LPCXpresso環境下的LPC1100低功耗模式和喚醒時鐘
1.簡介
基于ARM Cortex-M0 CPU架構，LPC1100微控制器系列（8/16位應用），高性能、低功耗、簡易指令、存儲器尋址，與現有的8/16架構相比，代碼體積更小。
LPC1100系列外設包括32KB flash 存儲器，8KB數據存儲器，一個C-CAN控制器（LPC11Cxx），一個高速+IIC總線接口，一個RS-485/EI-485UART，兩個SPI接口（SSP特性），4個通用定時器，一個10位ADC，以及42個通用I/0引腳。
LPC11Cxx系列包含片上C-CAN驅動和通過C-CAN在線系統編程flash工具。LPC11C2x系列有一個片上高速CAN收發器。
LPC11xx（L）系列包含片上功率配置部件。
LPC1100系列定位于一系列廣泛的應用，包括eMetering、照明、工業網絡、報警系統以及白色家電。
本文檔介紹了LPC11xx系列,LPC11xx(L)系列和LPC11Cxx系列的各種低功耗模式。進入低功耗模式、喚醒狀態，可以有效降低功耗。本文檔同時提供了一個軟件示例，使用LPC1114 LPCXpresso板進入低功耗模式測量功耗和喚醒時鐘。
本文檔包括以下要點：
- （1） 低功耗模式
- （2） 進入低功耗模式
- （3） 喚醒狀態
- （4） 降低功耗
- （5） LPC1114 LPCXpresso低功耗模式演示
2.低功耗模式
LPC11xx\、LPC11xx（L）、LPC11Cxx系列有三種省電模式：睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉電（Power-down）模式。以下內容包含了低功耗模式的特性和配置。
2．1．1 睡眠模式
在睡眠模式，ARM Cortex-M0 內核系統時鐘停止，指令的執行暫停，直到復位或者發生中斷。
外設功能，如果選擇SYSAHBCLKCTRL寄存器計時，在睡眠模式繼續操作，則會產生中斷，恢復處理器運行。睡眠模式取消了動態功率（用于處理器自身、存儲器系統和相關的控制器、內部總線）。處理器狀態和寄存器、外設寄存器、內部SRAM的值保持不變，引腳的邏輯電平不變。
2．1．2 深度睡眠模式
在深度睡眠模式，與睡眠模式一樣，處理器系統時鐘不可用。所有的模擬塊都掉電，除了BOD電路和看門狗震蕩器（必須在深度睡眠模式期間，在PDSLEEPCFG寄存器中選定或取消選定）。詳細內容請參考3.5部分。
深度睡眠模式取消了所有用于flash、模擬外設的電源，用于處理器自身、存儲器系統和相關控制器、內部總線的動態電源。處理器狀態和寄存器、外設寄存器以及內部SRAM的值保持不變，引腳的邏輯電平不變。
2．1．3 深度掉電模式
在濃度掉電模式，WAKEUP引腳的異常切斷了整個芯片的電源和時鐘。在深度掉電模式期間，不保留SRAM和寄存器的內容，除了少數保存在電源管理單元中的5個32位通用寄存器的數據。
在深度掉電模式下，所有的功能引腳都是三態的，除了WAKEUP引腳。
3.進入低功耗模式
這部分描述了LPC11xx、LPC11xx（L）、LPC11Cxx系列進入三種低功耗模式的機制（睡眠模式、深度睡眠模式、深度掉電模式）。
3．1 系統控制寄存器（SCR）
SCR寄存器控制進入和退出低功耗模式的特性。
在Cortex-M0 系統控制寄存器（SCR）中，通過設置SLEEPDEEP位，進入睡眠模式和深度睡眠模式。
位描述如圖1所示。
圖1 系統控制寄存器（SCR，0xE000ED10）
在Cortex-M0系統控制寄存器（SCR）中，如果SLEEPDEEP 位是0，則是睡眠模式。
