一、功耗模式

nRF52 上只有兩種電源模式：SYSTEM_ON 和 SYSTEM_OFF

1.1 SYSTEM_ON低功耗模式

SYSTEM_ON：此狀態有持續延遲和低功率子模式，當系統空閑進入 System On 模式時，默認情況下將處于低功耗子模式，通常最低功耗為 1.9uA (nRF52832) 或 1.5uA(nRF52840)，包括 LFCLK 和 RTC，這是連接事件之間的正常狀態，CPU 在計時器、外圍設備或pin中斷時重新啟動，

1.1.1 進入SYSTEM_ON模式

當 CPU 和外圍設備處于空閑狀態時，芯片進入默認的低功耗子模式，

在主函式最后面都會出現一個 for 回圈，這個回圈不停的重復運行其中的 idle_state_handle() 函式，

int main(void)
{
    ···
    ···
    for(;;)
    {
        idle_state_handle();
    }
}

打開 idle_state_handle() 函式，該函式是處理空閑狀態的函式，通過 if 陳述句，判斷除錯緩沖區沒有更多日志的時候，就進入 nrf_pwr_mgmt_run() 函式，這個函式就會進入到低功耗模式，直到下一個事件發生，

static void idle_state_handle(void)
{
    if(NRF_LOG_PROCESS() == false)  // 如果除錯緩沖區沒有更多日志
    {
        nrf_pwr_mgmt_run();
    }
}

打開 nrf_pwr_mgmt_run() 函式，BLE 狀態下，如果 CPU 處于空閑狀態就會進入 sd_app_evt_wait() 函式，這個函式是進入低功耗的關鍵，是協議堆疊提供的一個等待事件函式，

void nrf_pwr_mgmt_run(void)
{
    PWR_MGMT_FPU_SLEEP_PREPARE();  // 清除FDU例外，避免FDU中斷被掛起
    PWR_MGMT_SLEEP_LOCK_ACQUIRE();  // 鎖定臨界區
    PWR_MGMT_CPU_USAGE_MONITOR_SECTION_ENTER();  // 用戶監視段進入，監聽進入低功耗的時間
    PWR_MGMT_DEBUG_PIN_SET();  // 置位仿真引腳

    // Wait for an event.
#ifdef SOFTDEVICE_PRESENT  // 帶協議堆疊狀態下
    if (nrf_sdh_is_enabled())  // 如果協議堆疊被使能
    {
        ret_code_t ret_code = sd_app_evt_wait();  //呼叫協議堆疊等待函式
        ASSERT((ret_code == NRF_SUCCESS) || (ret_code == NRF_ERROR_SOFTDEVICE_NOT_ENABLED));
        UNUSED_VARIABLE(ret_code);
    }
    else
#endif // SOFTDEVICE_PRESENT  // 否則，不帶協議堆疊狀態
    {
        // Wait for an event.
        __WFE();
        // Clear the internal event register.
        __SEV();
        __WFE();
    }

    PWR_MGMT_DEBUG_PIN_CLEAR();  // 清除仿真引腳
    PWR_MGMT_CPU_USAGE_MONITOR_SECTION_EXIT();  // 用戶監視段退出
    PWR_MGMT_SLEEP_LOCK_RELEASE();  // 鎖定臨界區釋放
}

1.1.2 退出SYSTEM_ON模式

通過藍牙的事件觸發芯片脫離低功耗模式，進入運行狀態，

1.2 SYSTEM_OFF睡眠模式

SYSTEM_OFF：是深省電模式，作業電流為 300nA (nRF52832) 或 400nA (nRF52840)，在該模式下，系統的內核和所有在運行的任務都會停止，也就是說時鐘也停止，相當于關機狀態，可以直接控制 POWER 相關暫存器使系統進入 System OFF 模式(NRF_POWER->SYSTEMOFF = 1; )，也可以通過API函式(sleep_mode_enter() 或 nrf_pwr_mgmt_run() 此函式執行 __WFE() 指令進入睡眠前清除所有事件)，可以參考 SDK 中的 nrf_pwr_mgt 例子，系統進入 System OFF 模式會保留 GPIO 之前的狀態，包括 GPIO 的輸入/輸出、I2C 總線、SPI 總線等，所以在進入 System OFF 模式前應該將 GPIO 都釋放掉，使用 nrf_gpio_cfg_default(pin)釋放 GPIO，同時，如果有 I2C 或 SPI 等總線外設也需要釋放掉；可以通過復位、GPIO 中斷或 NFC 信號(增加100nA)進行喚醒，從 System OFF 模式中喚醒程式會發生復位，參考 832 product spec 檔案

