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Arduino的睡眠模式

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  • TA的每日心情

    2019-2-15 11:49
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    [LV.6]常住居民II

    发表于 2016-12-13 15:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
    原文引自:http://swf.com.tw/?p=525

    根据Nick Gammon这位澳洲老兄,在Power saving techniques for microprocessors(微处理器省电技术)文章,於Arduino UNO Rev 3控制板执行底下的程式码:

    [pre lang="arduino" line="1"]void setup () {}
    void loop () {}[/pre]

    所测量到的消耗电流量:

    • 採用9V电池,接电源插孔供电,约消耗55 mA。
    • 用5V电源供电,约消耗46.6 mA。


    若用最精简的準系统(barebone)形式,例如,在麵包板上直接用ATmega828处理器和石英震盪器等少数零件组装的Arduino,仅消耗15.15 mA电流。

    因為Arduino控制板上的USB序列埠转换晶片以及电压调节元件,都会消耗电力。

    毕竟Arduino控制板是「原型开发板」,其用意是提供一个方便、好用的微电脑控制实验工具。实验成功之后,如果要长久保留作品或者需要节省电力,最好自製一个精简的Arduino板,或购买类似Arduino Pro Mini这种没有其他周边零件的板子。

    Arduino的睡眠模式

    Arduino像电脑和手机一样,也具备睡眠∕休眠∕待机功能。在睡眠状态下,系统几乎完全停止运作,只保留基本的侦测功能,因此只消耗少许电力。以电脑為例,在睡眠状态下,可被键盘按键或者网路讯息唤醒。

    底下的程式一开始就让微控器进入睡眠状态,下文将採用名叫”Enerlib”的程式库,简化睡眠设定程式:

    [pre lang="arduino" line="1"]void setup ()
    {
      // 設定採用“Power-down”睡眠模式
      set_sleep_mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
      // 啟用睡眠模式
      sleep_enable();
      // 進入睡眠模式
      sleep_cpu ();  
    }

    void loop () { }[/pre]

    这段程式在UNO R3控制板上,约消耗32.9 mA电流;但是在精简的「準系统」Arduino板,仅仅消耗0.36mA (360μA)。

    ATMega328微控器具有六种睡眠模式,底下是依照「省电情况」排列的睡眠模式名称,以及Enerlib(註:Energy和Library,即:「能源」和「程式库」的缩写)程式库的五道函数指令对照表,排越后面越省电。「消耗电流」栏位指的是ATmega328处理器本身,而非整个控制板。

    睡眠模式Energy指令中文直译消耗电流
    IdleIdle()閒置15mA
    ADC Noise ReductionSleepADC()类比数位转换器降低杂讯6.5mA
    Power-savePowerSave()省电1.62mA
    StandbyStandby()待机1.62mA
    Extended Standby延长待机0.84mA
    Power-downPowerDown()断电0.36mA


    微控器内部除了中央处理器(CPU), 还有记忆体、类比数位转换器、序列通讯…等模组。越省电的模式,仍在运作中的模组就越少。

    例如,在”Power-Down”(电源关闭)睡眠模式之下,微控器仅剩下外部中断和看门狗计时器(Watchdog Timer, 参阅下文说明)仍持续运作。而在Idle睡眠模式底下,SPI, UART(也就是序列埠)、计时器、类比数位转换器等,仍持续运作,只有中央处理器和快闪记忆体(Flash)时脉讯号被停止。

    时脉讯号就像心跳一样,一旦停止时脉讯号,相关的元件也随之暂停。各种睡眠模式的详细说明,请参阅ATmega328微控器的资料手册,第39页,「Power Management and Sleep Modes(电源管理与睡眠模式)」单元。

    採用Enerlib程式庫設定睡眠模式

    Enerlib程式库可简化Arduino睡眠模式的程式设定,请先下载Enerlib程式库并解压缩到Arduino的libraries资料夹:


    本实验程式的行为如下:

    • 启动时,每隔0.5秒点、灭三次位于第13脚的LED。
    •     LED闪烁完毕后,进入“Power-down(断电)”睡眠模式。
    •     当中断0(第2脚)的讯号改变时,唤醒Arduino,再次闪烁LED三次,接著再进入睡眠模式。


