->CLKEN0 |= (0x01 << 24);

USBD->DEVCR = (USBD_SPEED_FS << USBD_DEVCR_SPEED_Pos);

USBH->PORTSR |=(1<<2);

SYS->USBPHYCR &= ~SYS_USBPHYCR_PLLEN_Msk;

SYS->USBPHYCR &= ~SYS_USBPHYCR_OPMODE_Msk;

SYS->USBPHYCR |= ( 1 << SYS_USBPHYCR_OPMODE_Pos);

}

void GPIO_CLR(void)

{

//配置所有GPIO为浮空状态

PORT_Init(PORTA,  0,  0,  0);

//…….

PORT_Init(PORTN,  15 ,  0,  0);

}


注释:以上两种低功耗模式,工作在3.3V电压下,系统时钟选择PLL100MHz,PLL时钟源为内部20MHz,条件下测试,SLEEP模式下,功耗小600μA,STOP模式,功耗小于500μA。

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