1.2.1 進入SYSTEM_OFF模式

在進入 System Off 模式之前，用戶必須確保所有正在進行的 EasyDMA 通信已完成，進入深度睡眠之前一定要將使用 EasyDMA 的外設停掉，

BLE 程式代碼里通過兩種方式進入，一個是廣播超時后會進入無效廣播，再進入睡眠；另外就是通過按鍵按下呼叫睡眠模式進入函式進行進入，

無效廣播后進入到睡眠模式

static void on_adv_evt(ble_adv_evt_t ble_adv_evt)
{
    uint32_t err_code;

    switch(ble_adv_evt)
    {
        case BLE_ADV_EVT_FAST:
            err_code = bsp_indication_set(BSP_INDICATE_ADVERTISING);
            APP_ERROR_CHECK(err_code);
            break;
        case BLE_ADV_EVT_IDLE:
            sleep_mode_enter();  // 進入睡眠模式
            break;
        default:
            break;
    }
}

按鍵按下觸發 BSP_EVENT_SLEEP 事件進入睡眠模式

static void bsp_event_handler(bsp_event_t event)
{
    ret_code_t err_code;
    switch(event)
    {
        case BSP_EVENT_SLEEP:
            sleep_mode_enter();  // 進入睡眠模式
            break;
        ···
        ···
    }
}

打開 sleep_mode_enter() 函式，觀察到函式內部主要實作配置休眠指示燈、配置喚醒按鍵，進入 System Off 睡眠模式三個功能，進入 System Off 模式的關鍵在于呼叫協議堆疊 API 函式 sd_power_system_off()，這個函式可以在協議堆疊下起到暫存器操作 NRF_POWER->SYSTEMOFF=1 一樣的效果，呼叫了這個函式后，系統將進入到睡眠模式，

static void sleep_mode_enter(void)
{
    // 設定指示燈
    uint32_t err_code = bsp_indication_set(BSP_INDICATE_IDLE);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    // 配置喚醒按鍵
    err_code = bsp_btn_ble_sleep_mode_prepare();
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    // 進入系統關閉模式（此功能不會回傳，喚醒將導致系統重置）
    err_code = sd_power_system_off();
    APP_ERROR_CHECK(err_code);
}

1.2.2 退出SYSTEM_OFF模式

在 System Off 模式下，可以通過以下信號之一喚醒設備：

DETECT 信號，可由 GPIO 外設產生，
ANADETECT 信號，可由 LPCOMP 外設模塊產生，
SENSE 信號，可由 NFC 模塊產生 "wake-on-field"方式產生，
復位重啟

在 BLE 程式中，提供了其中一種按鍵喚醒方式，喚醒按鍵在 sleep_mode_enter() 函式的 bsp_btn_ble_sleep_mode_prepare() 中進行配置，

uint32_t bsp_btn_ble_sleep_mode_prepare(void)
{
    uint32_t err_code;
    // 配置喚醒按鍵
    err_code = bsp_wakeup_button_enable(BTN_ID_WAKEUP);
    RETURN_ON_ERROR_NOT_NOT_SUPPORTED(err_code);
    // 配置喚醒和剔除系結資訊按鍵
    err_code = bsp_wakeup_button_enable(BTN_ID_WAKEUP_BOND_DELETE);
    RETURN_ON_ERROR_NOT_NOT_SUPPORTED(err_code);

    return NRF_SUCCESS;
}

二、硬體上降低功耗

不同的內部穩壓器選擇，會造成不同的電路消耗，可以通過選擇不同的硬體電路配置，來選取下面兩種內部穩壓器：

內部 LDO 穩壓器
內部 DC/DC 穩壓器

LDO 是系統默認的穩壓器，而 DC/DC 穩壓器可用作 LDO 穩壓器的替代產品，與使用 LDO 穩壓器相比，使用 DC/DC 穩壓器具有更低的電流消耗，但 DC/DC 穩壓器需要連接外部 LC 濾波器：

