【经验】低功耗蓝牙SoC EFR32BG22系列如何从软硬件两方面实现低功耗设计？

时间： 2021-03-16 来源：世强

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EFR32BG22是SILICON LABS公司主打的低功耗蓝牙SoC系列，以优异的性能和低廉的价格一度称霸市场。但是对于新手工程师来说，如何控制好功耗，以延长电池类产品的寿命，有很多需要关注的地方。本文将从硬件和代码底层两方面分析SoC低功耗实现的关键点。

首先，我们先来看一下SOC外部电路设计，为了获得更低的功耗有两点需要注意：

1，使用内部DC-DC可以使功耗降低

下图是同样在使用外部38.4MHz并在内部Flash执行代码的情况下，不使用内部DC-DC和使用内部DC-DC的电流消耗的区别。

（1）不使用内部DC-DC↓

（2）使用DC-DC↓

2，低速时钟源的选取也会影响功耗

下图是在使用外部32.768kHz晶振和使用内部LFRCO (使用BLE时候要把LFRCO置于Precision mode)的电流消耗区别。

使用外部32.768kHz↓

使用内部LFRCO↓

接下来简述一下EFR32BG22支持5种电源模式EM0~EM4，其中EM1~EM4是省电模式。

可以看到，上图是EM0~EM4各种模式下所支持的设备，以颜色区分。可见不同省电模式下所能使用的外设还是有很大区别的：例如，EFR32BG22是低功耗蓝牙SOC，蓝牙堆栈运行时始终需要RAM和RTCC。RAM保留应用程序数据，而RTCC确保在打开通信窗口且必须接收/发送数据包时唤醒设备。RAM需要EM3或更高版本才能工作，而RTCC需要EM0 / EM1 / EM2才能通过LFCLK工作。这意味着，没有关闭蓝牙功能的特殊要求，则最多可以将SOC置于EM2模式，以维持蓝牙的功能。

另外，当蓝牙功能打开时需要注意：

1，在处理器上运行和/或无线电正在接收/发送时，需要EM0模式。

2，如果没有运行的任务和非无线电通信需要的模式，但一些外设需要EM1模式（例如USART）。

3，在其他情况下，设备是可以进入EM2模式。

接下来我们从代码角度分析一下如何控制SOC低功耗

蓝牙协议栈本身经过了针对低功耗优化的设计，如果启用了深度睡眠，SOC会在 EM0模式和 EM2模式之间切换；如果禁用深度睡眠，则SOC会在EM0模式和 EM1模式之间切换。

要在使用蓝牙协议栈的C工程中启用深度睡眠，需要将gecko_configuration结构中的.config_flags成员定义为SLEEP_FLAGS_DEEP_SLEEP_ENABLE

另外，基于蓝牙堆栈的应用程序的默认代码模板如下所示：

while(1)

{

evt = gecko_wait_event();

switch(BGLIB_MSG_ID(evt->header))

{

//handling of different stack events

}

上述代码中，函数gecko_wait_event（）调用会自动将SOC置于EM1 / EM2模式，并设置定时器以在需要时将其唤醒。仅当引发堆栈事件（例如，连接建立事件）时，该函数才返回。此后，应用程序可以处理事件并执行其他任务。

但是，有时候即使没有蓝牙事件，应用程序也需要运行，例如定期轮询某些外围设备的状态。这就需要唤醒设备重新产生协议栈事件使gecko_wait_event（）返回。这可以通过两种方式实现：

1，使用gecko_cmd_hardware_set_soft_timer（）在堆栈中设置软件计时器。计时器到期时唤醒设备，生成堆栈事件（evt_hardware_soft_timer），然后从gecko_wait_event（）返回。

2，设置中断，并使用gecko_external_signal（signal）从中断处理程序触发外部堆栈事件。强制堆栈引发一个新事件（evt_system_external_event）。并从gecko_wait_event（）返回。

值得注意的是睡眠模式是初始化协议栈的时候就定义好的，因此运行过程中是不能够更改的，但是有些时候还是需要暂时使SOC不要进入睡眠模式的。例如，使用USART首发数据时，必须禁用深度睡眠才能使USART控制器正常工作并能够接收消息。通过使用睡眠驱动函数SLEEP_SleepBlockBegin（sleepEM2）可以暂时禁用EM2模式。要重新启用EM2模式，可以使用 SLEEP_SleepBlockEnd（sleepEM2）。当EM2模式被禁用时，协议栈将临时在EM0和EM1之间切换。

这里需要注意，如上图，睡眠驱动函数底层是通过计数器方式实现的，因此上SLEEP_SleepBlockBegin()/ SLEEP_SleepBlockEnd()的调用必须成对调用。否则会出现进不了或退不出睡眠的故障现象。这里需要工程师在编写程序的时候严格注意。

蓝牙协议栈在EM3模式下不起作用。但是，如果没有蓝牙连接处于活动状态，并且一段时间内不需要广告或扫描，则可以暂时将SOC置于EM3模式以节省能量。EM3模式在协议栈默认情况下时是不支持的，但是可以通过调用SLEEP_SleepBlockEnd（sleepEM3）来实现。协议栈中对SLEEP_Sleep（）的下一次调用将使SOC进入EM3模式，需要SOC从EM3模式退出可以使用中断将之唤醒。在中断处理程序中调用 SLEEP_SleepBlockBegin（sleepEM3）以使堆栈再次正常工作。

但是请注意，虽然EM2模式与EM1模式相比电流消耗降低了许多，但在EM3模式下，电流消耗仅比EM2模式降低了十分之一μA。因此除非必要，作者不建议为了这一点点功耗而开启EM3模式，这会大幅提高代码流程的复杂度。

最后我们再来说一下EM4模式，在这种模式下，几乎所有设备都被关闭，电流消耗仅为几百纳安。但是，要将设备从此状态唤醒，需要所有外设的重置，包括时钟源的恢复。并且没有RAM数据被保留，这无异于重启！所以如果笔者建议如果SOC的电源可以被控制，则可以直接关闭SOC电源，来达到省电的目的，没有进入EM4模式的必要。

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Output Power Range (dBm)

Temperature Range (ºC)

Package Type

Package Size(mm)

EFR32BG24B110F1536IM48-B

Bluetooth®Wireless SoC

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