御坂美琴我老婆 发表于 2024-7-17 21:49:26

32G12K128 【常亮24天】 低功耗-迷你桌面时钟-降本版



闪屏和拖影为压缩了视频和摄影的问题，实际看不会这样项目说明   本项目是基于【常亮24天】 低功耗-迷你桌面时钟https://oshwhub.com/yq-qvq/low-power-consumption-for-24-days-desktop-clock 工程的降本大改改进型，降低成本   本项目是基于STC32G12K128芯片作为主控的低功耗桌面时钟，在5V 255亮度下在TV模式（出厂默认设置）平均功耗为1.7378mA(6.8593mW)，可运行大约24天

项目变更



[*]OLED屏幕通信由原来的SPI改为I8080总线
[*]逻辑供电从2.8V下调至2.7V
[*]贴片电阻电容从0402换成0603、轻触开关、FFC座子、RTC电池、均进行了跟换，电容统一使用MLCC，PCB重新布局，引脚进行了调整，复位按钮放到屏幕下面，底层驱动全部对应修改
[*]降压芯片从TPS62740DSSR改成了ETA3425S2F
[*]去掉了熔断保险丝、锂电池保护芯片ME4211AM6、完全依赖软包电池的保护板进行保护
[*]去掉4K方波产生电路，改为单片机PWM口直驱，实现音调和音量的调整
[*]CH340去掉，改为USB直接下载
[*]RTC增加封装预留，兼容DS3231MZ
[*]光强计由原来的BH1745换成OPT3001
[*]外壳重新设计
[*]MCU从STC32F12K54换成STC32G12K128，速度虽然降低，但flash大了一倍，解决32F写满的问题
[*]取消OLED对比度电流基准电阻，使用内部基准，但焊盘保留
[*]修复程序框架中申请长时间等待任务会导致堵塞的问题





注意   本项目供电为软包锂电池，使用时切记请注意安全，充电时人员不要离开，避免对电池造成物理性损伤，避免过充过放短路，避免置于高温或低温等恶劣环境
项目硬件资源●主控：STC32G12K128●1.3寸OLED：SSD1315●温湿度计：SHT40●气压计：SPL-06●RTC：INS5699（预留DS3231MZ封装）●光强计：OPT3001●磁强计+加速度计：BMC050●蜂鸣器●震动开关●按键X5：+、-、确定键、退出键、复位键
功耗   使用合宙CC表进行测试，测试条件为出厂初始设置（OLED 5V255亮度、电池供电3.84V，降本版电池供电为3.94V，但自动调光关闭）   5V满亮度可以坚持22天，如果打开自动调光的话能坚持更久，可达24天以上

UI展示    主菜单(滚动3.94V 2.5mA)：https://image.lceda.cn/oshwhub/99e17679d2a9447aa0af5bc45d6717b7.gif    二级菜单(滚动3.94V 4.3mA)：https://image.lceda.cn/oshwhub/f3ea9fee2e444d38bda4663765ce3eff.gif    三级菜单：https://image.lceda.cn/oshwhub/49b1ffd431f34e85a75b0713c3edde3b.gif    TV模式（时钟显示界面）：https://image.lceda.cn/oshwhub/5b8c2d9914d14c3cb2d8eb4609edb578.gif    TV模式（环境显示界面）：https://image.lceda.cn/oshwhub/2b70d1d2b0ff40388c7f1767d86bb844.gif    TV模式（电源显示界面）：https://image.lceda.cn/oshwhub/ed9bedcd2e9d41f8bf0057774092eef9.gif    休眠屏显模式：https://image.lceda.cn/oshwhub/00862ec0a7f74cd5a179c13c58ed665b.gif    指南针UI：https://image.lceda.cn/oshwhub/377cde9ed3b14b8ab974447e613601b6.gif

