Режимы сна и энергосбережение AVR

Режимы сна ATmega328P

Коды 100 и 101 зарезервированы. Для INT0 и INT1 даташит противоречив: описание Power-down (раздел 10.5) называет только прерывание по низкому уровню, а глава 13 той же редакции говорит, что асинхронно распознаются и фронты. Надёжнее всего будить кристалл низким уровнем или прерыванием pin change — оно распознаётся асинхронно на всех выводах PCINT. Standby и Extended Standby рекомендуются только с внешним кварцем или резонатором. Power-save имеет смысл, если Timer/Counter2 работает — например, асинхронно от часового кварца 32,768 кГц на выводах TOSC: тогда он отсчитывает время, пока кристалл спит, и будит его прерыванием; если Timer/Counter2 не нужен, лучше Power-down. Режим ADC Noise Reduction останавливает такт ввода-вывода, чтобы цифровая периферия не шумела во время преобразования, — АЦП в нём запускается автоматически при входе в сон, так же как в Idle.

Как заснуть и проснуться

Чтобы войти в сон, нужно записать режим в SM2:0, установить бит SE в SMCR и выполнить команду SLEEP. Даташит советует ставить SE непосредственно перед SLEEP и сбрасывать сразу после пробуждения, чтобы случайная команда SLEEP не усыпила кристалл. По разрешённому прерыванию кристалл просыпается, стоит 4 такта плюс время запуска генератора, выполняет обработчик и продолжает программу с команды после SLEEP. Регистры и ОЗУ при этом сохраняются. Если во сне пришёл сброс, выполнение начнётся с вектора сброса.

После Power-down и Power-save генератор запускается заново, и пробуждение задерживается на время запуска, заданное фьюзами CKSEL и SUT, — то же, что после сброса. Поэтому прерывание по уровню на INT0 или INT1 должно держаться, пока кристалл не проснётся: если уровень пропадёт раньше, кристалл проснётся, но обработчик не вызовется.

В avr-libc для этого есть макросы set_sleep_mode(), sleep_enable(), sleep_cpu() и sleep_disable(). Простой sleep_mode() выполняет всё сразу, но может «проспать» прерывание, пришедшее между проверкой условия и засыпанием. Надёжная последовательность — проверить условие при запрещённых прерываниях, затем разрешить их командой SEI и сразу выполнить SLEEP: команда после SEI гарантированно выполняется до того, как сработает прерывание.

Отключение BOD на время сна (picoPower)

Если детектор пониженного питания BOD включён фьюзами BODLEVEL, он работает и во сне и в глубоких режимах заметно добавляет к потребляемому току. У picoPower-кристаллов ATmega48PA, 88PA, 168PA и 328P его можно выключить программно на время сна: сначала записать единицы в биты BODS и BODSE регистра MCUCR, затем в течение четырёх тактов — BODS = 1 и BODSE = 0. Бит BODS начинает действовать через три такта после установки и сам сбрасывается ещё через три такта, поэтому команда SLEEP должна идти сразу за этой последовательностью. После пробуждения BOD включается автоматически, а само пробуждение затягивается примерно на 60 мкс, пока BOD снова не начнёт работать. В avr-libc эту последовательность реализует макрос sleep_bod_disable().

Что ещё потребляет ток

Режим сна выключает тактовые сигналы, но часть узлов продолжает работать, если её не выключить явно (DS40002061B, раздел 10.10):

• АЦП остаётся включённым во всех режимах сна — сбросьте ADEN перед сном. После повторного включения первое преобразование будет длинным.
• Аналоговый компаратор выключают в Idle и ADC Noise Reduction, а если он использует внутренний источник опорного напряжения — во всех режимах.
• BOD — либо выключить фьюзами, либо отключать на время сна, как описано выше.
• Внутренний источник опорного напряжения работает, пока он нужен BOD, компаратору или АЦП.
• Сторожевой таймер, если включён, работает во всех режимах сна: с ним ток в Power-down вырастает с 0,1 до 4,2 мкА.
• Выводы. Ни один вывод не должен питать резистивную нагрузку. Входной буфер с плавающим входом или с напряжением около половины питания потребляет лишний ток; у аналоговых входов цифровые буферы отключают регистрами DIDR0 и DIDR1.
• Отладка debugWIRE: при запрограммированном фьюзе DWEN основной генератор работает и во сне.

Регистр PRR останавливает такт отдельных модулей — TWI, Timer/Counter0, 1 и 2, SPI, USART0 и АЦП — в активном режиме и в Idle; в более глубоких режимах эти такты и так остановлены. Состояние модуля при этом замораживается, а его регистры недоступны. АЦП перед остановкой через PRADC нужно выключить, а TWI, SPI и USART после возврата лучше заново инициализировать.

Ток потребления ATmega328P

Данные — таблица 29-8 даташита; значения сняты с PRR = 0xFF, то есть с остановленной периферией, и включают ток утечки входов. Батарея ёмкостью 1000 мА·ч при среднем токе 5 мкА теоретически проработала бы больше 20 лет — на практике срок задают саморазряд батареи и потребление остальной схемы.

Пример: просыпаться каждые 8 секунд

Кристалл спит в Power-down с выключенным BOD и просыпается по прерыванию сторожевого таймера. Таймаут 8 с соответствует WDP3:0 = 1001 — 1024K тактов генератора 128 кГц; время для других значений покажет калькулятор сторожевого таймера.

#include <avr/interrupt.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>
#include <avr/wdt.h>

ISR(WDT_vect)
{
    /* wake-up only */
}

static void wdt_interrupt_8s(void)
{
    cli();
    wdt_reset();
    MCUSR &= ~(1 << WDRF);                             /* WDRF would keep WDE set */
    WDTCSR = (1 << WDCE) | (1 << WDE);                 /* timed sequence */
    WDTCSR = (1 << WDIE) | (1 << WDP3) | (1 << WDP0);  /* interrupt mode, 8 s */
    sei();
}

int main(void)
{
    ADCSRA &= ~(1 << ADEN);    /* the ADC would stay powered in sleep */
    PRR = 0xFF;                /* stop the clocks of all modules */
    wdt_interrupt_8s();
    set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);

    for (;;) {
        /* periodic work goes here */
        cli();
        sleep_enable();
        sleep_bod_disable();   /* picoPower parts only */
        sei();
        sleep_cpu();
        sleep_disable();
    }
}

Если программе нужны таймеры, USART или АЦП, соответствующие биты PRR сбрасывают перед их использованием. Как работают сами таймеры и прерывания AVR, описано в статье об архитектуре AVR, а характеристики ATmega328P собраны на его странице атласа.