1、功耗模式
nRF52 上只有兩種電源模式：SYSTEM_ON 和 SYSTEM_OFFphp
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。當系統空閒進入 System On 模式時，默認狀況下將處於低功耗子模式，一般最低功耗爲 1.9uA (nRF52832) 或 1.5uA(nRF52840)，包括 LFCLK 和 RTC。這是鏈接事件之間的正常狀態。CPU 在計時器、外圍設備或pin中斷時從新啓動。html
1.1.1 進入SYSTEM_ON模式
當 CPU 和外圍設備處於空閒狀態時，芯片進入默認的低功耗子模式。git
在主函數最後面都會出現一個 for 循環，這個循環不停的重複運行其中的 idle_state_handle() 函數。github
int main(void) { ··· ··· for(;;) { idle_state_handle(); } }
打開 idle_state_handle() 函數，該函數是處理空閒狀態的函數。經過 if 語句，判斷調試緩衝區沒有更多日誌的時候，就進入 nrf_pwr_mgmt_run() 函數，這個函數就會進入到低功耗模式，直到下一個事件發生。app
static void idle_state_handle(void) { if(NRF_LOG_PROCESS() == false) // 若是調試緩衝區沒有更多日誌 { nrf_pwr_mgmt_run(); } }
打開 nrf_pwr_mgmt_run() 函數，BLE 狀態下，若是 CPU 處於空閒狀態就會進入 sd_app_evt_wait() 函數，這個函數是進入低功耗的關鍵，是協議棧提供的一個等待事件函數。jsp
void nrf_pwr_mgmt_run(void) { PWR_MGMT_FPU_SLEEP_PREPARE(); // 清除FDU異常，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 // 帶協議棧狀態下 if (nrf_sdh_is_enabled()) // 若是協議棧被使能 { ret_code_t ret_code = sd_app_evt_wait(); //調用協議棧等待函數 ASSERT((ret_code == NRF_SUCCESS) || (ret_code == NRF_ERROR_SOFTDEVICE_NOT_ENABLED)); UNUSED_VARIABLE(ret_code); } else #endif // SOFTDEVICE_PRESENT // 不然，不帶協議棧狀態 { // 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
經過藍牙的事件觸發芯片脫離低功耗模式，進入運行狀態。函數
1.2 SYSTEM_OFF睡眠模式
SYSTEM_OFF：是深省電模式，工做電流爲 300nA (nRF52832) 或 400nA (nRF52840)，在該模式下，系統的內核和全部在運行的任務都會中止，也就是說時鐘也中止，至關於關機狀態。能夠直接控制 POWER 相關寄存器使系統進入 System OFF 模式(NRF_POWER->SYSTEMOFF = 1; )，也能夠經過API函數(sleep_mode_enter() 或 nrf_pwr_mgmt_run() 此函數執行 __WFE() 指令進入睡眠前清除全部事件)，能夠參考 SDK 中的 nrf_pwr_mgt 例子，系統進入 System OFF 模式會保留 GPIO 以前的狀態，包括 GPIO 的輸入/輸出、I2C 總線、SPI 總線等，因此在進入 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，若是有 I2C 或 SPI 等總線外設也須要釋放掉；能夠經過復位、GPIO 中斷或 NFC 信號(增長100nA)進行喚醒 。從 System OFF 模式中喚醒程序會發生復位，參考 832 product spec 文檔優化
1.2.1 進入SYSTEM_OFF模式
在進入 System Off 模式以前，用戶必須確保全部正在進行的 EasyDMA 通訊已完成。進入深度睡眠以前必定要將使用 EasyDMA 的外設停掉。ui
BLE 程序代碼裏經過兩種方式進入，一個是廣播超時後會進入無效廣播，再進入睡眠；另外就是經過按鍵按下調用睡眠模式進入函數進行進入。spa
- 無效廣播後進入到睡眠模式
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() 函數，觀察到函數內部主要實現配置休眠指示燈、配置喚醒按鍵，進入 System Off 睡眠模式三個功能。進入 System Off 模式的關鍵在於調用協議棧 API 函數 sd_power_system_off()，這個函數能夠在協議棧下起到寄存器操做 NRF_POWER->SYSTEMOFF=1 同樣的效果。調用了這個函數後，系統將進入到睡眠模式。
static void sleep_mode_enter(void) { // 設置指示燈 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（此功能不會返回，喚醒將致使系統重置） 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，能夠經過如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。
- 復位重啓
在 BLE 程序中，提供了其中一種按鍵喚醒方式，喚醒按鍵在 sleep_mode_enter() 函數的 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); // 配置喚醒和剔除綁定信息按鍵 err_code = bsp_wakeup_button_enable(BTN_ID_WAKEUP_BOND_DELETE); RETURN_ON_ERROR_NOT_NOT_SUPPORTED(err_code); return NRF_SUCCESS; }
2、硬件上下降功耗
不一樣的內部穩壓器選擇，會形成不一樣的電路消耗。能夠經過選擇不一樣的硬件電路配置，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 穩壓器可用做 LDO 穩壓器的替代產品。與使用 LDO 穩壓器相比，使用 DC/DC 穩壓器具備更低的電流消耗，但 DC/DC 穩壓器須要鏈接外部 LC 濾波器：
