十年硬件老司机，结合实际案例，带你探索单片机低功耗设计！
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2020-11-20 05:08
经过了多年的低功耗硬件设计（公司硬件设计和软件设计是分开的，我一直是做硬件，在面对低功耗生产事故中做硬件的往往很苦逼），其中容易出的一个问题是单片机进睡眠模式前IO没配好，产品上主要出的问题是这些出问题的IO比较隐蔽，当时经过多次测试也没测试出来，后来在生产或现场才发现的概率性功耗偏大的问题。
这个心得总结起来是：要求在进睡眠模式前把所用的单片机的所有的IO从代码上1个IO接1个IO的配置一遍。不要偷懒，不要多个IO一起配置。
分析：
实际出现的最麻烦，最隐蔽的情况往往跟IO的配置有关，越简单的往往越容易出问题。
1、比如大多数情况下程序从A子程序进入睡眠后IO配置没问题，经过大量测试也没发现问题。但是当某次执行了B后再进睡眠，B中对IO进行了操作，再进睡眠没有把IO改回来，这时问题就可能出现了。而要是执行C,D……等程序再睡眠都不会出IO的隐患。
案例：产品在客户那里发现有50%左右放了一段时间后电池耗光。研发百思不得其姐，多次查看代码没发现问题，之前也没出现死机的问题（死机后会导致不能进低功耗，功耗超高）。派人去现场测试，进过大量测试后发现一个IO部分产品输出高。导致电流多了1mA左右。原因是客户上电做了秒脉冲输出，下电后产品就用电池供电了。客户下电前没有配置关闭秒脉冲输出，程序下电后也没有把IO配置回来，导致有50%的概率IO输出高电平。
2、一个产品已经生产了几万台，一直没发现问题。后来换了一家PCB厂家后，生产发现功耗个别产品偏高个10uA左右，研发拿回来分析，发现换了芯片就好了。但是生产出现百分之几的功耗不好的情况，芯片不可能出现这么大概率的损坏。430芯片，走正规供应商的。再一个IO一个IO的查找，通过手摸IO最终发现一个连光耦输入端的IO配置的是输入模式。换了芯片好了是因为焊接过，板子变脏，电阻变小，IO有一个比较固定的偏向与GND的电压，因而没问题。之前没问题可能是板子的阻值比现在的这家小了点，或当时生产的时候湿度大点，或光耦的反向漏电流大些，也是各种可能了。软件发现这个IO本来是配置没问题的，中间不知道哪里配置过或配置别的IO时不小心连这个IO也配置了。总之当时没搜到这个IO的配置哪里改动了，只是在进低功耗前重新配置了下这个IO。
3、产品上使用的一个外购低功耗RF模块的IO问题。使用CC1101和430F2132。都算低功耗的芯片吧。前后找了2家开发模块，第一家2132一个IO没配置好，生产阶段发现部分产品功耗偏高。后来是因为领导的原因换了家做无线的厂家来做这个，还是CC1101+2132方案。照理来说之前犯过错误应该吸取经验教训了吧。并且软件人员也是老手了。结果生产是没问题，发货到客户那里还是发现了个别产品出问题，最后还是发现一个IO没配置好状态。
4、以上心得很简单，但是是付出多次时间+金钱得出的惨痛心得。而且这些都是软件的问题，但是功耗问题往往第一个找个是硬件：你设计的产品功耗偏高，电池没电，你查查看，哪里出问题了。做硬件的又开不到代码，软件人员往往开始还不承认IO配置上有问题，尤其是之前找外面厂家开发的模块，他们的意思是，我做软件xx年了。开发了这么多产品，这么简单的一个产品怎么会出问题，是你们自己的产品没做好才出的问题。苦逼的硬件工程师没办法，只能自己想各种办法找到出问题的那个IO。软件人员经过改代码对比测试才完成，但是软件最后还是不会说自己的代码有问题。
5、关于IO的问题。430单片机IO设置是最弱的，大部分没有上下拉电阻，默认是输入状态，没配置IO就容易出功耗问题，ST的相对好的多，51的IO默认的51状态有上拉电阻，没用到的脚不去配置也不会出问题。空的IO我之前喜欢配置成输出0状态，最近在用STM8S看了下代码发现喜欢配置成上拉输入状态，STM8S没下拉电阻，STM32有，配置成下拉输入状态更好些，不小心碰到不会对外输出电流。
题外话：关于单片机的低功耗模式之前没深入了解STM32，最近才发现进最低功耗的STANDBAY模式RAM中数据对丢失，这点不如8位机，之前用STC的51和STM8系列从不担心ram数据丢失的问题。看STM32L系列进最低功耗也有这个问题，只是可以掉电保的RAM区域分的更多，更大。
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