LPCXpresso环境下的LPC1100低功耗模式和唤醒时钟

1.简介

基于ARM Cortex-M0 CPU架构，LPC1100微控制器系列（8/16位应用），高性能、低功耗、简易指令、存储器寻址，与现有的8/16架构相比，代码体积更小。

LPC1100系列外设包括32KB flash 存储器，8KB数据存储器，一个C-CAN控制器（LPC11Cxx），一个高速+IIC总线接口，一个RS-485/EI-485UART，两个SPI接口（SSP特性），4个通用定时器，一个10位ADC，以及42个通用I/0引脚。

LPC11Cxx系列包含片上C-CAN驱动和通过C-CAN在线系统编程flash工具。LPC11C2x系列有一个片上高速CAN收发器。

LPC11xx（L）系列包含片上功率配置部件。

LPC1100系列定位于一系列广泛的应用，包括eMetering、照明、工业网络、报警系统以及白色家电。

本文档介绍了LPC11xx系列,LPC11xx(L)系列和LPC11Cxx系列的各种低功耗模式。进入低功耗模式、唤醒状态，可以有效降低功耗。本文档同时提供了一个软件示例，使用LPC1114 LPCXpresso板进入低功耗模式测量功耗和唤醒时钟。

本文档包括以下要点：

• （1） 低功耗模式
• （2） 进入低功耗模式
• （3） 唤醒状态
• （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系列有三种省电模式：睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉电（Power-down）模式。以下内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 内核系统时钟停止，指令的执行暂停，直到复位或者发生中断。

外设功能，如果选择SYSAHBCLKCTRL寄存器计时，在睡眠模式继续操作，则会产生中断，恢复处理器运行。睡眠模式取消了动态功率（用于处理器自身、存储器系统和相关的控制器、内部总线）。处理器状态和寄存器、外设寄存器、内部SRAM的值保持不变，引脚的逻辑电平不变。

2．1．2 深度睡眠模式

在深度睡眠模式，与睡眠模式一样，处理器系统时钟不可用。所有的模拟块都掉电，除了BOD电路和看门狗震荡器（必须在深度睡眠模式期间，在PDSLEEPCFG寄存器中选定或取消选定）。详细内容请参考3.5部分。

深度睡眠模式取消了所有用于flash、模拟外设的电源，用于处理器自身、存储器系统和相关控制器、内部总线的动态电源。处理器状态和寄存器、外设寄存器以及内部SRAM的值保持不变，引脚的逻辑电平不变。

2．1．3 深度掉电模式

在浓度掉电模式，WAKEUP引脚的异常切断了整个芯片的电源和时钟。在深度掉电模式期间，不保留SRAM和寄存器的内容，除了少数保存在电源管理单元中的5个32位通用寄存器的数据。

在深度掉电模式下，所有的功能引脚都是三态的，除了WAKEUP引脚。

3.进入低功耗模式

这部分描述了LPC11xx、LPC11xx（L）、LPC11Cxx系列进入三种低功耗模式的机制（睡眠模式、深度睡眠模式、深度掉电模式）。

3．1 系统控制寄存器（SCR）

SCR寄存器控制进入和退出低功耗模式的特性。

在Cortex-M0 系统控制寄存器（SCR）中，通过设置SLEEPDEEP位，进入睡眠模式和深度睡眠模式。

位描述如图1所示。

图1 系统控制寄存器（SCR，0xE000ED10）

在Cortex-M0系统控制寄存器（SCR）中，如果SLEEPDEEP 位是0，则是睡眠模式。

在Cortex-M0系统控制寄存器（SCR）中，如果SLEEPDEEP 位是1，则是深度睡眠模式。

3．2 电源控制寄存器（PCON）

PCON寄存器选择哪种睡眠模式（睡眠模式或深度睡眠模式），或者进入深度掉电模式。PCON分别提供了睡眠/深度睡眠模式和深度掉电模式的标志位，参看图2。

图2 电源模式控制寄存器

3．3 中断等待（WFI）指令

设置完SLEEPDEEP位和PCON寄存器，执行WFI指令将直接进入低功耗省电模式。WFI指令是Cortex-M0指令，不能用ANSI C 直接访问。CMSIS（Cortex 微控制器软件接口标准）提供了一个内置函数，生成WFI指令，支持C编译器。

