一、功耗模式

nRF52 上只有兩種電源模式：SYSTEM_ON 和 SYSTEM_OFF

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，預設情況下將處於低功耗子模式，通常最低功耗為 1.9uA (nRF52832) 或 1.5uA(nRF52840)，包括 LFCLK 和 RTC。這是連線事件之間的正常狀態。CPU 在計時器、外圍裝置或pin中斷時重新啟動。

1.1.1 進入SYSTEM_ON模式

當 CPU 和外圍裝置處於空閒狀態時，晶片進入預設的低功耗子模式。

在主函數最後面都會出現一個 for 迴圈，這個迴圈不停的重複執行其中的 idle_state_handle() 函數。

int main(void)
{
    ···
    ···
    for(;;)
    {
        idle_state_handle();
    }
}

開啟 idle_state_handle() 函數，該函數是處理空閒狀態的函數。通過 if 語句，判斷偵錯緩衝區沒有更多紀錄檔的時候，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。

static void idle_state_handle(void)
{
    if(NRF_LOG_PROCESS() == false)  // 如果偵錯緩衝區沒有更多紀錄檔
    {
        nrf_pwr_mgmt_run();
    }
}

開啟 nrf_pwr_mgmt_run() 函數，BLE 狀態下，如果 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，是協定棧提供的一個等待事件函數。

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();  // 使用者監視段進入，監聽進入低功耗的時間
    PWR_MGMT_DEBUG_PIN_SET();  // 置位模擬引腳

    // Wait for an event.
#ifdef SOFTDEVICE_PRESENT  // 帶協定棧狀態下
    if (nrf_sdh_is_enabled())  // 如果協定棧被使能
    {
        ret_code_t ret_code = sd_app_evt_wait();  //呼叫協定棧等待函數
        ASSERT((ret_code == NRF_SUCCESS) || (ret_code == NRF_ERROR_SOFTDEVICE_NOT_ENABLED));
        UNUSED_VARIABLE(ret_code);
    }
    else
#endif // SOFTDEVICE_PRESENT  // 否則，不帶協定棧狀態
    {
        // Wait for an event.
        __WFE();
        // Clear the internal event register.
        __SEV();
        __WFE();
    }

    PWR_MGMT_DEBUG_PIN_CLEAR();  // 清除模擬引腳
    PWR_MGMT_CPU_USAGE_MONITOR_SECTION_EXIT();  // 使用者監視段退出
    PWR_MGMT_SLEEP_LOCK_RELEASE();  // 鎖定臨界區釋放
}

1.1.2 退出SYSTEM_ON模式

通過藍芽的事件觸發晶片脫離低功耗模式，進入執行狀態。

1.2 SYSTEM_OFF睡眠模式

SYSTEM_OFF：是深省電模式，工作電流為 300nA (nRF52832) 或 400nA (nRF52840)，在該模式下，系統的核心和所有在執行的任務都會停止，也就是說時鐘也停止，相當於關機狀態。可以直接控制 POWER 相關暫存器使系統進入 System OFF 模式(NRF_POWER->SYSTEMOFF = 1; )，也可以通過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所有事件)，可以參考 SDK 中的 nrf_pwr_mgt 例子，系統進入 System OFF 模式會保留 GPIO 之前的狀態，包括 GPIO 的輸入/輸出、I2C 匯流排、SPI 匯流排等，所以在進入 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，如果有 I2C 或 SPI 等匯流排外設也需要釋放掉；可以通過復位、GPIO 中斷或 NFC 訊號(增加100nA)進行喚醒。從 System OFF 模式中喚醒程式會發生復位，參考 832 product spec 檔案

1.2.1 進入SYSTEM_OFF模式

在進入 System Off 模式之前，使用者必須確保所有正在進行的 EasyDMA 通訊已完成。進入深度睡眠之前一定要將使用 EasyDMA 的外設停掉。

BLE 程式程式碼裡通過兩種方式進入，一個是廣播超時後會進入無效廣播，再進入睡眠；另外就是通過按鍵按下呼叫睡眠模式進入函數進行進入。

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;
        ···
        ···
    }
}

