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ESP低功耗入门

此篇博客以 ESP32 为例来说明 ESP 的睡眠模式。

ESP32 芯片可以大致分成以为五个模块：

  • RF 模块，也就是射频模块，用于蓝牙 / Wi-Fi 的收发(TX / RX)功能。
  • CPU，如 Xtensa 内核 (ESP32 / ESP32-S2 / ESP32-S3)，RISC-V 内核(ESP32-C3 / ESP32-C2)。
  • 无线数字模块，包括 Wi-Fi 和蓝牙的物理层，如 Wi-Fi 的 MAC，蓝牙的 Link controller。
  • 非 RTC 外设，如常用的 SPI, I2C, LEDC 等
  • RTC 相关。包括 RTC GPIO, ULP 等。

    • 处于工作状态的模块越多，芯片功耗越大，ESP32 一共有四种工作模式，按照运行时的平均功耗由高到底排序，依次为 active, modem sleep, light sleep 和 deep sleep。不同的工作模式下的各模块状态如图 1-1 所示：

    图 1-1 不同工作模式下的模块运行状态

    1.1. active 模式

    该模式下所有的模块都可以正常使用，此时芯片的底电流大约为 20 ~40 mA。

    1.2. modem sleep 模式

    该模式也就是通常的 Wi-Fi 保活模式。在该模式下 RF 射频模块将被关闭，芯片的底电流会在 20 mA 左右。该模式只能应用于 STA 模式，是否开启由 esp_err_t esp_wifi_set_ps(wifi_ps_type_t type) 这一个 API 决定。

  • type= WIFI_PS_NONE, 关闭 modem sleep，此时 RF 会一直处于打开状态。

  • type= WIFI_PS_MIN_MODEM，芯片每隔一个 DTIM 会和路由器进行一次交互，交互结束就暂时关闭 RF，然后在下一个 DTIM 再醒来。(补充内容：DTIM 和 listen interval 的区别)

  • type= WIFI_PS_MAX_MODEM，每隔一个 listen interval 会和路由器进行一次交互，交互结束就暂时关闭 RF，然后在下一个 listen interval 醒来。

    • ESP32 的 STA 默认是 WIFI_PS_MIN_MODEM，因此 modem sleep 模式是默认打开的。

    1.3. light sleep 模式

    该模式下 RF 模块会被关闭，除 RTC 相关模块外大多数模块都会被下电或者进行动态频率调节，以此来达到功耗降低的结果。此时的芯片底电流可以参考 datasheet 上的功耗，如 ESP32-C3 为 130 μA，ESP32-S3 为 240 μA。

    1.4. deep sleep 模式

    Deep sleep 模式下除 RTC 模块外全部被下电，底电流可以参考 datasheet，ESP32-C3 为 5 μA，ESP32-S3 为7 μA。

    1.5. 唤醒源

    处于 light sleep 和 deep sleep状态的芯片可以被唤醒，light sleep 和 deep sleep 唤醒源分别如表 1-1 和表 1-2 所示。各唤醒源的具体使用可以查看我们的light sleep例程以及 IDF 编程指南。

    表 1-1 light sleep 唤醒源

    ESP32 ESP32-S2 ESP32-S3 ESP32-C3
    Timer √ √ √ √
    GPIO √ √ √ √
    EXT0 √ √ √
    EXT1 √ √ √
    UART √ √ √
    Touch √ √ √

    表 1-2 deep sleep 唤醒源

    ESP32 ESP32-S2 ESP32-S3 ESP32-C3
    Timer √ √ √ √
    GPIO √ √ √ √
    EXT0 √ √ √
    EXT1 √ √ √
    UART
    Touch √ √ √
    ULP-FSM √ √ √
    ULP-RISCV √ √

    1.6.注意事项

  • EXT0 和 EXT1 只能用于 RTC GPIO，和 GPIO 唤醒相比需要保持的硬件电源域不同，实际使用体验差别不大。
  • ESP32 不支持 UART 唤醒中断，其余芯片在 IDF 版本 4.4 及以后都支持 UART 唤醒中断，但是真正可以应用 UART 中断要在最新的 master 上，如果想在 4.4 上应用 UART 中断需要自己修改驱动。
  • UART 中断需要一定数量字节用于唤醒，所以如果想要使用 UART 中断需要约定好唤醒规则。
  • Deep sleep 的唤醒源和 light sleep 类似，多了 ULP (协处理器) 唤醒。ESP32 只能使用 ULP-FSM，需要用汇编进行唤醒程序的编写，ESP32-S2 / ESP32-S3 还能使用 ULP-RISCV，运用 C 语言进行协处理器程序的编写。

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