STM32低功耗休眠详解——睡眠、停止与待机模式实战，综合应用（三）

前言

对于电池供电的物联网节点、可穿戴设备或野外传感器，功耗直接决定了续航时间。STM32 作为这类设备常用的 MCU，提供了多种低功耗模式，允许软件在空闲时关闭内核、外设甚至整个时钟系统，将电流消耗从几十 mA 降至 μA 级别。

本文将深入讲解 STM32F103 的三种低功耗模式------睡眠、停止和待机 ，并以停止模式 + RTC 周期性唤醒为例，给出完整的标准库实现代码。所有代码均已验证，可直接在工程中使用。

一、三种低功耗模式原理对比

特性	睡眠模式 (Sleep)	停止模式 (Stop)	待机模式 (Standby)
内核时钟	关闭	关闭	关闭
外设时钟	保持运行	全部停止	全部停止
SRAM / 寄存器	保持	保持	丢失
唤醒源	任意中断 / 事件	EXTI 线（含 RTC 闹钟、USB 唤醒）	WKUP 引脚、RTC 闹钟、NRST 复位
唤醒时间	最快（立即）	稍长（需稳定 HSI 或重新开启 HSE）	最长（相当于复位）
典型功耗（STM32F103）	~5 mA（内核关，外设开）	~20 μA（调压器低功耗模式）	~2 μA
推荐用途	任务间短暂休息，需快速响应	周期性采集发送，需保留 RAM	超长待机，可完全掉电重启

选型指南：

• 仅需任务间隙休息几毫秒，使用 __WFI() 进入睡眠。
• 需要保留运行状态并达到 μA 级功耗，选择停止模式。
• 不关心 RAM 内容、追求极致功耗，可考虑待机模式。

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二、硬件设计关键点

低功耗不仅靠软件，硬件同样重要：

1. 空闲 GPIO ：所有未使用引脚必须设置为 模拟输入（GPIO_Mode_AIN），关闭施密特触发器，降低漏电流。
2. 悬空引脚：避免任何引脚悬空，固定电平可直接接 VDD 或 GND。
3. 调压器 ：进入停止模式前将调压器设为低功耗（PWR_Regulator_LowPower）。
4. 外设时钟：进入休眠前关闭不需要的外设时钟（ADC、TIM、USART 等）。
5. 调试器 ：测量功耗时必须断开调试器，并可通过 DBGMCU->CR 停止低功耗时的定时器。

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三、软件实现（标准库，可直接使用）

我们实现一个 周期性传感器采集节点：

• 上电后初始化外设，读取一次模拟传感器数据（用固定值演示），通过串口发送；
• 设置 RTC 闹钟 5 秒后唤醒，随后进入停止模式；
• 唤醒后恢复系统时钟，再次执行采集‑发送，循环往复。
• 休眠期间功耗约 20 μA。

3.1 时钟与 GPIO 初始化

#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>

/* LED 指示（高电平点亮） */
#define LED_GPIO    GPIOB
#define LED_PIN     GPIO_Pin_0

/* 串口重定向（如需使用 printf） */
int fputc(int ch, FILE *f) {
    USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch);
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    return ch;
}

/**
 * @brief 配置系统时钟 72MHz（HSE 8MHz + PLL×9）
 *        并设置 AHB/APB1/APB2 分频
 */
void SystemClock_Config(void) {
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
    while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET);

    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9);
    RCC_PLLCmd(ENABLE);
    while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);

    /* AHB 不分频，APB1 2 分频（≤36MHz），APB2 不分频 */
    RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);
    RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);

    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
    while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);
}

/**
 * @brief GPIO 初始化：LED、USART1 TX，未用引脚应设为模拟输入
 */
void GPIO_Init_LowPower(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB |
                           RCC_APB2Periph_GPIOC | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

    /* LED PB0 推挽输出，初始低电平（熄灭） */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(LED_GPIO, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_ResetBits(LED_GPIO, LED_PIN);

    /* USART1 TX(PA9) 复用推挽输出 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /* TODO: 将其他未用引脚全部设为 GPIO_Mode_AIN，此处省略 */
}

3.2 串口初始化

void USART1_Init(void) {
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

3.3 RTC 初始化（LSE 32.768kHz，1 秒节拍）

void RTC_Init(void) {
    // 使能电源和备份接口时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR | RCC_APB1Periph_BKP, ENABLE);
    PWR_BackupAccessCmd(ENABLE);

    BKP_DeInit();                     // 复位备份域（首次配置）
    RCC_LSEConfig(RCC_LSE_ON);
    while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSERDY) == RESET);

    RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSE);
    RCC_RTCCLKCmd(ENABLE);
    RTC_WaitForSynchro();

    RTC_SetPrescaler(32767);          // 32768 / (32767+1) = 1 Hz
    RTC_WaitForLastTask();
    RTC_SetCounter(0);
    RTC_WaitForLastTask();
}

3.4 RTC 闹钟与 EXTI 线配置

/**
 * @brief 设置 RTC 闹钟（相对当前时间 + timeout 秒）
 */
void RTC_Alarm_Set(uint32_t timeout_sec) {
    uint32_t cnt = RTC_GetCounter();
    RTC_SetAlarm(cnt + timeout_sec);
    RTC_WaitForLastTask();

    RTC_ClearITPendingBit(RTC_IT_ALR);
    RTC_ITConfig(RTC_IT_ALR, ENABLE);
    RTC_AlarmCmd(RTC_Alarm_ENABLE);
    RTC_WaitForLastTask();
}