    请先把Arduino的数位脚2接高电位(5V或3.3V插座):



    反覆闪烁LED的基本程式码如下:

    [pre lang="arduino" line="1"]void setup() {
      Serial.begin(9600);

      pinMode(ledPin, OUTPUT);
      
      Serial.println("Running...");
    }

    void loop() {
      digitalWrite(ledPin, !digitalRead(ledPin));
      delay(500);
    }[/pre]

    负责闪烁LED的关键叙述是这一行:



    设定唤醒Arduino的中断服务常式

    修改上一节的程式,建立Energy程式物件,并加入中断服务常式叙述(广告一下,中断服务常式的说明,请参阅《超图解Arduino互动设计入门》的D-3页):


    若Arduino处于睡眠状态,只要中断0脚位的讯号改变,它就会被唤醒。然而,同一个程式其他叙述,也有可能需要接收中断0的讯息。为此,Energy提供一个用于判断Arduino是否处于睡眠状态的WasSleep()函数,若是,它将传回true。

    底下是修改后的wakeISR中断处理常式,若Arduino之前处于睡眠状态,则state变数值将是1,若是在执行过程发生中断讯号,state值将是2:



    透过state值,主程式将能得知中断的触发时机。补充说明,WasSleep()函数只能写在中断处理常式裡面。

    让Arduino睡眠的主程式

    主程式迴圈如下,它将在闪烁LED三次后进入最省电的「断电」睡眠模式:



    完整的范例程式码如下:

    [pre lang="arduino" line="1"]#include <Enerlib.h>

    Energy energy;             // 宣告"Energy"程式物件

    const byte swPin = 2;      // 開關腳位
    const byte ledPin = 13;    // LED腳位
    byte times = 0;            // 記錄執行次數
    volatile byte state = 0;   // 暫存執行狀態

    void wakeISR() {
       if (energy.WasSleeping()) {
        state = 1;
      } else {
        state = 2;
      }
    }

    void setup() {
      Serial.begin(9600);

      pinMode(ledPin, OUTPUT);
      pinMode(swPin, INPUT);
      digitalWrite(swPin, HIGH);

      attachInterrupt(0, wakeISR, CHANGE);  // 附加中斷服務常式
      
      Serial.println("Running...");
    }

    void loop()
    {
      if (state == 1) {
        Serial.println("Was sleeping...");
      } else if (state == 2) {
        Serial.println("Was awake...");
      }
      state = 0;
      
      digitalWrite(ledPin, !digitalRead(ledPin));
      delay(500);
      times ++;
      Serial.println(times);

      if (times > 5) {
        times = 0;
        Serial.println("Go to sleep...");
        energy.PowerDown();
      }
    }[/pre]

    编译并上传程式到Arduino板之后,开启「序列埠监控视窗」,它将显示:



    接著,把连接中断0的导线接到低电位(GND):



    Arduino将被唤醒,并再次闪烁LED;笔者在LED闪烁的过程中,反覆将中断0接高、低电位,「序列埠监控视窗」因而呈现如下的内容:


    看门狗计时器简介

    看门狗计时器(Watchdog Timer, 简称WDT)是微控器内部的「当机」监控器,若微控器当掉了,它会自动重新启动微控器。其运作原理是,看门狗内部有个计时器,微处理器必须每隔一段时间,向看门狗发出一个讯号,重设计时器值。

    [size=0.83em]watchdog_timer.png (11.34 KB, 下载次数: 168)
    下载附件  [url=]保存到相册[/url]
    [color=rgb(153, 153, 153) !important]2014-2-25 13:59 上传





    若看门狗迟迟没有收到微处理器的讯号,计时器仍将继续倒数,直到计时值变成零,它就会认定微处理器已经当掉了,进而重新启动微处理器。

    主程式可设定看门狗的计时器值,最短16ms,最长8s。Donal Morrissey写了一篇看门狗程式的介绍,以及沉睡8秒之后,切换LED状态的范例:Sleeping Arduino – Part 5 Wake Up Via The Watchdog Timer
  • TA的每日心情
    擦汗
    2017-8-16 16:44
  • 签到天数: 229 天

    [LV.7]常住居民III

    发表于 2016-12-13 15:49 | 显示全部楼层
    谢谢分享,,很好的资料                              
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