其中關於 DC/DC 穩壓器所鏈接的 外部 LC 濾波器電路上的電感和電容參數，請參看芯片手冊 53 節 Reference circuitry 所提供的參考電路。
因爲默認選擇的是內部 LDO 穩壓器，所以若是須要切換到使用內部 DC/DC 穩壓器，還須要在軟件上進行配置。
- 首先須要在主函數 main.c 中，初始化 softDevice 協議棧前，執行
NRF_POWER->DCDCEN=1。或者在初始化softDevice 協議棧後，執行sd_power_dcdc_mode_set(1)。 - sdk_config.h 配置文件中勾選
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。
在選取電源電壓爲 3.0 V ，廣播間隔爲 500ms，發射功率爲 0dbm 的狀況下，選擇 DC/DC 穩壓方式的總平均功耗電流爲 20uA，而選擇 LDO 穩壓方式的總平均電流在 32uA 左右。所以，選擇 DC/DC 穩壓方式能夠大幅度的下降功耗。
3、軟件上下降功耗
3.1 廣播狀態下功耗優化
3.1.1 發射功率
設置發射功率具備 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 字節，掃描響應包也有 31 字節。若是藍牙 5.0 下的第二廣播包長度更長，越長的廣播負載，會形成越大的電流消耗。
3.2 鏈接狀態下功耗優化
3.2.1 鏈接間隔和從機潛伏週期
鏈接間隔是保證主從機維持鏈接，相互發空包的時間間隔。鏈接間隔能夠在 GAP 初始化中進行設置。當設置的鏈接間隔越長，設備的功耗越低。所以，能夠在維持鏈接狀態下，保證數據正常通訊的基礎下，設置儘量長的鏈接間隔。
從機潛伏週期和鏈接間隔是同時進行配置的，從機潛伏週期容許藍牙設備必定次數的週期不對藍牙主機數據進行回覆。在這個週期次數範圍內，藍牙主機即便沒有收到藍牙從機設備的回覆確認信息包，也會認爲設備正常。這種方式也能夠下降藍牙設備的功耗。
3.2.2 發射和接收的數據量
藍牙數據發送和接收的數據量大小，直觀的影響到了功耗。數據吞吐量越大，功耗越高。
3.3 系統及外設功耗優化
3.3.1 協議棧時鐘選擇
協議棧時鐘能夠選擇外部低速時鐘和內部低速時鐘。選取外部低速時鐘具備更低的功耗，使能外部 32kHz 晶振，一般能夠節省 1-2% 的電能。默認使用外部低速晶振。在 main.c 文件，ble_stack_init() 函數中 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 配置脈衝時鐘源 NRF_SDH_CLOCK_LF_SRC，默認值爲 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 關閉日誌打印
- main.c 文件，main() 函數中註釋掉 log_init()。
- 在 sdk_config.h 文件中關閉 UART 日誌記錄，選擇支持 RTT。除非jlink調試器已鏈接，不然 RTT 不會使用電流。
3.3.3 UART/UARTE
首先 UART 模塊自己只須要 55uA 的工做電流，同時會自動打開高頻時鐘電路，也須要消耗 250uA 左右電流。若是使能了 UARTE 的 EasyDMA，那麼 DMA 還須要消耗額外的 2mA 電流。這樣 UARTE 工做消耗的電流會很高。所以在 UART 沒有數據傳輸的時候建議將 UART 關掉，以節省功耗。
- 注：爲了達到低功耗和實時性雙重目的，在設計 UART 通訊的時候，咱們常常會額外再加 2 個 GPIO 口用來通知對方 UART 要傳送數據了。
- 關閉 UART 的 API 爲：
nrf_drv_uart_uninit()或者app_uart_close()。
3.3.4 SPI/TWI
在不使用的時候建議採用 uninit 函數進行關閉，這部分的外設也消耗電流。須要使用的時候進行 init 初始化開啓。
- SPI 開啓和關閉：
nrf_drv_spi_init和nrf_drv_spi_uninit - TWI 開啓和關閉：
nrf_drv_twi_enable和nrf_drv_twi_disable
3.3.5 SAADC
在不使用的時候建議採用 uninit 函數進行關閉，須要使用的時候進行 init 初始化開啓。
- ADC 開啓和關閉：
nrfx_saadc_init和nrfx_saadc_uninit - 若是你發現 uninit ADC 後，功耗仍是很高，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 事件模式下具備兩鐘模式：高精度模式（hi_accuracy 爲 true）和低精度模式（hi_accuracy 爲 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。若是隻是檢測 IO 口電平，建議使用低精度模式，也就是全部的輸入信號都使用一箇中斷申請，庫函數調用配置：
GPIOTE_CONFIG_IN_SENSE_HITOLO(false);
3.3.7 Timer
Timer0/1/2/3/4。Timer 的工做電流大概爲 5~50uA 左右（nRF51功耗會更高），對低功耗應用來講，已經很是大了。若是你的定時精度要求不高，並且是毫秒的倍數，那麼強烈建議你使用 RTC 來實現定時功能。協議棧下爲 app_timer 軟件定時器，app_timer 的功耗只有 0.2uA 左右。
3.3.8 FPU
因爲 nRF52x 系列處理器不一樣於 nRF51 系列，其內核爲 ARM Cortex M4 處理器。ARM Cortex M4 處理器 帶 FPU 浮點運算單元。每當程序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，此種狀況下，進入 idle 模式以前必須手動關閉 FPU，手動關閉 FPU 代碼以下所示：
/* 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
4、電量消耗預估
https://devzone.nordicsemi.com/power/
• 由 Leung 寫於 2020 年 10 月 14 日