UI操作逻辑：https://image.lceda.cn/oshwhub/2eea993529d94bf4a007122da00b060b.png

低功耗思路   熟悉PC设备的朋友应该都知道，我们的电脑在闲置的时候，功耗一般比较低，这是因为CPU降频了，处于一种“怠速”的状态。同样，在降低设备功耗的时候，大多数人会采用降频的策略。很多朋友看到我用30M的主频时都会发出疑问：为什么不降频？   不分情况的一味降频，反而会增加设备的功耗。下图测试了STC32G12K128单片机在各个主频下的运行电流https://image.lceda.cn/oshwhub/64196cf0c7e24719801c1f6e821a2cf4.png

   之前想移植到STC8051U上运行，也移植好了，但测试发现8051U的功耗比32G大一些，只好作罢




   这里我测试了各个主频下单片机运行65535次while(i--)所需的时间，这个是想证明，单片机在处理固定任务量的任务时，所需时间和主频成固定反比，35M主频是5M主频的7倍，那么5M主频处理任务需要的时间也应该是35M主频处理任务需要的时间的7倍，事实上也是如此：79200/11340 = 6.984   但5M主频下消耗的电流却不是35M主频下消耗电流的1/7（0.1428），而是2.287/10.88 = 0.21，这就说明低频执行同样任务量的任务反而会更耗电，也就是uA/MHz更大。   像本项目需要执行的UI刷新，UI刷新的点阵计算就是固定的任务量，uA/MHz越低，就越省电，所以需要高主频去执行这些任务或者计算，完成后无任务，这个时候就进入休眠模式。
软件介绍   软件部分，一些底层的配置采用了STC厂家范例代码，OLED初始化参考了淘宝附赠代码，反三角函数Atan的CORDIC算法参考了红石电路吧的代码，其余部分均为本人自行开发，程序框图如下，使用任务号栈+任务等待时间栈进行任务的预约与执行，中间的等待时间进入掉电模式进行过渡https://image.lceda.cn/oshwhub/131cb2fb9e71498482b887233ad04a88.png   之所以可以这么省电的缘故是因为MCU不会干多余的事情，有任务的时候才会运行，其他时间都在休眠。因为之前做第一代第二代时钟的时候，就发现一个事情，就是MCU在执行任务的时候，很多时候都在delay，例如滚动数字的时候，平移32格像素，需要平移32次，每次平移后间隔6毫秒才能执行下一次的平移，这个时候，空跑的的时间就是31x6=186ms，这是非常致命的，如果一秒刷新一次，就有18.6%的时间浪费在等待上。再例如给传感器发送测量指令后，需要等待一段时间才能读取测量后的值，这一段时间也是需要等待的。https://image.lceda.cn/oshwhub/c6fff2999f704a68a109df637f56d6dd.png      为了解决MCU在等待时摸鱼的情况，可以让MCU在等待的时候进入掉电模式，从而降低功耗      但这样又不得不面临一个新的问题，就是MCU怎么知道自己什么时候醒过来？因为MCU在进入掉电模式之后主时钟停震，就真的睡死了，怎么知道自己下一次什么时候起来上班就成为一个问题      针对这个问题，像打工人可以预定一个闹钟一样，可以使用掉电唤醒定时器，通过设置掉电唤醒定时器的时间，控制MCU休眠后在我们指定的时间醒过来，然后我们可以再进一步，例如平移32格像素，就定下31个闹钟      为此，我引入两个数组，一个是“休眠时间数组”，一个是“任务号数组”（每个bit代表一个任务），两个数组的值一一对应。例如执行一个32格像素的平移，要执行32次，我就先在“休眠时间数组”和“任务号数组”中预约32个任务，如下图所示。https://image.lceda.cn/oshwhub/af54aaf9a388451298cfdb7c00314966.png      每次MCU检测数组“休眠时间数组”和“任务号数组”中的数值，如果不等于0，则将“休眠时间数组”的值装入掉电唤醒寄存器，进行休眠，唤醒后再根据“任务号数组”的值匹配相应的任务。任务完成后整个数组的值向左移动一位。当检测到“休眠时间数组”和“任务号数组”中的数值为0时，说明UI刷新任务已经完成，掉电唤醒寄存器关闭，彻底进入休眠，等待外部按键中断任务的唤醒。      