開啟 sleep_mode_enter() 函數，觀察到函數內部主要實現設定休眠指示燈、設定喚醒按鍵，進入 System Off 睡眠模式三個功能。進入 System Off 模式的關鍵在於呼叫協定棧 API 函數 sd_power_system_off()，這個函數可以在協定棧下起到暫存器操作 NRF_POWER->SYSTEMOFF=1 一樣的效果。呼叫了這個函數後，系統將進入到睡眠模式。

static void sleep_mode_enter(void)
{
    // 設定指示燈
    uint32_t err_code = bsp_indication_set(BSP_INDICATE_IDLE);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    // 設定喚醒按鍵
    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，喚醒將導致系統重置）
    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，可以通過以下訊號之一喚醒裝置：

DETECT 訊號，可由 GPIO 外設產生。
ANADETECT 訊號，可由 LPCOMP 外設模組產生。
SENSE 訊號，可由 NFC 模組產生 "wake-on-field"方式產生。
復位重新啟動

在 BLE 程式中，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() 中進行設定。

uint32_t bsp_btn_ble_sleep_mode_prepare(void)
{
    uint32_t err_code;
    // 設定喚醒按鍵
    err_code = bsp_wakeup_button_enable(BTN_ID_WAKEUP);
    RETURN_ON_ERROR_NOT_NOT_SUPPORTED(err_code);
    // 設定喚醒和剔除繫結資訊按鍵
    err_code = bsp_wakeup_button_enable(BTN_ID_WAKEUP_BOND_DELETE);
    RETURN_ON_ERROR_NOT_NOT_SUPPORTED(err_code);

    return NRF_SUCCESS;
}

二、硬體上降低功耗

不同的內部穩壓器選擇，會造成不同的電路消耗。可以通過選擇不同的硬體電路設定，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 是系統預設的穩壓器，而 DC/DC 穩壓器可用作 LDO 穩壓器的替代產品。與使用 LDO 穩壓器相比，使用 DC/DC 穩壓器具有更低的電流消耗，但 DC/DC 穩壓器需要連線外部 LC 濾波器：

其中關於 DC/DC 穩壓器所連線的外部 LC 濾波器電路上的電感和電容引數，請參看晶片手冊 53 節 Reference circuitry 所提供的參考電路。

由於預設選擇的是內部 LDO 穩壓器，因此如果需要切換到使用內部 DC/DC 穩壓器，還需要在軟體上進行設定。

首先需要在主函數 main.c 中，初始化 softDevice 協定棧前，執行 NRF_POWER->DCDCEN=1。或者在初始化softDevice 協定棧後，執行 sd_power_dcdc_mode_set(1)。
sdk_config.h 組態檔中勾選 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。

在選取電源電壓為 3.0 V ，廣播間隔為 500ms，發射功率為 0dbm 的情況下，選擇 DC/DC 穩壓方式的總平均功耗電流為 20uA，而選擇 LDO 穩壓方式的總平均電流在 32uA 左右。因此，選擇 DC/DC 穩壓方式可以大幅度的降低功耗。

三、軟體上降低功耗

3.1 廣播狀態下功耗優化

3.1.1 發射功率

設定發射功率具有 9 個發射等級。系統預設的發射功率是 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

藍芽的廣播包普通包長度在 31 位元組，掃描響應包也有 31 位元組。如果藍芽 5.0 下的第二廣播包長度更長，越長的廣播負載，會造成越大的電流消耗。

3.2 連線狀態下功耗優化

3.2.1 連線間隔和從機潛伏週期

連線間隔是保證主從機維持連線，相互發空包的時間間隔。連線間隔可以在 GAP 初始化中進行設定。當設定的連線間隔越長，裝置的功耗越低。因此，可以在維持連線狀態下，保證資料正常通訊的基礎下，設定儘可能長的連線間隔。

