RT-Thread低功耗的适配和应用

近期 RT-Thread 工程师完成了基于瑞萨CPK-RA2L1 开发板的BSP适配，支持了GPIO、UART、I2C、SPI、ADC、DAC、PWM、CAN、on-chip Flash、Watchdog、RTC等外设驱动，并在瑞萨工程师支持下完成了电源组件（低功耗LPM）适配，经实际测量，芯片在Software Standby阶段可达到的最低平均电流约为0.696uA，本篇笔记记录低功耗的适配和应用。

可通过以下链接查看RA MCU BSP：

https://github.com/RT-Thread/rt-thread/tree/master/bsp/renesas

瑞萨 RA 系列 MCU 开发板的 BSP 制作教程：

https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/tutorial/make-bsp/renesas-ra/RA%E7%B3%BB%E5%88%97BSP%E5%88%B6%E4%BD%9C%E6%95%99%E7%A8%8B

在开始介绍低功耗前，先了解一下 RA2L1 MCU 产品群关键特性

• 48MHz Arm Cortex-M23 CPU内核

• 支持1.6V-5.5V宽范围工作电压

• 超低功耗，提供64μA/MHz工作电流和250nA软件待机电流，快速唤醒时间小于5µs

• 采用瑞萨110nm低功耗工艺，用于运行和睡眠/待机模式，并且专门为电池驱动应用设计了特殊掉电模式

• 灵活的供电模式可实现更低的平均功耗，以满足多种应用需求

• 集成了新一代创新型电容式触摸感应单元，无需外部元器件，降低BOM成本

• 通过高精度（1.0%）高速振荡器、温度传感器和多种供电接口端口等片上外围功能降低系统成本

• 后台运行的数据闪存，支持一百万次擦除/编程循环

• 采用LQFP封装，产品涵盖48引脚至100引脚封装

低功耗基础

低功耗的本质是系统空闲时 CPU 停止工作，中断或事件唤醒后继续工作。在 RTOS 中，通常包含一个 IDLE 任务，该任务的优先级最低且一直保持就绪状态，当高优先级任务未就绪时，OS 执行 IDLE 任务。一般地，未进行低功耗处理时，CPU 在 IDLE 任务中循环执行空指令。RT-Thread 的电源管理组件在 IDLE 任务中，通过对 CPU 、时钟和设备等进行管理，从而有效降低系统的功耗。

在上图所示，当高优先级任务运行结束或被挂起时，系统将进入 IDLE 任务中。在 IDLE 任务执行后，它将判断系统是否可以进入到休眠状态（以节省功耗）。如果可以进入休眠， 将根据芯片情况关闭部分硬件模块，OS Tick 也非常有可能进入暂停状态。此时电源管理框架会根据系统定时器情况，计算出下一个超时时间点，并设置低功耗定时器，让设备能够在这个时刻点唤醒，并进行后续的工作。当系统被（低功耗定时器中断或其他唤醒中断源）唤醒后，系统也需要知道睡眠时间长度是多少，并对OS Tick 进行补偿，让系统的OS tick值调整为一个正确的值。

PM组件

PM组件是RT-Thread系统中针对电源管理而设计的基础功能组件， 组件采用分层设计思想，分离架构和芯片相关的部分，提取公共部分作为核心。支持多种运行模式和休眠模式的管理切换，以及低功耗定时器的管理。

PM 组件有以下特点：

• PM 组件是基于模式来管理功耗

• PM 组件可以根据模式自动更新设备的频率配置，确保在不同的运行模式都可以正常工作

• PM 组件可以根据模式自动管理设备的挂起和恢复，确保在不同的休眠模式下可以正确的挂起和恢复

• PM 组件支持可选的休眠时间补偿，让依赖 OS Tick 的应用可以透明使用

• PM 组件向上层提供设备接口，如果使用了设备文件系统组件，那么也可以用文件系统接口来访问

PM组件支持的休眠模式有

RA系列LPM功能

RA2 MCU支持的LPM类型有:

• Sleep mode

• Software Standby mode

• Snooze mode

低功耗模式转换和触发源如图所示：

不同模式间的切换如图所示，从图中也可以看出三种模式的功耗关系是Sleep>Snooze>Standby。

RA2芯片的休眠模式对应PM组件的模式关系：

配置LPM功能

要使用RA2系列芯片的LPM功能，需要进入bsp enesas a2l1-cpk目录。

• 在menuconfig中使能LPM驱动，并勾选要开启的休眠模式，然后保存配置，生成MDK5工程。

• 打开PM组件和驱动后，需要增加idle的线程栈大小，可改为1024。

  

• 打开生成的MDK5工程project.uvprojx，然后打开FSP配置工具添加LPM相关配置。下图是需要添加的stack，包括三种LPM模式的配置以及低功耗定时器AGT1。

• 创建LPM如下图所示新建r_lpm，需要根据使用的模式进行配置且不同模式要创建不同的r_lpm。下面将分别介绍三种不同模式的配置，创建步骤就不再赘述。

Sleep mode休眠模式

创建出r_lpm后需要修改Name和Low Power Mode这两个配置项。Name需要改为g_lpm_sleep，因为在驱动文件中已经定义了sleep模式对应的stack名称。Low Power Mode选择Sleep mode即可。

Standby mode软件待机模式

Name需要改为g_lpm_sw_standby。Low Power Mode选择Software Standby mode即可。

另外在此模式下还需要配置唤醒MCU的中断源，因为会使用到AGT1做为低功耗定时器所以AGT1的中断需要勾选。如果在应用中还需要其他中断源在此模式下唤醒MCU，则勾选对应选项即可。

Snooze mode小睡模式

Name需要改为g_lpm_sw_standby_with_snooze。Low Power Mode选择Snooze mode即可。

另外在此模式下同样要配置唤醒MCU的中断源，因为会使用到AGT1做为低功耗定时器所以AGT1的中断需要勾选。如果在应用中还需要其他中断源在此模式下唤醒MCU，则勾选对应选项即可。

AGT1低功耗定时器

在驱动中使用了MCU的AGT1做为PM组件的低功耗定时器，用于在休眠状态下的系统时钟补偿。

完成上述配置步骤就已经把LPM低功耗模式的相关配置做完了。然后再根据应用要实现的功能配置其他外设。

低功耗DEMO

上文介绍了在RT-Thread的RA2L1上怎么配置LPM的不同模式，接下来就用一个小DEMO来验证下MCU在各种模式下的工作情况。

低功耗DEMO要实现的功能是，在CPK-RA2L1开发板上用S1按钮切换不同的低功耗模式，并在msh中打印出模式切换的提示信息。要实现这个功能需要在刚才的基础上添加一个低功耗的唤醒源。

添加配置

• 创建IRQ中断，IRQ中断选择通道3，详细配置如下。

  

  

• 在刚才的Snooze和Standby模式的配置里添加IRQ3的唤醒源

  

  

  