如果C编译器不支持WFI内置函数，用户必须使用汇编代码执行WFI指令。

3．4 进入睡眠模式的编程步骤

以下是进入睡眠模式的步骤：

• （1） PCON寄存器的DPDEN位必须设置为0。
• （2） ARM Cortex-M0 SCR 寄存器的SLEEPDEEP位必须设置为0。
• （3） 使用ARM Cortex-M0中断等待指令（WFI）。

图3为进入睡眠模式的示例代码

图3 示例代码（睡眠模式）

3．5 进入深度睡眠模式的编程步骤

以下为进入深度睡眠模式的步骤：

• （1）PCON寄存器的DPDEN位必须设置为0。
• （2）在PDSLEEPCFG寄存器深度睡眠模式下选择电源配置。

当器件进入深度睡眠模式，这个寄存器控制看门狗震荡器和BOD电路。在进入深度睡眠模式之前，必须至少一次使用下图中的值初始化这个寄存器。初始化失败，可能导致微控制器未定义错误。图4所列的是PDSLEEPCFG寄存器所允许的值。

图4 PDSLEEPCFG寄存器设置（深度睡眠模式）

• a.如果定时器需要控制自身唤醒，确保在PDRUNCFG寄存器中设置看门狗震荡器，并在MAINCLKSEL寄存器中选择看门狗震荡器的时钟源（细节请参考LPC11XX用户手册）。
• b.看门狗震荡器可以运行在深度睡眠模式，为看门狗定时器或者通用定时器提供时钟，如果它们需要自唤醒。更多细节请参考3.7部分。在这种情况下，看门狗震荡器模拟输出频率必须设置为它的最低值（WDTOSCCTRL中位FREQSEL=0001，参考LPC11XX用户手册），进入深度睡眠模式之前，在SYSAHBCLKCTRL寄存器中设置外设时钟为不可用（除了定时器时钟）。如果在深度睡眠模式下运行看门狗震荡器，将产生额外的电流损耗。
• c.如果没有定时器自唤醒需要，且看门狗震荡器关闭，确保在PDRUNCFG寄存器中设置对IRC的供电，并在进入深度睡眠模式前在MAINCLKSEL寄存器中为IRC选择时钟源。这样能确保顺利关闭系统时钟（更多细节请参考LPC11XX用户手册）。
• d.在深度睡眠模式下，使能BOD电路可以在低压下保护器件。虽然，在深度睡眠模式下，BOD电路会产生额外电流损耗。

（3） 唤醒之后，在PDAWAKECFG寄存器中选择电源配置。可以在寄存器中对该位进行编程，以决定芯片从深度睡眠模式唤醒时进入的状态。

（4） 如果使用外部引脚作为唤醒引脚，则在开始逻辑寄存器中使能并清除该唤醒引脚，并在NVIC中使能匹配开始逻辑的中断。

（5） 在SYSAHBCTRL寄存器中，禁用所有的外设，除了计数器/定时器或WDT（如果需要）。

（6） 在ARM Cortex-M0 SCR 寄存器中，SLEEPDEEP位写入1。

（7） 使用AMR Cortex-M0 中断等待指令（WFI）。

图5为进入深度睡眠模式的示例代码

图5 代码示例（深度睡眠模式）

3．6 进入深度掉电模式的编程步骤

进入深度掉电模式的步骤如下：

• （1）在PCON寄存器中，DPDEN位写入1。
• （2）保存通用寄存器中的数据（更多细节请参考LPC11XX用户手册）。
• （3）ARM Cortex-M0 SCR 寄存器，SLEEPDEEP位写入1。
• （4）在进入深度掉电模式之前，在PDRUNCFG寄存器中，IRCOUT-PD和IRC-PD位写入0，以确保对IRC供电。
• （5）使用ARM Cortex-M0 中断等待指令（WFI）。

