STM32 低功耗设计入门：搞懂 Sleep / Stop / Standby 和功耗思维

最新推荐文章于 2025-11-20 22:27:18 发布

原创最新推荐文章于 2025-11-20 22:27:18 发布 · 918 阅读

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以前做电赛、嵌入式比赛的时候，我几乎从来没关心过“功耗”两个字：板子插着 USB，一直亮着灯、串口疯狂打印，很爽。
但只要你想做一个电池供电、能长期跑在现场的设备，低功耗就是避不开的坑。
这篇文章就从零开始，带你把 STM32 的低功耗模式和整体思路捋清楚。

一、为什么要在意低功耗？比赛项目和真正设备的区别

在学校做项目 / 比赛的时候，我们的默认状态大概是这样：

板子插着 USB，5V / 3.3V 源源不断
OLED 常亮、LED 常闪、串口不停打 log
while(1) 死循环跑满 CPU

这些都没问题，只要评委看到作品正常跑就行了。

但是，一旦你想做的东西是：

电池供电的无线传感节点
放甲醛/烟雾传感器在房间里长期监测
某种遥控器、开关、手持设备，只是偶尔按一下
甚至你想做一个“真正能卖”的产品

你就会面临一个非常现实的问题：

电池撑不了多久，设备要么频繁换电池，要么几天就趴窝。

解决方案只有一个：
让 MCU 和整个系统在“绝大部分时间里都在睡觉”，只在必要的时候醒来干活。

所以接下来，我们先搞清楚：
MCU 的电是哪里花掉的？

二、STM32 的功耗都花在哪几个地方？

想做低功耗，千万不要一上来就写：

HAL_PWR_EnterSTOPMode(...);

你得先有一个功耗来源的全局观，大致可以分成四类：

1. CPU + 时钟频率

CPU 每执行一条指令，内部寄存器、总线、触发器都在翻转
主频越高，翻转越快，动态功耗越大
有的系列还支持调节内核电压，电压越高也越耗电

所以一个典型的低功耗思路：

在能跑满需求的前提下，尽量降低频率，不需要 168MHz 就别一直顶着跑。

2. 外设模块（ADC / TIM / USART / SPI / I2C …）

很多人以为“我没在用某个外设，就不会耗电”，但实际情况是：

只要你在 RCC 里给它打开了时钟，它就会有静态/动态功耗
哪怕你没用 ADC 采样，只要 ADC 时钟开着，它也在吃电

典型浪费场景：

CubeMX 初始化了一堆外设，你实际没用，但时钟全开着
一个定时器被配置了 PWM，但你只是为了测试点亮个 LED，后来忘记关

3. GPIO 引脚状态

GPIO 也会耗电，尤其是这些情况：

悬空输入：引脚浮着，外部干扰让电平随机跳，高频抖动→ 反复翻转 → 动态功耗
错误上下拉：外部电路 + 内部上下拉组合成电流回路
强驱动对抗：你内部推挽输出高，外部又硬拉低，压根是短路……

低功耗设计里一个常见操作就是：

所有不用的引脚统一配置为 模拟输入（Analog），这样内部数字输入电路关闭，泄漏极小。

4. 片上模拟模块 / LDO / 其它电源相关

有些 STM32 系列内部有 LDO、内部电压参考、比较器等模拟模块
这些模块如果不关，也会有基础电流消耗

简单总结一句：

低功耗绝对不是只“睡 CPU”那么简单，而是一个系统级的事。

接下来就轮到本文主角：
STM32 里那几个官方提供的“睡眠模式”。

三、STM32 的三大低功耗模式：Sleep / Stop / Standby

不同系列的细节会有差异（F1、F4、L 系列略有不同），但整体概念是通用的。
在多数 STM32 里，低功耗模式大致有这几种：

Sleep 模式
Stop 模式
Standby 模式

下面用“人话 + 表格”帮你捋清楚。

3.1 Sleep 模式：让 CPU 打个盹

特点：

CPU 内核停止执行指令
大部分外设继续运行（如果它们的时钟没关）
系统时钟树基本不变
任意能产生中断的外设都可以把它唤醒（EXTI、TIM、USART…）

可以理解为：

“我先暂停一下主循环，外设你们先自己玩，有事就中断叫醒我。”

使用场景：

CPU 计算任务不重，大部分时间在等外设
比如等串口数据、等采样结果、等按键

优点：

唤醒非常快
使用简单，不需要重新配置系统时钟

缺点：

节电效果有限：外设都在跑，主时钟也没关，功耗下降不算太多

3.2 Stop 模式：让大部分人睡，只留几个门卫

特点（以常见系列为例）：

关闭主时钟 (HCLK) 和多数 PLL / HSE 时钟
SRAM 和寄存器内容保持
一般只保留低速时钟（LSI/LSE），给 RTC 等模块使用
唤醒源有限：RTC 闹钟、外部中断引脚、某些低功耗外设中断等
唤醒后通常需要重新配置系统时钟（重新启用 HSE/PLL）

可以理解为：

“整个宿舍熄灯睡觉，只留阿姨 + 楼道灯 + 闹钟。
闹钟响了 / 别人拍门了，大家再起床干活。”