但项目中并非只有一个OLED屏幕刷新的任务，对于传感器测量等待的任务，为了尽可能保证时效性，不可能排在UI刷新完成之后再测量，我们当然希望能两不误，这时就需要写插入算法将任务插入任务队列中，例如在队列中插入一个气压测量的任务（“任务号数组”bit1 =1），需要等待15ms（6+6+3），插入上图的队列中，如下图。可以看到当数值不可以重合时，需要打断队列插入数值，3为bit0和bit1都为1https://image.lceda.cn/oshwhub/64d82b19acfd458a8c8bbb1e59b6b709.png
   通过上文的描述，我们知道单片机在刷新UI动画的时候，并不会一直刷新，像素每一次移动之间，一定是有一定的间隔时间的，否则就会运动过快。例如主菜单模式中，会显示3个32X32尺寸的图标，屏幕长128，图标之间间隔16，所以要完成一次滚动就需要平移48个像素，也就是平移48次，按照每次移动之间等待6ms，完成一次平移需要282ms（不算其他执行的时间），那这282ms的时间，如果单片机没有其他工作的话，那就是在空转。那么我们将等待空转的时间，用休眠代替，就可以把功耗降低了。这个时候就需要将48个间隔的UI刷新任务（任务号0x0001）和 6ms的间隔时间分布压进任务号栈、任务等待时间栈中，由任务休眠等待模块处理，那么单片机就会在接下来的时间里，按照6ms的间隔，从休眠中唤醒48次，每次执行一次UI刷新任务。   下列图片为测试PCB采集到的数据，测试环境为电源板+测试主板（只焊接FFC座子、MCU、按键），测试接入点为电池输出两端：   由于MCU供电是降压2.7V提供，实际2.7V电流最好*1.4换算，当然，最终是电池在供电，使用原始数据也是没什么毛病的   while(1)测试，模拟单片机全运行，可以看到电流大概在7mA左右https://image.lceda.cn/oshwhub/b40cb54ef7d14a5d908980f6a1071ebe.png   主菜单滚动测试，每隔1~2秒让主菜单UI移动一次，可以看到，电流均值在1mA左右，放大可以看到，电流为48个有间隔的尖峰，说明单片机间歇工作48次，完成48次像素移动，然后继续休眠https://image.lceda.cn/oshwhub/727eb43678c744a2858e2c7ca8f3f121.pnghttps://image.lceda.cn/oshwhub/f6742ac0e5ef429ea40361b237c7b1bd.png   二级菜单滚动测试，每隔1~2秒让主菜单UI移动一次，可以看到，电流均值在2.9mA左右，放大可以看到，电流为24个有间隔的尖峰，说明单片机间歇工作24次，完成24次像素移动，然后继续休眠，由于需要计算的东西比主菜单移动多，所以看到电流尖峰的脉宽较大，所以耗电较多
https://image.lceda.cn/oshwhub/689c3ef682c840cf9f0619e02da021cc.pnghttps://image.lceda.cn/oshwhub/eaf0c6e1ec7e4b7a9186f9ded3b4a290.png   由此可以证明，设计的低功耗UI架构已经满足设计的初衷，只有在有任务的时候才干活，而且整个程序中，几乎没有delay，避免了单片机空转，提高了效率。   之前的代码中，该框架存在一个比较严重的bug，就是插队算法，插了，但任务等待休眠的子模块不买账，并不会终止当前任务的休眠，会堵塞到当前任务结束为止。这就导致在等待一些预约时间较长的任务时，整个系统的阻塞会被察觉。例如开启光控后需要每秒获取环境光数据，每次测量后200mS后读数，如果此时位于菜单界面，而且正在进行读取传感器数据的等待中，按下按键，需要等待当前预约的等待时间完成后才能进行UI的滚动，宏观表现上就是按下按键之后会时不时有卡顿感。正确的效果应该是，按键按下后，如果任务等待休眠的子模块正在进行其他任务的休眠，则需要中止，将剩余时间读回并填入任务等待时间栈栈顶，然后再根据中断来源进行任务的插队。