從機潛伏週期和連線間隔是同時進行設定的，從機潛伏週期允許藍芽裝置一定次數的週期不對藍芽主機資料進行回覆。在這個週期次數範圍內，藍芽主機即使沒有收到藍芽從機裝置的回覆確認資訊包，也會認為裝置正常。這種方式也可以降低藍芽裝置的功耗。

3.2.2 發射和接收的資料量

藍芽資料傳送和接收的資料量大小，直觀的影響到了功耗。資料吞吐量越大，功耗越高。

3.3 系統及外設功耗優化

3.3.1 協定棧時鐘選擇

協定棧時鐘可以選擇外部低速時鐘和內部低速時鐘。選取外部低速時鐘具有更低的功耗，使能外部 32kHz 晶振，通常可以節省 1-2% 的電能。預設使用外部低速晶振。在 main.c 檔案，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 設定脈衝時鐘源 NRF_SDH_CLOCK_LF_SRC，預設值為 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 關閉紀錄檔列印

main.c 檔案，main() 函數中註釋掉 log_init()。
在 sdk_config.h 檔案中關閉 UART 紀錄檔記錄，選擇支援 RTT。除非jlink偵錯程式已連線，否則 RTT 不會使用電流。

3.3.3 UART/UARTE

首先 UART 模組本身只需要 55uA 的工作電流，同時會自動開啟高頻時鐘電路，也需要消耗 250uA 左右電流。如果使能了 UARTE 的 EasyDMA，那麼 DMA 還需要消耗額外的 2mA 電流。這樣 UARTE 工作消耗的電流會很高。因此在 UART 沒有資料傳輸的時候建議將 UART 關掉，以節省功耗。

注：為了達到低功耗和實時性雙重目的，在設計 UART 通訊的時候，我們經常會額外再加 2 個 GPIO 口用來通知對方 UART 要傳送資料了。
關閉 UART 的 API 為：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。需要使用的時候進行 init 初始化開啟。

SPI 開啟和關閉：nrf_drv_spi_init 和 nrf_drv_spi_uninit
TWI 開啟和關閉：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，需要使用的時候進行 init 初始化開啟。

ADC 開啟和關閉：nrfx_saadc_init 和 nrfx_saadc_uninit
如果你發現 uninit ADC 後，功耗還是很高，建議開啟這個宏 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 事件模式下具有兩鐘模式：高精度模式（hi_accuracy 為 true）和低精度模式（hi_accuracy 為 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。如果只是檢測 IO 口電平，建議使用低精度模式，也就是所有的輸入訊號都使用一箇中斷申請，庫函數呼叫設定：
GPIOTE_CONFIG_IN_SENSE_HITOLO(false);

3.3.7 Timer

Timer0/1/2/3/4。Timer 的工作電流大概為 5~50uA 左右（nRF51功耗會更高），對低功耗應用來說，已經非常大了。如果你的定時精度要求不高，而且是毫秒的倍數，那麼強烈建議你使用 RTC 來實現定時功能。協定棧下為 app_timer 軟體定時器，app_timer 的功耗只有 0.2uA 左右。

3.3.8 FPU

由於 nRF52x 系列處理器不同於 nRF51 系列，其核心為 ARM Cortex M4 處理器。ARM Cortex M4 處理器帶 FPU 浮點運算單元。每當程式要執行浮點運算的時候，核心就會自動把 FPU 開啟i。FPU 將消耗 7mA 以上的電流，此種情況下，進入 idle 模式之前必須手動關閉 FPU，手動關閉 FPU 程式碼如下所示：

/* 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

四、電量消耗預估

https://devzone.nordicsemi.com/power/

• 由 Leung 寫於 2020 年 10 月 14 日

• 參考：青風電子社群
　　　　板子功耗高的原因有哪些
　　　　 nRF52 Power優化降低70%以上耗電量

NRF52832學習筆記（33）——低功耗實現