在Cortex-M0系統控制寄存器（SCR）中，如果SLEEPDEEP 位是1，則是深度睡眠模式。
3．2 電源控制寄存器（PCON）
PCON寄存器選擇哪種睡眠模式（睡眠模式或深度睡眠模式），或者進入深度掉電模式。PCON分別提供了睡眠/深度睡眠模式和深度掉電模式的標志位，參看圖2。
圖2 電源模式控制寄存器
3．3 中斷等待（WFI）指令
設置完SLEEPDEEP位和PCON寄存器，執行WFI指令將直接進入低功耗省電模式。WFI指令是Cortex-M0指令，不能用ANSI C 直接訪問。CMSIS（Cortex 微控制器軟件接口標準）提供了一個內置函數，生成WFI指令，支持C編譯器。
如果C編譯器不支持WFI內置函數，用戶必須使用匯編代碼執行WFI指令。
3．4 進入睡眠模式的編程步驟
以下是進入睡眠模式的步驟：
- （1） PCON寄存器的DPDEN位必須設置為0。
- （2） ARM Cortex-M0 SCR 寄存器的SLEEPDEEP位必須設置為0。
- （3） 使用ARM Cortex-M0中斷等待指令（WFI）。
圖3為進入睡眠模式的示例代碼
圖3 示例代碼（睡眠模式）
3．5 進入深度睡眠模式的編程步驟
以下為進入深度睡眠模式的步驟：
- （1）PCON寄存器的DPDEN位必須設置為0。
- （2）在PDSLEEPCFG寄存器深度睡眠模式下選擇電源配置。
當器件進入深度睡眠模式，這個寄存器控制看門狗震蕩器和BOD電路。在進入深度睡眠模式之前，必須至少一次使用下圖中的值初始化這個寄存器。初始化失敗，可能導致微控制器未定義錯誤。圖4所列的是PDSLEEPCFG寄存器所允許的值。
圖4 PDSLEEPCFG寄存器設置（深度睡眠模式）
- a.如果定時器需要控制自身喚醒，確保在PDRUNCFG寄存器中設置看門狗震蕩器，并在MAINCLKSEL寄存器中選擇看門狗震蕩器的時鐘源（細節請參考LPC11XX用戶手冊）。
- b.看門狗震蕩器可以運行在深度睡眠模式，為看門狗定時器或者通用定時器提供時鐘，如果它們需要自喚醒。更多細節請參考3.7部分。在這種情況下，看門狗震蕩器模擬輸出頻率必須設置為它的最低值（WDTOSCCTRL中位FREQSEL=0001，參考LPC11XX用戶手冊），進入深度睡眠模式之前，在SYSAHBCLKCTRL寄存器中設置外設時鐘為不可用（除了定時器時鐘）。如果在深度睡眠模式下運行看門狗震蕩器，將產生額外的電流損耗。
- c.如果沒有定時器自喚醒需要，且看門狗震蕩器關閉，確保在PDRUNCFG寄存器中設置對IRC的供電，并在進入深度睡眠模式前在MAINCLKSEL寄存器中為IRC選擇時鐘源。這樣能確保順利關閉系統時鐘（更多細節請參考LPC11XX用戶手冊）。
- d.在深度睡眠模式下，使能BOD電路可以在低壓下保護器件。雖然，在深度睡眠模式下，BOD電路會產生額外電流損耗。
（3） 喚醒之后，在PDAWAKECFG寄存器中選擇電源配置。可以在寄存器中對該位進行編程，以決定芯片從深度睡眠模式喚醒時進入的狀態。
（4） 如果使用外部引腳作為喚醒引腳，則在開始邏輯寄存器中使能并清除該喚醒引腳，并在NVIC中使能匹配開始邏輯的中斷。
（5） 在SYSAHBCTRL寄存器中，禁用所有的外設，除了計數器/定時器或WDT（如果需要）。
（6） 在ARM Cortex-M0 SCR 寄存器中，SLEEPDEEP位寫入1。
（7） 使用AMR Cortex-M0 中斷等待指令（WFI）。
圖5為進入深度睡眠模式的示例代碼
圖5 代碼示例（深度睡眠模式）
3．6 進入深度掉電模式的編程步驟
進入深度掉電模式的步驟如下：
- （1）在PCON寄存器中，DPDEN位寫入1。
- （2）保存通用寄存器中的數據（更多細節請參考LPC11XX用戶手冊）。
