一、低功耗设计的必要性

在电池供电的嵌入式系统中，低功耗设计是核心需求，主要体现在三个方面：

1. 电池续航：CR2032电池（220mAh）在待机10μA时可工作超2.5年，待机1mA时仅能工作9天以上。
2. 芯片散热：100mA电流@3.3V时功耗达330mW，封装热阻约50℃/W，温升约16℃，低功耗可降低发热。
3. 法规要求：EP待机要求<0.5W，需满足Energy Star、CEFCC等能效标准。

低功耗设计的目标是实现更长续航、更低发热、更小体积。

二、STM32四种功耗模式

STM32提供四种功耗模式，功耗从Run到Standby依次递减，唤醒时间递增：

模式	CPU状态	时钟状态	SRAM状态	典型电流	唤醒速度
Run	ON	ON	Keep	~30mA	-
Sleep	OFF	ON	Keep	~2mA	Fast
Stop	OFF	OFF	Keep	~20μA	Medium
Standby	OFF	OFF	Lost	~2μA	Slow

2.1 Sleep模式

• 特点：CPU停止取指，外设时钟继续运行，SRAM和寄存器保持。
• 功耗：~2mA。
• 唤醒：任意中断/事件唤醒，唤醒时间~6个时钟周期。
• 适用场景：短暂休眠，快速响应外部事件。

2.2 Stop模式

• 特点：全部时钟停止，SRAM和寄存器数据保持。
• 功耗：~20μA。
• 唤醒：EXTI外部中断、RTC闹钟唤醒，唤醒时间~10μs。
• 适用场景：间歇工作（按键唤醒、定时采集）。

2.3 Standby模式

• 特点：最省电，SRAM和寄存器数据丢失，仅保留RTC和Backup寄存器。
• 功耗：~2μA。
• 唤醒：系统复位，需重新启动程序。
• 适用场景：长时间休眠，对数据保持无要求。

三、唤醒源详解

STM32支持四种唤醒源，可灵活配置唤醒方式：

1. EXTI外部中断：GPIO边沿触发（如按键唤醒）。
2. RTC闹钟：定时唤醒（如每10分钟采集一次数据）。
3. WKUP引脚：专用唤醒引脚（PA0，上升沿触发）。
4. 独立看门狗（IWDG）：超时复位唤醒。

唤醒流程：事件触发→时钟恢复→系统恢复→继续执行。

四、功耗测量与计算

4.1 测量方法

• 万用表μA档：适合粗略测量。
• 功耗分析仪：高精度测量。
• Rshunt + ADC：在线测量。

4.2 续航计算

• 功耗公式：功耗 = 电流 × 电压
• 续航公式：Life(h) = 电池容量(mAh) / 平均电流(mA)
• 平均电流公式：I_avg = (T_act×I_act + T_slp×I_slp) / (T_act + T_slp)

示例：CR2032电池（220mAh），Active电流5mA（工作15分钟），Sleep电流20μA（休眠59分钟）。

• 平均电流：I_avg = (5×15 + 0.02×59) / 60 ≈ 0.183mA
• 续航：Life = 220 / 0.183 ≈ 1202小时 ≈ 50天

五、代码实现（Stop模式 + EXTI唤醒 + RTC定时唤醒）

以下是基于HAL库的完整代码实现，适用于STM32F103系列：

5.1 配置唤醒源

/* 1. 配置EXTI唤醒源（PA0按键） */
void EXTI_Wakeup_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}

/* 2. 配置RTC定时唤醒（每30秒唤醒一次） */
RTC_HandleTypeDef hrtc;

void RTC_Wakeup_Init(void) {
    RTC_AlarmTypeDef sAlarm = {0};
    
    hrtc.Instance = RTC;
    hrtc.Init.HourFormat = RTC_HOURFORMAT_24;
    hrtc.Init.AsynchPrediv = 127;
    hrtc.Init.SynchPrediv = 255;
    HAL_RTC_Init(&hrtc);
    
    sAlarm.AlarmTime.Seconds = 30;
    sAlarm.AlarmMask = RTC_ALARMMASK_DATEWEEKDAY | RTC_ALARMMASK_HOURS | RTC_ALARMMASK_MINUTES;
    HAL_RTC_SetAlarm_IT(&hrtc, &sAlarm, RTC_FORMAT_BIN);
    
    HAL_NVIC_SetPriority(RTC_Alarm_IRQn, 1, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(RTC_Alarm_IRQn);
}

5.2 进入Stop模式

void Enter_Stop_Mode(void) {
    HAL_SuspendTick();
    
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
    
    SystemClock_Config();
    HAL_ResumeTick();
}

5.3 主循环逻辑

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    EXTI_Wakeup_Init();
    RTC_Wakeup_Init();
    
    while (1) {
        // 主循环：执行任务（如传感器采集、数据发送）
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_0); // 状态指示
        HAL_Delay(100);
        
        // 进入Stop模式
        Enter_Stop_Mode();
    }
}

5.4 中断回调函数

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);
}

void HAL_RTC_AlarmEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc) {
    // RTC闹钟唤醒后的处理
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_1);
}

六、总结

STM32低功耗设计的核心要点：

1. 四种模式：Run/Sleep/Stop/Standby，功耗递减。
2. Sleep模式：CPU停止，时钟继续，~2mA，任意中断唤醒。
3. Stop模式：时钟停止，SRAM保持，~20μA，EXTI/RTC唤醒。
4. Standby模式：最省电，~2μA，SRAM丢失，复位重启。
5. 唤醒源：EXTI + RTC + WKUP引脚 + IWDG。
6. 续航公式：Life = 电池容量 / 平均电流（加权平均）。

通过合理选择功耗模式和唤醒源，可显著延长电池供电设备的续航时间，满足低功耗设计需求。