[问答]

如何在RT-Thread潘多拉开发板上实现电源管理？

问答对人有帮助，内容完整，我也想知道答案 0 本文介绍了基于 RT-Thread潘多拉开发板电源管理组件的使用和移植过程。 0
2021-3-30 06:47:26　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × ss 该类别下有 100 个回答。邀请回答 chunhuahua 该类别下有 55 个回答。邀请回答而无返还该类别下有 47 个回答。邀请回答最强海贼王该类别下有 45 个回答。邀请回答王尚岱该类别下有 45 个回答。邀请回答河神大人该类别下有 43 个回答。邀请回答 nhcp 该类别下有 40 个回答。邀请回答万航渡路该类别下有 40 个回答。邀请回答 wonick 该类别下有 39 个回答。邀请回答 mintsy 该类别下有 38 个回答。邀请回答青sky 该类别下有 38 个回答。邀请回答熊本熊该类别下有 37 个回答。邀请回答 h1654155272.9717 该类别下有 36 个回答。邀请回答其实znvm 该类别下有 36 个回答。邀请回答 zhongnian 该类别下有 36 个回答。邀请回答糖栗子该类别下有 35 个回答。邀请回答小野七七该类别下有 35 个回答。邀请回答 juju宇哥该类别下有 34 个回答。邀请回答剑寒九州该类别下有 33 个回答。邀请回答 LL-LING宁该类别下有 33 个回答。邀请回答举报石利军相关推荐 • 如何在RT-Thread Studio里添加LCD呢？ 1151 • 怎样去解决潘多拉开发板SFUD初始化失败的问题 1802 • 潘多拉开发板+RT-Thread Studio芯片没有反应如何处理？ 2390 • 潘多拉开发板+RT-Thread Studio选择按芯片创建无反应请问这是什么原因呢 1243 • 潘多拉开发板的使用感受 1691 • 如何在潘多拉开发板上运行Modbus主机与从机？ 2228 • 用rtt studio的模板下载到潘多拉开发板之后开发板就黑屏了，如何让屏幕变亮？ 2548 • 有没有其他方法在潘多拉开发板上能够实现网络播放功能 1322 • 有没有其他方法在潘多拉开发板上能够实现网络播放功能呢 2175 • 潘多拉 MicroPython 开发板怎么样？ 3296 1个回答

　　简介

随着物联网(IoT)的兴起，产品对功耗的需求越来越强烈。作为数据采集的传感器节点通常需要在电池供电时长期工作，而作为联网的SOC也需要有快速的响应功能和较低的功耗。
在产品开发的起始阶段，首先考虑是尽快完成产品的功能开发。在产品功能逐步完善之后，就需要加入电源管理功能。为了适应IoT的这种需求，RT-Thread提供了电源管理框架。电源管理框架的理念是尽量透明，使得产品加入低功耗功能更加轻松。
本文的示例都是在潘多拉开发板下运行。潘多拉开发板是 RT-Thread 和正点原子联合推出的硬件平台，该平台上专门为 IoT 领域设计，并提供了丰富的例程和文档。
MCU通常提供了多种时钟源供用户选择。例如潘多拉开发板上板载的 STM32L475 就可以选择 LSI/MSI/HSI 等内部时钟，还可以选择 HSE/LSE 等外部时钟。MCU 内通常也集成了 PLL(Phase-locked loops)，基于不同的时钟源，向 MCU 的其他模块提供更高频率的时钟。
为了支持低功耗功能，MCU 里也会提供不同的休眠模式。例如 STM32L475 里，可以分成 SLEEP模式、STOP模式、STANDBY模式。这些模式还可以有进一步的细分，以适应不同的场合。
本节主要展示了如何开启 PM 组件和相应的驱动，并通过例程来演示常见场景下，应用应该如何管理模式。
最后，本节将介绍 RT-Thread PM 组件在 STM32L476 上的移植和注意事项。
配置工程

在潘多拉开发板上运行电源管理组件，需要下载潘多拉开发板的相关资料、RT-Thread 源码和 ENV 工具。

RT-Thread 源码
ENV 工具

开启 Env 工具，进入潘多拉开发板的 BSP 目录（rt-thread/bsp/stm32/stm32l475-atk-pandora），在 Env 命令行里输入 menuconfig 进入配置界面配置工程。