其中關于 DC/DC 穩壓器所連接的外部 LC 濾波器電路上的電感和電容引數，請參看芯片手冊 53 節 Reference circuitry 所提供的參考電路，

由于默認選擇的是內部 LDO 穩壓器，因此如果需要切換到使用內部 DC/DC 穩壓器，還需要在軟體上進行配置，

首先需要在主函式 main.c 中，初始化 softDevice 協議堆疊前，執行 NRF_POWER->DCDCEN=1，或者在初始化softDevice 協議堆疊后，執行 sd_power_dcdc_mode_set(1)，
sdk_config.h 組態檔中勾選 NRFX_POWER_ENABLED 使能選項，同時把選項下的 DC/DC 使能選項 NRFX_POWER_CONFIG_DEFAULT_DCDCEN 進行勾選，

在選取電源電壓為 3.0 V ，廣播間隔為 500ms，發射功率為 0dbm 的情況下，選擇 DC/DC 穩壓方式的總平均功耗電流為 20uA，而選擇 LDO 穩壓方式的總平均電流在 32uA 左右，因此，選擇 DC/DC 穩壓方式可以大幅度的降低功耗，

三、軟體上降低功耗

3.1 廣播狀態下功耗優化

3.1.1 發射功率

設定發射功率具有 9 個發射等級，系統默認的發射功率是 0dbm，發射功率越大，發射距離就越遠，相應的電流消耗就越大，

3.1.2 廣播間隔時間

廣播間隔就是廣播包發出的頻率，廣播間隔越長，功耗越低，

3.1.3 廣播負載

藍牙的廣播包普通包長度在 31 位元組，掃描回應包也有 31 位元組，如果藍牙 5.0 下的第二廣播包長度更長，越長的廣播負載，會造成越大的電流消耗，

3.2 連接狀態下功耗優化

3.2.1 連接間隔和從機潛伏周期

連接間隔是保證主從機維持連接，相互發空包的時間間隔，連接間隔可以在 GAP 初始化中進行設定，當設定的連接間隔越長，設備的功耗越低，因此，可以在維持連接狀態下，保證資料正常通信的基礎下，設定盡可能長的連接間隔，

從機潛伏周期和連接間隔是同時進行配置的，從機潛伏周期允許藍牙設備一定次數的周期不對藍牙主機資料進行回復，在這個周期次數范圍內，藍牙主機即使沒有收到藍牙從機設備的回復確認資訊包，也會認為設備正常，這種方式也可以降低藍牙設備的功耗，

3.2.2 發射和接收的資料量

藍牙資料發送和接收的資料量大小，直觀的影響到了功耗，資料吞吐量越大，功耗越高，

3.3 系統及外設功耗優化

3.3.1 協議堆疊時鐘選擇

協議堆疊時鐘可以選擇外部低速時鐘和內部低速時鐘，選取外部低速時鐘具有更低的功耗，使能外部 32kHz 晶振，通常可以節省 1-2% 的電能，默認使用外部低速晶振，在 main.c 檔案，ble_stack_init() 函式中 nrf_sdh_enable_request() 找到

    nrf_clock_lf_cfg_t const clock_lf_cfg =
    {
        .source       = NRF_SDH_CLOCK_LF_SRC,
        .rc_ctiv      = NRF_SDH_CLOCK_LF_RC_CTIV,
        .rc_temp_ctiv = NRF_SDH_CLOCK_LF_RC_TEMP_CTIV,
        .accuracy     = NRF_SDH_CLOCK_LF_ACCURACY
    };

.source 配置脈沖時鐘源 NRF_SDH_CLOCK_LF_SRC，默認值為 1，即外部晶振，

// <0=> NRF_CLOCK_LF_SRC_RC     // 內部時鐘源
// <1=> NRF_CLOCK_LF_SRC_XTAL  // 外部晶振源
// <2=> NRF_CLOCK_LF_SRC_SYNTH  // 合成時鐘源

