【嵌入式开发学习】第11天：低功耗优化与 OTA 升级（从原型到产品的关键技能）

核心目标：掌握 STM32 低功耗模式配置（解决电池供电设备续航问题），实现 OTA（Over-The-Air）远程固件升级（解决设备现场更新难题）—— 这两项是嵌入式产品从 “实验室原型” 走向 “商用化” 的核心技能，直接影响产品实用性和维护成本。

一、STM32 低功耗模式：让设备 “省着用电”（40 分钟）

1. 为什么低功耗是刚需？

• 嵌入式设备（如无线传感器、智能手环、遥控器）常依赖电池供电，功耗直接决定续航（比如 100mAh 电池，1mA 功耗能用 100 小时，0.1mA 就能用 1000 小时）；
• STM32 默认运行在 “全速模式”（功耗约 50-100mA），远高于电池供电需求，必须通过低功耗模式降低功耗。

2. STM32 三大低功耗模式（重点掌握前两种）

模式	核心特点（以 STM32F103 为例）	典型功耗	唤醒源	适用场景
睡眠模式	CPU 停止，外设（定时器、串口）正常运行，SRAM 数据保留	1-5mA	任何外设中断（如定时器、串口）	需要外设定时工作（如 1 分钟采集一次数据）
停止模式	CPU 和外设时钟关闭，SRAM 和寄存器数据保留，功耗极低	10-50μA	外部中断（按键、传感器）、RTC	长时间休眠，需快速唤醒（如按键唤醒）
待机模式	几乎所有电路关闭，仅保留唤醒电路，SRAM 数据丢失	<1μA	WKUP 引脚、RTC 闹钟	深度休眠（如年功耗设备）

3. 停止模式（Stop Mode）配置实战（最常用）

目标：设备在无操作时进入停止模式（功耗≈30μA），通过按键（PA0）唤醒，唤醒后执行 1 秒任务再重新休眠。

步骤 1：CubeIDE 配置低功耗相关外设

1. 配置唤醒源：PA0 设为 “GPIO_EXTI0”（外部中断 0），触发方式 “Falling Edge”（下降沿，按键按下时接地触发）；
2. 配置 RTC（可选，用于定时唤醒）：启用 RTC 时钟，配置闹钟中断（如每 10 秒唤醒一次）；
3. 关闭 unused 外设：禁用未使用的 GPIO、定时器、串口（避免额外功耗）。

步骤 2：编写低功耗进入与唤醒代码

在main.c中添加低功耗控制函数：

c

/* USER CODE BEGIN 0 */
#include "stm32f1xx_hal_pwr.h"

// 进入停止模式
void EnterStopMode(void) {
  // 1. 关闭所有未使用的外设时钟（关键！）
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE();  // 仅保留唤醒引脚所在GPIO时钟
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_DISABLE();
  // ...（根据实际使用情况关闭其他外设时钟）

  // 2. 配置PWR（电源管理）模块
  HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);  
  // 说明：WFI=Wait For Interrupt，CPU等待中断唤醒；LOWPOWERREGULATOR=低功耗稳压器

  // 3. 唤醒后需要重新配置系统时钟（停止模式会关闭高速时钟）
  SystemClock_Config();  // 复用工程自动生成的时钟配置函数
}

// 外部中断回调（按键唤醒处理）
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
  if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {  // PA0按键唤醒
    // 唤醒后执行的短任务（如点亮LED 1秒）
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(1000);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
  }
}
/* USER CODE END 0 */

步骤 3：主循环逻辑（休眠 - 唤醒循环）

c

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();  // 仅初始化必要的GPIO（唤醒引脚、LED）

  while (1) {
    // 执行完必要任务后，进入停止模式
    EnterStopMode();
    // 唤醒后会从SystemClock_Config()后的代码继续执行，再次进入循环
  }
}

测试效果

• 用万用表测量电流：全速运行时约 50mA，进入停止模式后降至 30μA 左右（降低约 1600 倍）；
• 按下 PA0 按键，LED 点亮 1 秒后熄灭，设备重新进入休眠。

二、OTA 升级：远程更新固件（50 分钟）

1. OTA 核心原理

OTA（空中下载技术）允许设备通过串口、WiFi、蓝牙等通信方式接收新固件，无需物理连接（如拆壳插线）即可更新程序。核心流程：

1. 分区 Flash：将 STM32 的 Flash 划分为 3 个区域：
   • Bootloader 区（启动程序，约 8KB）：负责检查是否有新固件，引导执行新固件；
   • App 区（应用程序，约 64KB）：存放当前运行的固件；
   • Flag 区（标志位，约 1KB）：记录是否有新固件待更新（如 “0xAA55” 表示需要更新）。
2. 传输新固件：设备通过串口 / WiFi 接收新固件数据，写入 App 区；
3. 启动更新：设置 Flag 区标志，重启设备；
4. Bootloader 引导：设备重启后先运行 Bootloader，检测到标志位后，将 App 区的新固件复制到运行区，完成更新。