配置 PM 组件：勾选 BSP 里面的RT-Thread Components ---> Device Drivers --->
Using Power Management device drivers：

配置内核选项：使用 PM 组件需要更大的 IDLE 线程的栈，这里使用了1024 字节。例程里还使用 Software timer，所以我们还需要开启相应的配置

配置完成，保存并退出配置选项，输入命令scons --target=mdk5生成 mdk5 工程；

打开mdk5 工程可以看到相应的源码以及被添加进来：

使用

定时应用

在定时应用里，我们创建了一个周期性的软件定时器，定时器任务里周期性输出当前的 OS Tick。如果创建软件定时器成功之后，使用rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_DEEP)请求深度睡眠模式。以下是示例核心代码（该代码可以直接复制 main.c 里运行）：
#include #include #include #ifndef RT_USING_TIMER_SOFT #error "Please enable soft timer feature!"#endif#define TIMER_APP_DEFAULT_TICK  (RT_TICK_PER_SECOND * 2)#ifdef RT_USING_PMstatic rt_timer_t timer1;static void _timeout_entry(void *parameter){ rt_kprintf("current tick: %ld/n", rt_tick_get());}static int timer_app_init(void){ rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_IDLE); rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_LIGHT); timer1 = rt_timer_create("timer_app",                            _timeout_entry,                            RT_NULL,                            TIMER_APP_DEFAULT_TICK,                            RT_TIMER_FLAG_PERIODIC | RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER); if (timer1 != RT_NULL) {       rt_timer_start(timer1);       /* keep in timer mode */       rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_DEEP);       return 0; } else {       return -1; }}INIT_APP_EXPORT(timer_app_init);#endif /* RT_USING_PM */按下复位按键重启开发板，打开终端软件，我们可以看到有定时输出日志：
/ | /- RT -    Thread Operating System / | /    4.0.1 build May  9 2019 2006 - 2019 Copyright by rt-thread teammsh >current tick: 2001current tick: 4002current tick: 6003current tick: 8004我们可以在msh里输入pm_dump命令观察PM组件的模式状态：
pm_dump| Power Management Mode | Counter | Timer |+-----------------------+---------+-------+|          None Mode |    0 |    0 ||          Idle Mode |    1 |    0 ||    LightSleep Mode |    1 |    0 ||       DeepSleep Mode |    1 |    1 ||       Standby Mode |    0 |    0 ||       Shutdown Mode |    0 |    0 |+-----------------------+---------+-------+pm current sleep mode: Idle Modepm current run mode: Normal Speedmsh >以上的输出说明，PM 组件里 Idle、Light Sleep、Deep Sleep 都被请求了一次，现在正处于空闲模式（Idle Mode）。
我们依次输入命令pm_release 1和pm_release 2 手动释放 Idle  和 Light Sleep 模式后，将进入Deep Sleep Mode。进入Deep Sleep Mode之后会定时唤醒，shell 还是一直在输出：
msh />pm_release 1msh />msh />current tick: 8023current tick: 10024current tick: 12025msh />pm_release 2msh />msh />current tick: 14026current tick: 16027current tick: 18028current tick: 20029current tick: 22030current tick: 24031我们可以通过功耗仪器观察功耗的变化。下图是基于 Monsoon Solutions Inc 的 Power Monitor 的运行截图，可以看到随着模式变化，功耗明显变化：