- （3）ARM Cortex-M0 SCR 寄存器，SLEEPDEEP位寫入1。
- （4）在進入深度掉電模式之前，在PDRUNCFG寄存器中，IRCOUT-PD和IRC-PD位寫入0，以確保對IRC供電。
- （5）使用ARM Cortex-M0 中斷等待指令（WFI）。
請注意，在進入深度掉電模式之前，WAKEUP引腳需要外部拉高。
圖6 示例代碼（深度掉電模式）
3．7 喚醒
以下部分描述了LPC11xx、LPC11xx（L）、LPC11Cxx系列每種模式的喚醒。
3．7．1．1 從睡眠模式喚醒
當NVIC 中斷或者復位發生時，自動退出睡眠模式。關于哪個中斷源與NVIC連接，請參考LPC11XX用戶手冊。中斷喚醒后，微控制器返回到最開始的電源配置狀態（由PDRUNCFG和SYSAHBCLKDIV寄存器決定）。如果發生復位，微控制器進入激活模式的默認狀態。
3．7．1．2 從深度睡眠模式喚醒
微控制器從深度睡眠模式喚醒有以下幾種方式：
（1） 連接到開始邏輯（start logic）的外部引腳信號。某一端口引腳可以作為開始邏輯的輸入。關于有哪些端口引腳連接到開始邏輯并可作為喚醒引腳，請參考LPC11XX用戶手冊。開始邏輯不需要任何時鐘，如果在NVIC中使能從深度睡眠模式喚醒，則可以產生中斷。
（2） 開始邏輯的輸入信號（由某一通用定時器外部輸入引起的事件所產生）。引腳（保持定時器匹配功能）在NVIC中設置為開始邏輯的輸入，在SYSABHCLKCTRL寄存器中使能相應的定時器，且看門狗震撼器運行在深度睡眠模式（更多細節請參考LPC11XX用戶手冊）。當觸發了相匹配的輸入時，喚醒機制允許器件自喚醒。如圖7所示，反饋到開始邏輯，引發器件自喚醒。這種方式不需要外部觸發，減少了板上的外部元件。用這種方法所花的喚醒時間比第一種方法長。關于喚醒時間將在演示部分討論。
圖7 自喚醒框圖
（3） BOD電路復位。此時，需要在PDSLEEPCFG寄存器中使能BOD電路，且在BODCTRL寄存器中使能BOD復位（更多細節請參考LPC11XX用戶手冊）。
（4） 看門狗定時器復位。此時，看門狗震蕩器必須運行在深度睡眠模式（參看PDSLEEPCFG寄存器），且在SYSAHBCLKCTRL寄存器中使能看門狗定時器外設。
（5） 外部RESET引腳。
3．7．1．3 從深度掉電模式喚醒
拉低WAKEUP引腳從深度掉電喚醒，芯片復位。WAKEUP引腳最小脈沖寬度為50ns。
（1） 當WAKEUP引腳從高電平到低電平轉換時，喚醒有效（電平觸發）。
- a.電源管理單元（PMU）打開片上電壓調節器。當內核電壓達到電源復位（power-on-reset）跳變點，系統復位，芯片重新引導。
- b.所有寄存器（除了GPREG0-GPREG4、PCON）回到復位狀態。
（2） 一旦芯片引導完成，可以從PCON寄存器中讀取深度掉電標志位，以確認由喚醒事件引發的復位。
（3） 清除PCON寄存器深度掉電標志位。
（4） （可選）讀取通用寄存器保存的數據。
請注意，RESET引腳在深度掉電模式下沒有任何功能。
3．8 降低功耗補充材料
進一步降低電流損耗，可以考慮以下幾點：
3．8．1．1 CPU時鐘頻率
可以根據需要控制CPU時鐘頻率。
（1） 改變時鐘源：內部震蕩器（12MHz +/-1%）、系統震蕩器（1MHz to 25MHz），看門狗震蕩器（7.8kHz to 1.7MHz +/-40%）。
（2） 重設PLL的值，和/或變更AHB Clock Divider（SYSAHBCLKDIV）的值。
（3） 降低PLL輸出頻率（FCCO，156MHz to 320MHz）可以降低功耗。