#ifndef NRF_SDH_CLOCK_LF_SRC
#define NRF_SDH_CLOCK_LF_SRC 1
#endif

3.3.2 關閉日志列印

main.c 檔案，main() 函式中注釋掉 log_init()，
在 sdk_config.h 檔案中關閉 UART 日志記錄，選擇支持 RTT，除非jlink除錯器已連接，否則 RTT 不會使用電流，

3.3.3 UART/UARTE

首先 UART 模塊本身只需要 55uA 的作業電流，同時會自動打開高頻時鐘電路，也需要消耗 250uA 左右電流，如果使能了 UARTE 的 EasyDMA，那么 DMA 還需要消耗額外的 2mA 電流，這樣 UARTE 作業消耗的電流會很高，因此在 UART 沒有資料傳輸的時候建議將 UART 關掉，以節省功耗，

注：為了達到低功耗和實時性雙重目的，在設計 UART 通信的時候，我們經常會額外再加 2 個 GPIO 口用來通知對方 UART 要傳送資料了，
關閉 UART 的 API 為：nrf_drv_uart_uninit() 或者 app_uart_close()，

3.3.4 SPI/TWI

在不使用的時候建議采用 uninit 函式進行關閉，這部分的外設也消耗電流，需要使用的時候進行 init 初始化開啟，

SPI 開啟和關閉：nrf_drv_spi_init 和 nrf_drv_spi_uninit
TWI 開啟和關閉：nrf_drv_twi_enable 和 nrf_drv_twi_disable

3.3.5 SAADC

在不使用的時候建議采用 uninit 函式進行關閉，需要使用的時候進行 init 初始化開啟，

ADC 開啟和關閉：nrfx_saadc_init 和 nrfx_saadc_uninit
如果你發現 uninit ADC 后，功耗還是很高，建議打開這個宏 NRFX_SAADC_CONFIG_LP_MODE，再試一下，功耗有可能就降下來了，
官方SAADC低功耗例子 https://github.com/NordicPlayground/nRF52-ADC-examples/tree/master/saadc_low_power

3.3.6 GPIOE

GPIOE 事件模式下具有兩鐘模式：高精度模式（hi_accuracy 為 true）和低精度模式（hi_accuracy 為 false），高精度模式 IN event 中斷比低精度模式 Port event 中斷消耗更多的電流 10~20uA，如果只是檢測 IO 口電平，建議使用低精度模式，也就是所有的輸入信號都使用一個中斷申請，庫函式呼叫配置：
GPIOTE_CONFIG_IN_SENSE_HITOLO(false);

3.3.7 Timer

Timer0/1/2/3/4，Timer 的作業電流大概為 5~50uA 左右（nRF51功耗會更高），對低功耗應用來說，已經非常大了，如果你的定時精度要求不高，而且是毫秒的倍數，那么強烈建議你使用 RTC 來實作定時功能，協議堆疊下為 app_timer 軟體定時器，app_timer 的功耗只有 0.2uA 左右，

3.3.8 FPU

由于 nRF52x 系列處理器不同于 nRF51 系列，其內核為 ARM Cortex M4 處理器，ARM Cortex M4 處理器帶 FPU 浮點運算單元，每當程式要執行浮點運算的時候，內核就會自動把 FPU 打開i，FPU 將消耗 7mA 以上的電流，此種情況下，進入 idle 模式之前必須手動關閉 FPU，手動關閉 FPU 代碼如下所示：

/* Clear FPSCR register and clear pending FPU interrupts. This code is base on

         * nRF5x_release_notes.txt in documentation folder. It is necessary part of code when

         * application using power saving mode and after handling FPU errors in polling mode.

*/

__set_FPSCR(__get_FPSCR() & ~(FPU_EXCEPTION_MASK));

(void) __get_FPSCR();

NVIC_ClearPendingIRQ(FPU_IRQn);

在新版本 SDK 中 idle_state_handle() 已經加了處理

四、電量消耗預估

https://devzone.nordicsemi.com/power/

? 由 Leung 寫于 2020 年 10 月 14 日

? 參考：青風電子社區
　　　　板子功耗高的原因有哪些
　　　　nRF52 Power優化降低70%以上耗電量

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/ruanti/173286.html

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