休眠时显示2mA是仪器的误差。
按键唤醒应用

在按键唤醒应用里，我们使用 wakeup 按键来唤醒处于休眠模式的 MCU。一般情况下，在 MCU 处于比较深度的休眠模式，只能通过特定的方式唤醒。MCU 被唤醒之后，会触发相应的中断。以下例程是从 Deep Sleep 模式唤醒 MCU 并闪烁 LED 之后，再次进入休眠的例程。以下是核心代码（该代码可以直接复制 main.c 里运行）：
#include #include #include #ifdef RT_USING_PM#define WAKEUP_EVENT_BUTTON                (1 << 0)#define PIN_LED_R                         GET_PIN(E, 7)#define WAKEUP_PIN                         GET_PIN(C, 13)#define WAKEUP_APP_THREAD_STACK_SIZE       1024static rt_event_t wakeup_event;static void wakeup_callback(void *args){ rt_event_send(wakeup_event, WAKEUP_EVENT_BUTTON);}static void wakeup_init(void){ rt_pin_mode(WAKEUP_PIN, PIN_MODE_INPUT_PULLUP); rt_pin_attach_irq(WAKEUP_PIN, PIN_IRQ_MODE_FALLING, wakeup_callback, RT_NULL); rt_pin_irq_enable(WAKEUP_PIN, 1);}static void wakeup_app_entry(void *parameter){ wakeup_init(); rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_DEEP); while (1) {       if (rt_event_recv(wakeup_event,                         WAKEUP_EVENT_BUTTON,                         RT_EVENT_FLAG_AND | RT_EVENT_FLAG_CLEAR,                         RT_WAITING_FOREVER, RT_NULL) == RT_EOK)       {          rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_NONE);          rt_pin_mode(PIN_LED_R, PIN_MODE_OUTPUT);          rt_pin_write(PIN_LED_R, 0);          rt_thread_delay(rt_tick_from_millisecond(500));          rt_pin_write(PIN_LED_R, 1);          rt_pm_release(PM_SLEEP_MODE_NONE);       } }}static int wakeup_app(void){ rt_thread_t tid; wakeup_event = rt_event_create("wakup", RT_IPC_FLAG_FIFO); RT_ASSERT(wakeup_event != RT_NULL); tid = rt_thread_create("wakeup_app", wakeup_app_entry, RT_NULL,                         WAKEUP_APP_THREAD_STACK_SIZE, RT_MAIN_THREAD_PRIORITY, 20); RT_ASSERT(tid != RT_NULL); rt_thread_startup(tid); return 0;}INIT_APP_EXPORT(wakeup_app);#endif上面的代码里，我们创建一个线程，这个线程里注册了按键中断唤醒回调函数，接着请求深度睡眠模式，每当唤醒中断之后就会触发回调。回调函数里会发送事件WAKEUP_EVENT_BUTTON。这样我们的线程里接收到这个事件之后，首先请求在 None 模式，然后完成 LED 闪烁功能之后，再去释放 None 。

上图是我们三次按下 wakeup 按键的运行截图。每次按下按键，MCU 都会被唤醒点亮 LED 2秒之后，再次进入休眠。
STM32L4 移植 PM

STM32L4 的低功耗模式简介

STM32L476 是 ST 公司推出的一款超低功耗的 Crotex-M4 内核的 MCU，支持多个电源管理模式，其中最低功耗 Shutdown 模式下，待机电流仅 30 nA。ST 公司把 L476 的电管管理分为很多种，但各个模式的并非功耗逐级递减的特点，下面是各个模式之间的状态转换图：

尽管 STM32L476 的低功耗模式很多，但本质上并不复杂，理解它的原理有助于我们移植驱动，同时更好的在产品中选择合适的模式。
最终决定 STM32L476 系统功耗的主要是三个因素：稳压器（voltage regulator）、CPU 工作频率、芯片自身低功耗的处理，下面分别对三个因素进行阐述。

稳压器

L4 使用两个嵌入式线性稳压器为所有数字电路、待机电路以及备份时钟域供电，分别是主稳压器（main regulator，下文简称 MR）和低功耗稳压器（low-powerregulator，下文简称 LPR）。稳压器在复位后处于使能状态，根据应用模式，选择不同的稳压器对 Vcore 域供电。其中，MR 的输出电压可以由软件配置为不同的范围（Range 1 和 Rnage 2）。
[tr]稳压器应用场合[/tr]

MR（Range 1）	Vcore = 1.2V，用于运行模式、睡眠模式和停止模式0，MR 未 Vcore 域提供全功率
MR（Range 2）	Vcore = 1.0V，使用的场景同上
LPR	用于低功耗运行模式、低功耗休眠模式、停止模式 1、停止模式2
OFF	Standby 和 Shutdown 模式下，MR 和 LPR 都被关闭