之前发现这个bug之后怎么改都不正常，结果2024年6月24号凌晨不死心随便改了一下，竟然改好了，目前测试没发现异常   事情还没有结束，为了进一步降低功耗，还需要进一步降低功耗，MCU最耗电的任务其实是在刷屏的时候，这时候使用8080总线发送数据，需要MCU参与其中，不能去干别的事情，这个时候我们可以使用DMA功能，使用双缓冲区，先装填1区，DMA发送1区的数据，在1区发送的时候，装填2区，轮流发送，循环往复，提高MCU的工作效率。   但单纯DMA发送数据的话，其实还是会更耗电，因为需要将数据从flash搬到XRAM里面，再通过DMA发出去是需要时间的，效率上不如把flash的数据直接发送出去，这个时候可以利用MCU进入停IDLE模式时，MCU停止工作，但外设还在可以工作的特点，如果在2区填充完成，但1区还没发完的情况下，还可以让MCU进入停IDLE模式，这个时候MCU停止工作，但外设还在可以工作，在IDLE模式等待LCM DMA 发送完成后再唤醒执行别的程序。这样功耗就可以进一步降低。除此之外，还有各种优化局部刷新，一点点抠功耗
主要硬件介绍MCU   最大主频35M，本项目最大稳定主频为30M，超过就会随机莫名其妙重启，这个问题曾困扰我两个星期   功耗大概在310uA/MHz，，休眠实测在2个uA左右，IO口中断在掉电模式下边缘触发有点硬件上的问题，触发一个可能联动另一个，很难绷得住   供电使用3.7V 1000mA 软包锂电池进行供电 主回路供电   MCU、传感器、蜂鸣器、OLED逻辑供电由ETA3425 DC-DC同步整流降压提供，供电电压设置为2.7V，该电压受限于还要给RTC电池充电，所以不能降的太低https://image.lceda.cn/oshwhub/ec4b2ae609234e8d93c6df10838ad0b0.png
OLED显示供电   OLED自带的电荷泵效率极其拉胯，推荐使用DC-DC升压，并且不推荐同步整流升压，因为效率少有超过80%的   OLED显示供电由MT3608L DC-DC异步整流升压提供，供电电压为5V、6V、7V、8V可选，由MCU控制OLEDV1（开漏）、OLEDV2（开漏）引脚切换   MT9700为限流芯片，防止输出短路   OLEDV1   1    OLEDV2   1      5V   OLEDV1   0    OLEDV2   1      6V   OLEDV1   1    OLEDV2   0      7V   OLEDV1   0    OLEDV2   0      8V   OLEDV1（准双向）   1    OLEDV2 （准双向）1      13V+   禁止，原本有隔离mos的，后来降本去掉了https://image.lceda.cn/oshwhub/95a77a52f5f44fb19c9f2e76dbd9a4bc.png
MT3608L（纹波72mV）10uf
输出电压（V）输出电流（mA）输出功率（mW）输入电压（V）输入电流（mA）输入功率（mW）效率
5.0181.5217.6303.8732.2308.63788.35%
4.9863.03015.1083.8734.36016.88689.47%
5.037156.250787.0313.740247.000923.78085.20%
锂电池充电   锂电池充电由ME4059ASPG-N负责，使用DC-DC同步整流降压进行充电，充电电流约为550mA，可大幅度降低线性充电带来的温升，预留控制脚位EN_2和GHRG   EN_2为ME4059ASPG-N使能脚，可以在充电中测量电池电源的时候，短暂关闭使能，获取真实电池电压   GHRG为充电状态指示端口，可以判断电池状态、有无电池https://image.lceda.cn/oshwhub/13e9ab88e7ee46bba69d601a0029736e.png锂电池保护   完全依赖电池自带的保护板，未预留保护器件焊盘，降本降掉了
锂电池充电电流检测   由INA181A2IDBVT芯片提供50倍差分放大，采样电阻放在低侧，防止漏电（放在高侧会产生11uA左右的漏电流）https://image.lceda.cn/oshwhub/5e54ddb4dfc94ca5a4f4e63af80f699e.png   其余查看开源原理图即可
目前功能介绍标准模式
[*]烧屏保护
[*]时间显示
[*]温湿气压