• 然后保存并生成配置代码。

添加测试代码

#include 
#ifdef BSP_USING_LPM#include #include #include 
#define WAKEUP_APP_THREAD_STACK_SIZE        512#define WAKEUP_APP__THREAD_PRIORITY         RT_THREAD_PRIORITY_MAX / 3#define WAKEUP_EVENT_BUTTON                 (1 << 0)
static rt_event_t wakeup_event;
#define USER_INPUT  "P004"#define LED2_PIN    "P501" /* Onboard LED pins */
void rt_lptimer_init(rt_lptimer_t  timer,                   const char *name,                   void (*timeout)(void *parameter),                   void       *parameter,                   rt_tick_t   time,                   rt_uint8_t  flag);
rt_err_t rt_lptimer_detach(rt_lptimer_t timer);rt_err_t rt_lptimer_start(rt_lptimer_t timer);rt_err_t rt_lptimer_stop(rt_lptimer_t timer);
rt_err_t rt_lptimer_control(rt_lptimer_t timer, int cmd, void *arg);
static struct rt_lptimer lptimer; 
static void timeout_cb(void *parameter){    rt_interrupt_enter();    rt_kprintf("
 lptimer callback 
");    rt_interrupt_leave();}
static void lptimer_init(void){    rt_lptimer_init(&lptimer,                    "lpm",                    timeout_cb,                    (void*)&wakeup_event,                    1000,                    RT_TIMER_FLAG_PERIODIC);}
static void lptimer_stop(void){    rt_lptimer_stop(&lptimer);}
static void lptimer_start(void){    rt_lptimer_start(&lptimer);}
static void led_app(void){    static uint8_t key_status = 0x00;    rt_uint32_t led2_pin = rt_pin_get(LED2_PIN);
    rt_pin_write(led2_pin, PIN_HIGH);    switch(key_status%4)    {    case 0:/* IDLE */    lptimer_stop();        rt_pm_release(PM_SLEEP_MODE_NONE);        rt_kprintf("	request:IDLE
");        rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_IDLE);        break;    case 1:/* DEEP */    lptimer_stop();    lptimer_start();        rt_pm_release(PM_SLEEP_MODE_IDLE);        rt_kprintf("	request:DEEP
");        rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_DEEP);        break;    case 2:/* STANDBY */    lptimer_stop();    lptimer_start();        rt_pm_release(PM_SLEEP_MODE_DEEP);        rt_kprintf("	request:STANDBY
");        rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_STANDBY);        break;    case 3:/* NONE */    lptimer_stop();        rt_pm_release(PM_SLEEP_MODE_STANDBY);        rt_kprintf("	request:NONE
");        rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_NONE);        break;    default:        break;    }
    key_status++;    rt_pin_write(led2_pin, PIN_LOW);}
static void wakeup_callback(void* p){    rt_event_send(wakeup_event, WAKEUP_EVENT_BUTTON);}
void wakeup_sample(void){    /* init */    rt_uint32_t pin = rt_pin_get(USER_INPUT);    rt_kprintf("
 pin number : 0x%04X 
", pin);    rt_err_t err = rt_pin_attach_irq(pin, PIN_IRQ_MODE_RISING, wakeup_callback, RT_NULL);    if (RT_EOK != err)    {        rt_kprintf("
 attach irq failed. 
");    }    err = rt_pin_irq_enable(pin, PIN_IRQ_ENABLE);    if (RT_EOK != err)    {        rt_kprintf("
 enable irq failed. 
");    }}
static void wakeup_init(void){    wakeup_event = rt_event_create("wakup", RT_IPC_FLAG_FIFO);    RT_ASSERT(wakeup_event != RT_NULL);    wakeup_sample();}
static void pm_mode_init(void){    rt_pm_release_all(RT_PM_DEFAULT_SLEEP_MODE);    rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_NONE);}
void pm_test_entry(void* para){    /* 唤醒回调函数初始化 */  wakeup_init();
    /* 电源管理初始化 */    pm_mode_init();
  lptimer_init();
    while (1)    {        /* 等待唤醒事件 */        if (rt_event_recv(wakeup_event,                            WAKEUP_EVENT_BUTTON,                            RT_EVENT_FLAG_AND | RT_EVENT_FLAG_CLEAR,                            RT_WAITING_FOREVER, RT_NULL) == RT_EOK)        {            led_app();        }    }}
int pm_test(void){
    rt_thread_t tid = rt_thread_create(            "pmtest",pm_test_entry,RT_NULL,512,10,10);    if(tid)        rt_thread_startup(tid);
    return 0;}MSH_CMD_EXPORT(pm_test, pm_test);// INIT_APP_EXPORT(pm_test);#endif

将DEMO代码加入到工程中，可以直接添加到hal_entry.c或新建一个源文件。

测试验证

然后编译下载。开发板连接串口工具，输入pm_test命令启动测试DEMO。

按下S1按钮切换工作模式，在DEEP、STANDBY模式下会启动低功耗定时器，当定时唤醒后会打印出回调接口的提示信息。

经测试：

（1）串口通中输入“pm_test”，观测到电流在8.6mA和5.8mA之间变化。

（2）按下S1后，串口通中打印信息为“requestIDLE”，此时电流约为2.2mA。

（3）再次按下S1后，串口通中打印信息为“requestDEEP”，此时电流约为1593uA，并间隔产生lptimer中断。

（4）再次按下S1后，串口通中打印信息为“requestSTANDBY”，此时电流约为2.4uA，并间隔产生lptimer中断。

（5）再次按下S1后，串口通中打印信息为“requestNONE”，恢复为（1）的电流值，然后可循环执行此流程。

审核编辑：汤梓红