CPU 工作频率

通过降低 CPU 的主频达到降低功耗的目的：
MR 工作在 Range 1 正常模式时，SYSCLK 最高可以工作在 80M；
MR 工作在 Range 2 时，SYSCLK 最高不能超过 26 M；
低功耗运行模式和低功耗休眠模式，即 Vcore 域由 LPR 供电，SYSCLK 必须小于 2M。

芯片本身的低功耗处理

芯片本身定义了一系列的休眠模式，如 Sleeep、Stop、Standby 和 Shutdown，前面的四种模式功耗逐渐降低，实质是芯片内部通过关闭外设和时钟来实现。
移植的具体实现

上文简要说明 STM32 的低功耗模式和工作原理，下面介绍 RT-Thread PM 的功能和移植接口。
RT-Thread 低功耗管理系统从设计上分离运行模式和休眠模式，独立管理，运行模式用于变频和变电压，休眠调用芯片的休眠特性。对于多数芯片和开发来说，可能并不需要考虑变频和变电压，仅需关注休眠模式。
STM32 L4 系列的芯片有运行模式和低功耗运行模式的概念，同时 MR 还有 Range 2 模式，可用于变频场景。
PM 组件的底层功能都是通过struct rt_pm_ops结构体里的函数完成：
/** * low power mode operations */struct rt_pm_ops{ void (*sleep)(struct rt_pm *pm, uint8_t mode); void (*run)(struct rt_pm *pm, uint8_t mode); void (*timer_start)(struct rt_pm *pm, rt_uint32_t timeout); void (*timer_stop)(struct rt_pm *pm); rt_tick_t (*timer_get_tick)(struct rt_pm *pm);};

移植休眠模式

移植休眠模式仅需关注 sleep 接口，根据 PM 用户手册相关介绍，首先将 RT-Thread 的休眠模式和 STM32 的模式作一个转换：
[tr]RT-ThreadSTM32描述[/tr]

PM_SLEEP_MODE_NONE	Run	正常运行模式，不进行任何降功耗的措施
PM_SLEEP_MODE_IDLE	Run	正常运行模式，可选择 WFI(等待中断唤醒)和WFE(等待事件唤醒)，此处暂不处理
PM_SLEEP_MODE_LIGHT	Sleep	轻度睡眠模式，执行 ST 的 Sleep 模式
PM_SLEEP_MODE_DEEP	Stop2	深度睡眠模式，执行 ST 的 Stop2 模式
PM_SLEEP_MODE_STANDBY	Standby	待机模式，执行 ST 的 Standby 模式
PM_SLEEP_MODE_SHUTDOWN	Shutdown	停止模式，执行 ST 的 Shtudown 模式

下面是具体的实现:
#include #include #include static void sleep(struct rt_pm *pm, uint8_t mode){ switch (mode) { case PM_SLEEP_MODE_NONE: break; case PM_SLEEP_MODE_IDLE: // __WFI(); break; case PM_SLEEP_MODE_LIGHT: /* Enter SLEEP Mode, Main regulator is ON */ HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI); break; case PM_SLEEP_MODE_DEEP: /* Enter STOP 2 mode */ HAL_PWREx_EnterSTOP2Mode(PWR_STOPENTRY_WFI); break; case PM_SLEEP_MODE_STANDBY: /* Enter STANDBY mode */ HAL_PWR_EnterSTANDBYMode(); break; case PM_SLEEP_MODE_SHUTDOWN: /* Enter SHUTDOWNN mode */ HAL_PWREx_EnterSHUTDOWNMode(); break; default: RT_ASSERT(0); break; }}int rt_hw_pm_init(void){ static const struct rt_pm_ops _ops = { sleep, RT_NULL, RT_NULL, RT_NULL, RT_NULL }; rt_uint8_t timer_mask = 0; /* Enable Power Clock */ __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE(); /* initialize system pm module */ rt_system_pm_init(&_ops, timer_mask, RT_NULL); return 0;}INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_pm_init);目前为止，ST 的休眠模式已经初步加入了，能够满足部分的应用场景。打开命令行，输入请求/释放休眠模式命令，可以观察到功耗显著降低。