使用场景：

电池供电的周期采集设备：
- 大部分时间什么都不做
- 每隔 N 秒醒一次：采集、处理、发数据 → 再睡
无线传感节点、简易 IoT 设备

优点：

功耗相比 Sleep 大幅降低
能保持 SRAM & 寄存器：醒来继续执行后面的代码，不用重启程序

缺点：

唤醒流程比 Sleep 复杂一点，尤其是需要恢复时钟
可用的外设非常有限，唤醒条件要提前设计好

3.3 Standby 模式：彻底睡死，等人把你拍醒

特点：

几乎所有内部模块关闭
SRAM 数据丢失，只有电池供电域 / Backup 寄存器 / RTC 可选保留
唤醒方式类似“重新上电”：WKUP 引脚 / RTC 闹钟 / 复位等
唤醒后程序从 Reset 开始执行（main 从头来）

可以理解为：

“关机睡觉，第二天闹钟响了再开机。”

使用场景：

遥控器 / 开关 / 门铃这类：
- 平时基本不干活
- 只有按键 / 触发时才醒一会
需要 极长待机时间 的设备，追求 μA 级甚至更低的电流

优点：

功耗最低，可以做到 μA 级甚至更低（具体看芯片系列）
非常适合“长期待机，偶尔工作”的场景

缺点：

醒来相当于重新上电，程序要从头跑
需要你在程序里自行通过 Backup 寄存器 / Flash 保存必要状态

3.4 模式对比表（可直接放到优快云）

你可以放一个表格总结一下：

模式	CPU 状态	SRAM/寄存器	唤醒后从哪执行	唤醒方式	功耗等级	典型应用场景
Run	运行	保留	—	—	最高	正常逻辑处理
Sleep	停止	保留	接着往下执行	任意可产生中断的外设	中	CPU 空闲，但外设要跑
Stop	停止	保留	接着往下执行	RTC/EXTI/低功耗外设中断	低	周期采集的电池节点
Standby	停止	丢失	相当于重新上电	WKUP 引脚 / RTC / 重置	最低	遥控器、超长待机、极低功耗设备

四、低功耗设计的思路：不是加一行函数那么简单

很多教程会直接告诉你：

HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);

然后就没了，导致你以为“我只要调这个函数就能低功耗”，结果电流还是很大。

真正的低功耗思路，可以概括为这几步：

先回答三个问题：
- 我的设备什么时候必须醒着？（采集、数据处理、通信）
- 我的设备什么时候可以睡？（没事干、等下一周期）
- 睡到什么程度？
  - 只是暂停 CPU（Sleep）
  - 还是几乎全关（Stop/Standby）
把系统按“状态”划分：
- 工作状态：CPU 跑逻辑 + 必要外设开启
- 休眠状态：尽可能只保留 RTC / 唤醒按键等必要模块
在每个状态里做对应的优化：
- 工作状态：
  - 降低不必要的主频
  - 只开必要外设，其他外设时钟全部关掉
- 休眠状态：
  - GPIO 一律设置合理模式（大多设为模拟输入）
  - 关闭不需要的时钟域
  - 进入相应的低功耗模式（Sleep/Stop/Standby）
明确唤醒路径：谁来叫醒我？
- 周期性任务 → 用 RTC 唤醒
- 某些事件触发 → 用外部中断（按键）唤醒
- 多种唤醒源同时存在时，要设计好优先级与处理逻辑

五、一个通用的低功耗主循环框架（可直接复用）

下面给出一个基于 Stop 模式 + RTC 唤醒 的一类通用骨架代码，你后面做任何低功耗项目都可以从这套模板改起。

注意：具体函数名（比如 SystemClock_Config、MX_RTC_Init）需要根据你自己的 CubeMX 工程调整。

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();   // 初始化系统时钟（HSE + PLL 等）

    MX_GPIO_Init();
    MX_RTC_Init();
    // 这里初始化你需要的外设，比如 ADC / USART / I2C 等
    // MX_USART2_UART_Init();
    // MX_ADC1_Init();
    // ...

    while (1)
    {
        /* 1. 执行本周期任务：采集 + 处理 + 上报 */
        Do_Measurement();      // 采集传感器
        Do_Processing();       // 算法处理
        Do_Communication();    // 串口 / 无线发送数据

        /* 2. 进入低功耗前的准备 */
        Prepare_Gpio_For_LowPower();  // 配置不用的 GPIO 为模拟输入等
        Disable_Unused_Peripherals(); // 关掉本周期不再使用的外设

        /* 可选：挂起 SysTick 避免它打断休眠 */
        HAL_SuspendTick();

        /* 3. 进入 Stop 模式，等待中断/RTC 唤醒 */
        HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);

        /* 4. 唤醒后恢复系统时钟 */
        SystemClock_Config();  // 再次打开 HSE/PLL，恢复到正常频率
        HAL_ResumeTick();      // 恢复 SysTick

        /* 5. 回到 while(1)，进入下一轮循环 */
    }
}

六、低功耗调试的一些小建议

很多同学第一次玩低功耗时，常见几个痛点：

没有电流表 / 万用表，根本不知道自己省电没
- 建议：哪怕买个几十块钱的万用表，也能看出“几十 mA”和“几 mA / 几百 μA”的区别。
- 条件允许的话，最好串一个小电阻，用示波器看电流波形变化（进睡眠、醒来时的动态）。
进入低功耗后程序不再跑了，看不到 log，以为死机
- 很正常：你都关时钟 / 关串口了，当然没有 log
- 调试低功耗建议先：
  - 打大量 log 验证逻辑
  - 确认进入/退出低功耗的时序
  - 确认唤醒中断是否正常触发
以为进了低功耗电流一定会大幅下降，结果变化不大
- 往往是：GPIO / 外设 / 时钟没配置好