（4） 8位系統AHB Clock divider寄存器（SYSAHBCLKDIV）可以降低CPU的操作到某一低的頻率，臨時降低功耗而無需關閉SYS PLL。見圖8所示。
圖8 時鐘發生單元（CGU）框圖
3．9 系統AHB 時鐘控制寄存器（AHBCLKCTRL）
如圖8所示，SYSAHBCLKCTRL寄存器使能系統和外充模塊的時鐘。根據需要，用戶可以使用該寄存器禁用未使用的外設時鐘，以達到降低功耗的目的。更多細節請參考LPC11XX用戶手冊。
3．10 外設時鐘除法器
選定的外設有各自的時鐘除法器（SPI0CLKDIV，UARTCLKDIV，SPI1CLKDIV，WDTCLKDIV，CLKOUTDIV），可以控制提供給相應外設的時鐘信號的頻率（見圖8）。根據實際需要，用戶可以使用除法器降低外設時鐘頻率或者關閉時鐘以降低功耗。更多細節請參考LPC11XX用戶手冊。
3．11 掉電配置寄存器（PDRUNCFG）
PDRUNCFG 寄存器包含模擬塊電源開關的控制位，通過模擬外設可以消除電源消耗。更多細節請參考LPC11XX用戶手冊。
3．12 其他
3．12．1 軟件
大部分嵌入式應用都以while(1) loop 結束，用于中斷。此時，仍然從片上flash獲取代碼并執行，增加了功耗。一種較好的解決方案是選擇睡眠省電模式，并等待中斷。外設的中斷可以把器件從睡眠模式喚醒。內核在等待中斷時保持睡眠模式，可以有效的降低功耗。
3．12．2 端口引腳
可以增加一些步驟，在低功耗模式下降低電流損耗。LPC11xx、LPC11xx（L）、LPC11Cxx系列的通用端口引腳，默認可編程內部拉高。在進入低功耗模式之前，可以通過以下幾種方法降低IO的電流：
（1） 所有通用I/O引腳（GPIO）默認帶有輸入上拉電阻。首先，使用IOCON寄存器，禁用所有通用端口引腳內部上拉（pull-ups）。其次，設置I/O為GPIO輸出，低電平。確保引腳沒有外部拉高。
（2） 所有通用I/O引腳（GPIO）默認帶有輸入上拉電阻。首先，使用IOCON寄存器，禁用所有通用端口引腳內部上拉（pull-ups）。其次，設置I/O為GPIO輸出，高電平。確保引腳沒有外部拉低。
（3） 使用IOCON寄存器，首先，禁用所有通用端口引腳內部上拉（pull-ups）。其次，設置I/O為GPIO輸入且使用外部電阻，把I/O拉高或拉低。
請注意，在深度睡眠模式，端口引腳的狀態不影響電流的損耗，以上提到的方法在這個模式下無需考慮。
3．12．3 CAN引腳
LPC11C1x器件，如果不使用CAN部件，CAN引腳（CAN-RXD和CAN-TXD）建議外部拉低，以降低IO電流。
3．12．4 RESET-N/PIO0-0引腳
LPC11xx、LPC11xx（L）、LPC11Cxx，在深度掉電模式時，RESET/PIO0-0引腳需要通過外部10K-47K電阻拉高。如果引腳懸空，用戶可以看到電流損耗的增加。
3．12．5 調試
用戶應該知道的關于一些調度的限制。最重要的是，由于Cortex-M0集成方面的一些限制，LPC11xx、LPC11xx（L）、LPC11Cxx在一般方式下，不能從睡眠、深度睡眠和深度掉電模式下喚醒。建議不要在這些模式下調試。一旦通過SWD接口下載應用程序，USB和SWD之間的適配器要從板上移除。另一個問題是，調式模式改變了Cortex-M0 CPU處理降低功耗模式的方式。這將導致器件級的電源模式不同于通常模式下的操作。這些不同，意味著在調試時不能測試電源；在應用中，測試結果將比通常操作時要高。
4．低功耗模式演示
5．總結
下載完整PDF文檔：
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