[*]电源状态
[*]整点报时

[*]设置
休眠模式
[*]时间显示

[*]温湿气压

[*]电源状态

[*]整点报时

[*]深度休眠

[*]休眠屏显

[*]设置
环境信息
[*]温度

[*]湿度

[*]气压

[*]光强
亮度设置
[*]屏幕亮度
[*]电压档位
[*]自动调节
[*]UI动态
[*]UI静态
[*]TV动态
[*]TV静态
[*]联动电压
[*]亮度倍率
指南针水平尺时间设置
[*]秒
[*]分
[*]时
[*]星期
[*]日
[*]月
[*]年
[*]设置
闹钟（10个闹钟）
[*]秒

[*]分

[*]时

[*]日

[*]月

[*]周六休

[*]周天休

[*]闹钟时长

[*]开关

增量闹钟
秒表
声音设置

[*]按键声音

[*]声音长度

[*]总开关
[*]音调调整
[*]音量调整
手电筒
电源管理

[*]外部供电

[*]内部供电

[*]供电电压

[*] 充电电流

[*]剩余电量

[*]寿命保护（暂无功能）

系统设置

[*]保存参数

[*]防误触（暂无功能）

[*]12时制（暂无功能）

[*]屏幕翻转（暂无功能）

[*]休眠计划（暂无功能）

[*]开始休眠 （暂无功能）

[*]结束休眠（暂无功能）

系统信息

[*]主控型号

[*]温湿度计

[*]气压计

[*]光强计

[*]加速度计

[*]磁强计

[*]时钟芯片

[*]屏幕主控

[*]按键数

[*]版本号

[*]机器型号

[*]作者

工厂模式

[*]传感器

[*]温度补偿

[*]湿度补偿

[*]气压补偿

[*]ADC调整

结构介绍   重新建模外壳，复位按键改到屏幕下面，按下屏幕复位，装配稍微有些难度，后面会出作业手册供参考   3D打印使用嘉立创的光固化，半透明树脂https://image.lceda.cn/oshwhub/e3d45fe5e81544e3b68242e4507a4c6a.png
开源地址与资料下载：https://oshwhub.com/yq-qvq/low-power-consumption-for-24-day




神农鼎 发表于 2024-7-17 22:15:47

https://oshwhub.com/yq-qvq/low-power-consumption-for-24-day

DebugLab 发表于 2024-7-17 23:12:40

要不要试试新出的8051U{:titter:}

御坂美琴我老婆 发表于 2024-7-17 23:18:20

DebugLab 发表于 2024-7-17 23:12
要不要试试新出的8051U

试过了，电路板打了都移植好了，但发现功耗比较高，文章里面有测试数据你可以对比看看{:4_184:}

DebugLab 发表于 2024-7-17 23:23:04

御坂美琴我老婆 发表于 2024-7-17 23:18
试过了，电路板打了都移植好了，但发现功耗比较高，文章里面有测试数据你可以对比看看 ...

前两天论坛里还有人说，不带USB，最高频率低的8G系列，功耗比8H系列低，大部分时间脱机使用也可以用不带USB的型号吧

御坂美琴我老婆 发表于 2024-7-17 23:25:25

DebugLab 发表于 2024-7-17 23:23
前两天论坛里还有人说，不带USB，最高频率低的8G系列，功耗比8H系列低，大部分时间脱机使用也可以用不带U ...

对，理论上是这样，那个帖子我也看了，但我现在代码量已经很逼近64K就很尴尬，还有一些功能没有开发，只能锁死在32G上面了

f57939698 发表于 2024-8-28 18:29:58

感谢分享{:4_174:}{:4_174:}{:4_174:}

lyldzxx 发表于 2024-9-12 14:26:31

真厉害，玩出花来了

hhhhhht 发表于 2025-2-3 01:19:33

感谢分享

Gostwang 发表于 2025-3-21 14:58:19

牛
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