/**
 * @brief 配置 EXTI17（RTC 闹钟）中断
 */
void RTC_Alarm_EXTI_Init(void) {
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line17);

    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line17;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = RTC_Alarm_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

/**
 * @brief RTC 闹钟中断服务函数
 */
void RTC_Alarm_IRQHandler(void) {
    if (RTC_GetITStatus(RTC_IT_ALR) != RESET) {
        RTC_ClearITPendingBit(RTC_IT_ALR);
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line17);
    }
}

3.5 进入停止模式与唤醒恢复

/**
 * @brief 进入停止模式（调压器低功耗，WFI 唤醒）
 */
void Enter_StopMode(void) {
    // 关闭不必要的外设时钟（示例）
    // RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, DISABLE);
    // ...

    PWR_ClearFlag(PWR_FLAG_WU);
    PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);
}

/**
 * @brief 唤醒后恢复系统时钟至 72MHz（包含总线分频）
 */
void SystemClock_Recover(void) {
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
    if (RCC_WaitForHSEStartUp() == SUCCESS) {
        RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9);
        RCC_PLLCmd(ENABLE);
        while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);

        /* 恢复总线分频 */
        RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
        RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);
        RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);

        RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
        while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);
    }
    // 如果外部晶振故障，这里可增加回退至 HSI 的处理
}

3.6 主函数（低功耗循环）

int main(void) {
    SystemClock_Config();       // 配置 72MHz，APB1 36MHz
    GPIO_Init_LowPower();
    USART1_Init();
    RTC_Init();
    RTC_Alarm_EXTI_Init();

    printf("System started, entering low-power loop...\r\n");

    while (1) {
        /* 模拟传感器采集 */
        printf("Wake up! ADC = %d\r\n", 1234);
        GPIO_SetBits(LED_GPIO, LED_PIN);      // 亮一下 LED
        for (volatile uint32_t i = 0; i < 100000; i++);
        GPIO_ResetBits(LED_GPIO, LED_PIN);

        /* 设置 5 秒后 RTC 闹钟唤醒 */
        RTC_Alarm_Set(5);

        /* 进入停止模式，等待唤醒 */
        Enter_StopMode();

        /* ---------- 唤醒后从这里继续执行 ---------- */
        SystemClock_Recover();   // 恢复 72MHz 时钟
        USART1_Init();           // 重新初始化串口（波特率依赖于时钟）
    }
}

说明 ：唤醒后必须调用 SystemClock_Recover() 将时钟重新配置为 72MHz（否则默认为 HSI 8MHz），并重新初始化依赖系统时钟的外设（此处重新初始化了 USART1）。

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四、与时间片调度结合的低功耗（Tickless Idle）

在之前文章的时间片轮转调度器 中，可在主循环空闲时进入低功耗，实现 tickless idle：

void Scheduler_Run(void) {
    while (1) {
        // ... 任务切换与执行

        // 若无就绪任务，计算下一次唤醒时间
        if (all_tasks_suspended) {
            // 睡眠模式：直接用 __WFI()，SysTick 会自动唤醒
            __WFI();

            // 停止模式：需用 RTC 闹钟替代 SysTick，唤醒后校准节拍
        }
    }
}

若使用停止模式，需让调度器在空闲时设置 RTC 闹钟，并在唤醒后更新系统节拍计数器（如补偿休眠时间）。这部分可作为进阶练习。

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五、调试与电流测量

5.1 电流测量

• 断开 ST-Link，使用独立电源供电（如 3.3V）。
• 在电源回路串联万用表（μA 档），停止模式下应测得约 20 μA（视板上其他器件而定）。
• 若电流偏大，检查未使用 GPIO 是否已设为模拟输入，外设时钟是否全部关闭。

5.2 调试器注意事项

• 调试模式下进入停止会导致 CPU 停止，调试器断连。可在初始化时调用 DBGMCU_Config(DBGMCU_STOP, ENABLE) 使调试器在停止模式下保持时钟，但无法测量真实功耗。
• 功耗测量必须使用 Release 模式（无调试器）进行。

5.3 常见问题

现象	可能原因	解决方法
无法唤醒	RTC 闹钟未使能或 EXTI 配置错误	检查 RTC_AlarmCmd(ENABLE) 和 EXTI_Line17 中断配置
唤醒后程序跑飞	系统时钟未恢复，主频过低导致时序错乱	调用 SystemClock_Recover() 并重新初始化外设
串口乱码	唤醒后 USART 波特率错误（时钟源变为 HSI）	唤醒后重新执行 USART1_Init()
功耗仍然很高	GPIO 悬空、外设时钟未关闭	将未用引脚设为模拟输入，逐一关闭外设时钟

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六、总结

本文从原理到实践，详细介绍了 STM32F103 的三种低功耗模式，并给出了停止模式 + RTC 周期性唤醒的完整标准库代码。通过任务执行与休眠交替，电池供电的传感器节点可将平均功耗控制在几十 μA，实现数年的续航。

这种"睡眠‑唤醒‑干活‑再睡"的模式，已成为物联网终端的标准节能范式。配合前文的调度器与状态机，你完全可以搭建出高可靠、低功耗的裸机多任务应用。

若有任何疑问或需要更复杂的低功耗策略（如动态调频、外设按需供电），欢迎在评论区留言，我们一起探讨！