请注意，在进入深度掉电模式之前，WAKEUP引脚需要外部拉高。

图6 示例代码（深度掉电模式）

3．7 唤醒

以下部分描述了LPC11xx、LPC11xx（L）、LPC11Cxx系列每种模式的唤醒。

3．7．1．1 从睡眠模式唤醒

当NVIC 中断或者复位发生时，自动退出睡眠模式。关于哪个中断源与NVIC连接，请参考LPC11XX用户手册。中断唤醒后，微控制器返回到最开始的电源配置状态（由PDRUNCFG和SYSAHBCLKDIV寄存器决定）。如果发生复位，微控制器进入激活模式的默认状态。

3．7．1．2 从深度睡眠模式唤醒

微控制器从深度睡眠模式唤醒有以下几种方式：

（1） 连接到开始逻辑（start logic）的外部引脚信号。某一端口引脚可以作为开始逻辑的输入。关于有哪些端口引脚连接到开始逻辑并可作为唤醒引脚，请参考LPC11XX用户手册。开始逻辑不需要任何时钟，如果在NVIC中使能从深度睡眠模式唤醒，则可以产生中断。

（2） 开始逻辑的输入信号（由某一通用定时器外部输入引起的事件所产生）。引脚（保持定时器匹配功能）在NVIC中设置为开始逻辑的输入，在SYSABHCLKCTRL寄存器中使能相应的定时器，且看门狗震撼器运行在深度睡眠模式（更多细节请参考LPC11XX用户手册）。当触发了相匹配的输入时，唤醒机制允许器件自唤醒。如图7所示，反馈到开始逻辑，引发器件自唤醒。这种方式不需要外部触发，减少了板上的外部元件。用这种方法所花的唤醒时间比第一种方法长。关于唤醒时间将在演示部分讨论。

图7 自唤醒框图

（3） BOD电路复位。此时，需要在PDSLEEPCFG寄存器中使能BOD电路，且在BODCTRL寄存器中使能BOD复位（更多细节请参考LPC11XX用户手册）。

（4） 看门狗定时器复位。此时，看门狗震荡器必须运行在深度睡眠模式（参看PDSLEEPCFG寄存器），且在SYSAHBCLKCTRL寄存器中使能看门狗定时器外设。

（5） 外部RESET引脚。

3．7．1．3 从深度掉电模式唤醒

拉低WAKEUP引脚从深度掉电唤醒，芯片复位。WAKEUP引脚最小脉冲宽度为50ns。

（1） 当WAKEUP引脚从高电平到低电平转换时，唤醒有效（电平触发）。

• a.电源管理单元（PMU）打开片上电压调节器。当内核电压达到电源复位（power-on-reset）跳变点，系统复位，芯片重新引导。
• b.所有寄存器（除了GPREG0-GPREG4、PCON）回到复位状态。

（2） 一旦芯片引导完成，可以从PCON寄存器中读取深度掉电标志位，以确认由唤醒事件引发的复位。

（3） 清除PCON寄存器深度掉电标志位。

（4） （可选）读取通用寄存器保存的数据。

请注意，RESET引脚在深度掉电模式下没有任何功能。

3．8 降低功耗补充材料

进一步降低电流损耗，可以考虑以下几点：

3．8．1．1 CPU时钟频率

可以根据需要控制CPU时钟频率。

（1） 改变时钟源：内部震荡器（12MHz +/-1%）、系统震荡器（1MHz to 25MHz），看门狗震荡器（7.8kHz to 1.7MHz +/-40%）。