2. Bootloader 程序设计（关键）

Bootloader 是 OTA 的 “引导者”，必须先烧录到 STM32 的起始地址（0x08000000）。

步骤 1：CubeIDE 配置 Bootloader 工程

1. 设置 Flash 起始地址：0x08000000，大小：0x2000（8KB，足够简单 Bootloader）；
2. 配置串口（USART1，用于接收固件数据）和 GPIO（LED 指示状态）。

步骤 2：Bootloader 核心代码

c

/* Bootloader主逻辑 */
int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_GPIO_Init();

  // 1. 检查Flag区是否有更新标志（假设Flag区地址：0x0800F000）
  uint32_t *flag_addr = (uint32_t*)0x0800F000;
  if (*flag_addr == 0xAA55) {  // 需要更新
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);  // LED亮表示更新中

    // 2. 跳转到App区执行新固件（App区起始地址：0x08002000）
    void (*AppFunction)(void) = (void (*)(void))(*((uint32_t*)(0x08002000 + 4)));
    // 配置栈指针（新固件的栈顶地址存放在0x08002000）
    __set_MSP(*(uint32_t*)0x08002000);
    AppFunction();  // 跳转执行新固件
  } else {
    // 无更新，直接跳转到当前App
    void (*AppFunction)(void) = (void (*)(void))(*((uint32_t*)(0x08002000 + 4)));
    __set_MSP(*(uint32_t*)0x08002000);
    AppFunction();
  }

  while (1) {}
}

3. App 程序设计（接收新固件）

App 程序负责接收新固件数据并写入 Flash，设置更新标志。

步骤 1：CubeIDE 配置 App 工程

1. 设置 Flash 起始地址：0x08002000（避开 Bootloader 区），大小：0xFA00（约 63KB）；
2. 配置串口（与 Bootloader 同串口），用于接收电脑发送的新固件。

步骤 2：App 核心代码（接收固件并更新）

c

/* USER CODE BEGIN 0 */
#include "stm32f1xx_hal_flash.h"

// Flash擦除函数（擦除App区）
void Flash_EraseAppArea(void) {
  FLASH_EraseInitTypeDef erase_init;
  uint32_t page_error = 0;
  erase_init.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;
  erase_init.PageAddress = 0x08002000;  // App区起始页
  erase_init.NbPages = 31;  // 擦除31页（63KB）
  HAL_FLASH_Unlock();  // 解锁Flash
  HAL_FLASHEx_Erase(&erase_init, &page_error);
  HAL_FLASH_Lock();    // 锁定Flash
}

// Flash写入函数（写入固件数据）
void Flash_WriteData(uint32_t addr, uint8_t *data, uint32_t len) {
  HAL_FLASH_Unlock();
  for (uint32_t i = 0; i < len; i += 4) {  // Flash按4字节写入
    HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, addr + i, *(uint32_t*)(data + i));
  }
  HAL_FLASH_Lock();
}
/* USER CODE END 0 */

// 主循环接收固件
int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_GPIO_Init();

  uint8_t firmware_buf[1024];  // 固件接收缓冲区
  uint32_t firmware_len = 0;
  uint32_t app_addr = 0x08002000;  // App区起始地址

  // 1. 擦除旧App区
  Flash_EraseAppArea();

  // 2. 接收新固件（假设电脑先发送固件长度，再发送数据）
  HAL_UART_Receive(&huart1, (uint8_t*)&firmware_len, 4, 10000);  // 接收长度
  for (uint32_t i = 0; i < firmware_len; i += 1024) {
    uint16_t recv_len = (firmware_len - i) > 1024 ? 1024 : (firmware_len - i);
    HAL_UART_Receive(&huart1, firmware_buf, recv_len, 10000);  // 接收数据
    Flash_WriteData(app_addr + i, firmware_buf, recv_len);  // 写入Flash
  }

  // 3. 设置更新标志，重启设备
  uint32_t *flag_addr = (uint32_t*)0x0800F000;
  HAL_FLASH_Unlock();
  HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, (uint32_t)flag_addr, 0xAA55);  // 写标志
  HAL_FLASH_Lock();

  HAL_NVIC_SystemReset();  // 重启，触发Bootloader更新
}

4. OTA 测试流程

1. 烧录 Bootloader 程序到 0x08000000；
2. 烧录旧 App 程序到 0x08002000；
3. 电脑通过串口助手发送新 App 固件（先发送长度，再发送.bin 文件数据）；
4. 设备接收完成后重启，Bootloader 检测到标志位，引导新固件运行 ——OTA 升级完成。

三、第十一天必掌握的 2 个核心技能

1. 低功耗优化：能配置停止模式，通过外部中断 / RTC 唤醒，理解 “关闭 unused 外设时钟” 是降低功耗的关键；
2. OTA 原理：掌握 Flash 分区（Bootloader+App+Flag）、Bootloader 跳转逻辑、App 接收固件并写入 Flash 的流程。

总结

今天的技能直接面向 “产品化”：低功耗解决续航痛点（让电池设备用得更久），OTA 解决维护难题（无需现场拆机更新）。这两项技能在物联网设备、可穿戴设备、工业传感器中应用广泛。