1. 简介
ESP32支持5种低功耗模式,低功耗管理单元包括调压器、功耗控制器、电源开关单元、电源域隔离单元 (Isolation Cell) 等部分。
1.1 RTC单元
RTC单元是ESP32低功耗管理的核心,可用于管理低功耗模式的进入和退出,控制时钟源、PLL、电源开关和隔离单元以产生电源门控、时钟门控和复位信号。
RTC单元主要包含以下几个模块:
- RTC主状态机:记录电源状态;
- 数字和模拟电源控制器:可用于为RTC的数字模块和模拟模块生成电源门控/时钟门控信号;
- 睡眠和唤醒控制器:可处理低功耗模式的进入和退出;
- 计时器:包括RTC主计时器、ULP协处理器计时器和触摸计时器;
- 低功耗处理器和传感器控制器:ULP协处理器、触摸控制器、SAR ADC控制器等;
- 保留内存:RTC慢速内存,绝大部分用作保留内存或存储ULP协处理器的指令和数据内存;RTC快速内存,绝大部分用作保留内存;
- 保留寄存器:该寄存器永远开启,可用于数据存储;
- RTC IO管脚:18 个"always-on"管脚,通常作为唤醒源。
1.2 低功耗时钟
在低功耗模式下,ESP32的40 MHz晶振和PLL通常将断电以降低功耗,转而使用低功耗时钟维持工作。
RTC模块可以使用5个低功耗时钟源:
- 外部低速晶振时钟XTL32K_CLK(32.768 kHz);
- 外部高速晶振时钟XTAL_DIV_CLK(2 MHz ~ 40 MHz);
- 内部RC振荡器RC_SLOW_CLK(频率可调,通常为150 kHz);
- 内部8MHz振荡器RC_FAST_CLK;
- 内部31.25 kHz时钟RC_FAST_DIV_CLK(来自内部8MHz振荡器,256分频)。
以上的时钟源在RTC内部会区分成慢速时钟和快速时钟,每个RTC内部模块所使用的时钟类型是不同的;像RTC定时器、RTC主状态机和电源管理模块使用的是慢速时钟,ULP协处理器、传感器控制器、RTC内存和RTC寄存器使用的是快速时钟。
对于数字内核(无线模块)则可以使用上面的4种时钟源。
1.3 低功耗模式
- Active模式
- CPU的工作时钟为XTAL_DIV_N(40 MHz/26 MHz)或PLL(80 MHz/160 MHz/240 MHz);
- 芯片可以接收、发射或监听信号。
- Modem-sleep模式
- CPU可以工作,时钟可以配置;
- Wi-Fi/蓝牙基带受时钟门限控制或关闭,射频模块关闭;
- PLL 为 80 MHz 时,电流消耗:*≈*30 mA;
- XTAL 为 2 MHz 时,电流消耗:*≈*3 mA;
- 即刻唤醒;
*3.*Light-sleep模式
- 内部 8 MHz 振荡器、40 MHz 高速晶振、PLL 及射频模块均禁用;
- 数字内核时钟受门限限制,CPU暂停工作;
- ULP 协处理器和触摸控制器可以周期性触发,对传感器进行监测;
- 电流消耗:≈ 800 µA;
- 唤醒延迟:< 1 ms;
- Deep-sleep模式
- 内部 8 MHz 振荡器、40 MHz 高速晶振、PLL 及射频模块均禁用;
- 数字内核断电,CPU内容丢失;
- RTC 内核的供电电压降至 0.7V;
- 8 x 32 位数据保存在通用保留寄存器中;
- RTC 内存和快速 RTC 内存可以保持;
- 电流消耗:≈ 6.5 µA;
- 唤醒延迟:< 1 ms。
- 休眠模式
- 内部 8 MHz 振荡器、40 MHz 高速晶振、PLL 及射频模块均禁用;
- 数字内核断电,CPU 内容丢失;
- RTC 外设域断电;
- RTC 内核的供电电压降至 0.7V;
- 8 x 32 位数据保存在通用保留寄存器中;
- RTC 内存和快速 RTC 内存断电;
- 电流消耗:≈ 4.5 µA;
- 唤醒源:仅支持 RTC 计时器;
- 唤醒延迟:< 1 ms。
1.4 唤醒源
唤醒源 | Light-sleep | Deep-sleep | 休眠 |
---|---|---|---|
EXT0 | Y | Y | N |
EXT1 | Y | Y | Y |
GPIO | Y | Y | N |
RTC定时器 | Y | Y | Y |
SDIO | Y | N | N |
WiFi | Y | N | N |
UART0 | Y | N | N |
UART1 | Y | N | N |
TOUCH | Y | Y | N |
ULP协处理器 | Y | Y | N |
蓝牙 | Y | N | N |
2. 例程
2.1 RTC定时器唤醒
这个例程中配置RTC定时器,使处理器在进入深度睡眠后5秒自动唤醒。
cpp
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "esp_log.h"
#include "esp_sleep.h"
#include <string.h>
#define TAG "app"
int app_main()
{
while (1) {
ESP_ERROR_CHECK(esp_sleep_enable_timer_wakeup(5 * 1000000));
ESP_LOGI(TAG, "Enter deep sleep");
esp_deep_sleep_start();
ESP_LOGI(TAG, "Exit deep sleep");
}
}
idf对低功耗的封装是比较完善的,仅需两个函数就可以完成。
esp_sleep_enable_timer_wakeup配置定时器唤醒的时间,单位为微秒。
默认情况下,RTC定时器的时钟源选择的是RC_SLOW_CLK,即内部150kHz振荡器 ,因为该时钟源的功耗是最小的。如果需要更改时钟源,需要修改 CONFIG_RTC_CLK_SRC编译选项。
esp_deep_sleep_start使处理器进入深度睡眠模式;当然也可以调用esp_light_sleep_start进入浅睡眠模式。
下面就是程序的系统打印log。需要注意的是,因为深度睡眠下CPU会断电,内部寄存器的内容丢失,所以唤醒后程序是从头开始执行的。
2.2 按键唤醒
这个例程中配置处理器进入深度睡眠,使用GPIO按键唤醒。
cpp
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "esp_log.h"
#include "esp_sleep.h"
#include "driver/rtc_io.h"
#include <string.h>
#define TAG "app"
int app_main()
{
esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();
if (cause == ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0) {
ESP_LOGI(TAG, "Wake up by EXT0");
}
while (1) {
ESP_ERROR_CHECK(esp_sleep_enable_ext0_wakeup(0, 0));
ESP_ERROR_CHECK(rtc_gpio_pullup_en(0)); // 内部上拉
ESP_ERROR_CHECK(rtc_gpio_pulldown_dis(0));
ESP_LOGI(TAG, "Enter deep sleep");
esp_deep_sleep_start();
}
}
如果要在深度睡眠模式下使用GPIO唤醒,必须使用RTC GPIO,ESP32中只有部分GPIO可以复用为该功能。
我使用的是IO0作为唤醒脚。esp_sleep_enable_ext0_wakeup函数传入唤醒IO号和唤醒电平;0就是低电平唤醒,1就是高电平唤醒。
rtc_gpio_pullup/pulldown_dis/en函数配置GPIO的上下拉,我设置成上拉模式。这里要注意即使板子上的IO带了硬件上下拉,但是进入深度睡眠是会关闭VDD电源的,所以还是需要配置。
同样使用esp_deep_sleep_start进入深度睡眠。
下面就是按键唤醒后的系统log。