（2） 重设PLL的值，和/或变更AHB Clock Divider（SYSAHBCLKDIV）的值。

（3） 降低PLL输出频率（FCCO，156MHz to 320MHz）可以降低功耗。

（4） 8位系统AHB Clock divider寄存器（SYSAHBCLKDIV）可以降低CPU的操作到某一低的频率，临时降低功耗而无需关闭SYS PLL。见图8所示。

图8 时钟发生单元（CGU）框图

3．9 系统AHB 时钟控制寄存器（AHBCLKCTRL）

如图8所示，SYSAHBCLKCTRL寄存器使能系统和外充模块的时钟。根据需要，用户可以使用该寄存器禁用未使用的外设时钟，以达到降低功耗的目的。更多细节请参考LPC11XX用户手册。

3．10 外设时钟除法器

选定的外设有各自的时钟除法器（SPI0CLKDIV，UARTCLKDIV，SPI1CLKDIV，WDTCLKDIV，CLKOUTDIV），可以控制提供给相应外设的时钟信号的频率（见图8）。根据实际需要，用户可以使用除法器降低外设时钟频率或者关闭时钟以降低功耗。更多细节请参考LPC11XX用户手册。

3．11 掉电配置寄存器（PDRUNCFG）

PDRUNCFG 寄存器包含模拟块电源开关的控制位，通过模拟外设可以消除电源消耗。更多细节请参考LPC11XX用户手册。

3．12 其他

3．12．1 软件

大部分嵌入式应用都以while(1) loop 结束，用于中断。此时，仍然从片上flash获取代码并执行，增加了功耗。一种较好的解决方案是选择睡眠省电模式，并等待中断。外设的中断可以把器件从睡眠模式唤醒。内核在等待中断时保持睡眠模式，可以有效的降低功耗。

3．12．2 端口引脚

可以增加一些步骤，在低功耗模式下降低电流损耗。LPC11xx、LPC11xx（L）、LPC11Cxx系列的通用端口引脚，默认可编程内部拉高。在进入低功耗模式之前，可以通过以下几种方法降低IO的电流：

（1） 所有通用I/O引脚（GPIO）默认带有输入上拉电阻。首先，使用IOCON寄存器，禁用所有通用端口引脚内部上拉（pull-ups）。其次，设置I/O为GPIO输出，低电平。确保引脚没有外部拉高。

（2） 所有通用I/O引脚（GPIO）默认带有输入上拉电阻。首先，使用IOCON寄存器，禁用所有通用端口引脚内部上拉（pull-ups）。其次，设置I/O为GPIO输出，高电平。确保引脚没有外部拉低。

（3） 使用IOCON寄存器，首先，禁用所有通用端口引脚内部上拉（pull-ups）。其次，设置I/O为GPIO输入且使用外部电阻，把I/O拉高或拉低。

请注意，在深度睡眠模式，端口引脚的状态不影响电流的损耗，以上提到的方法在这个模式下无需考虑。

3．12．3 CAN引脚

LPC11C1x器件，如果不使用CAN部件，CAN引脚（CAN-RXD和CAN-TXD）建议外部拉低，以降低IO电流。

3．12．4 RESET-N/PIO0-0引脚

LPC11xx、LPC11xx（L）、LPC11Cxx，在深度掉电模式时，RESET/PIO0-0引脚需要通过外部10K-47K电阻拉高。如果引脚悬空，用户可以看到电流损耗的增加。

3．12．5 调试

用户应该知道的关于一些调度的限制。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，不能从睡眠、深度睡眠和深度掉电模式下唤醒。建议不要在这些模式下调试。一旦通过SWD接口下载应用程序，USB和SWD之间的适配器要从板上移除。另一个问题是，调式模式改变了Cortex-M0 CPU处理降低功耗模式的方式。这将导致器件级的电源模式不同于通常模式下的操作。这些不同，意味着在调试时不能测试电源；在应用中，测试结果将比通常操作时要高。

4．低功耗模式演示

5．总结

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