移植时间补偿接口

某些情况下，我们可能需要系统在空闲时进入 Stop 模式，以达到更低的将功耗效果。L476 Stop 2 模式下的电流可以达到 1.6 uA 左右，ST 手册上对 Stop2 模式的描述如下：
Stop 2 模式基于 Cortex-M4 深度睡眠模式与外设时钟门控。在 Stop 2 模式下， Vcore 域中的所有时钟都会停止， PLL、 MSI、 HSI16 和 HSE 振荡器也被禁止。一些带有唤醒功能（I2C3 和 LPUART）的外设可以开启 HSI16 以获取帧，如果该帧不是唤醒帧，也可以在接收到帧后关闭 HSI16。SRAM1、 SRAM2、 SRAM3 和寄存器内容将保留，所有 I/O 引脚的状态与运行模式下相同。
根据手册可知，Stop 2 模式会关闭系统时钟，当前的 OS Tick 基于内核的 Systick 定时器。那么在系统时钟停止后，OS Tick 也会停止，对于某些依赖 OS Tick 的应用，在进入 Stop 2 模式，又被中断唤醒后，就会出现问题，因此需要在系统唤醒后，对 OS Tick 进行补偿。Stop 2 模式下，绝大多数外设都停止工作，仅低功耗定时器 1（LP_TIM1）选择 LSI 作为时钟源后，仍然能正常运行，所以选择 LP_TIM1 作为 Stop 2 模式的时间补偿定时器。
休眠的时间补偿需要实现三个接口，分别用于启动低功耗定时器、停止定时器、唤醒后获取休眠的 Tick，下面是具体的实现：
static void pm_timer_start(struct rt_pm *pm, rt_uint32_t timeout){ RT_ASSERT(pm != RT_NULL); RT_ASSERT(timeout > 0); /** * 当超时为 RT_TICK_MAX 时，表明系统此时没有依赖 OS Tick 的应用， * 因此不启动低功耗定时器，避免超时唤醒而增加系统功耗 */ if (timeout != RT_TICK_MAX) { /* Convert OS Tick to pmtimer timeout value */ timeout = stm32l4_pm_tick_from_os_tick(timeout); if (timeout > stm32l4_lptim_get_tick_max()) { timeout = stm32l4_lptim_get_tick_max(); } /* Enter PM_TIMER_MODE */ stm32l4_lptim_start(timeout); }}static void pm_timer_stop(struct rt_pm *pm){ RT_ASSERT(pm != RT_NULL); /* Reset pmtimer status */ stm32l4_lptim_stop();}static rt_tick_t pm_timer_get_tick(struct rt_pm *pm){ rt_uint32_t timer_tick; RT_ASSERT(pm != RT_NULL); timer_tick = stm32l4_lptim_get_current_tick(); return stm32l4_os_tick_from_pm_tick(timer_tick);}int rt_hw_pm_init(void){ static const struct rt_pm_ops _ops = { sleep, RT_NULL, pm_timer_start, pm_timer_stop, pm_timer_get_tick }; rt_uint8_t timer_mask = 0; /* Enable Power Clock */ __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE(); /* initialize timer mask */ timer_mask = 1UL << PM_SLEEP_MODE_DEEP; /* initialize system pm module */ rt_system_pm_init(&_ops, timer_mask, RT_NULL); return 0;}休眠时间补偿的移植相对并不复杂，根据 Tick 配置低功耗定时器超时，唤醒后获取实际休眠时间并转换为OS Tick，告知 PM 组件即可。另外，从 Stop 2 模式唤醒后，默认会切换到内部的 MSI 时钟，通常需要重新配置时钟树。

移植运行模式

STM32L476 的运行模式移植主要是通过改变CPU 频率和稳压器，让其工作在 MR Range 2 或者 LP_RUN 模式，两个模式切换都会触发 CPU 频率改变的操作，这是一个比较危险的操作，我们在此处不作介绍。但是RT-Thread 仓库的 stm32l476-nucleo 有完整的实现，且已通过测试，如果项目中有此需求，可以参考该 bsp。