第三章 外设低功耗策略：ADC低功耗采样

ADC采样，在医疗贴片里是个耗电大户。你想想看，心电信号、体温、血氧，哪个不需要ADC？但问题是，很多工程师一上来就用连续采样模式，电池很快就见底了。

我个人习惯是：能不采就不采，能少采就少采。这不是偷懒，这是低功耗设计的核心思想。

3.1 单次采样 vs 序列采样

单次采样，说白了就是采一次就睡。我做过一个体温贴片，每10秒只采一次，ADC转换完立刻进休眠。功耗从原来的2.3mA降到了0.4mA。效果立竿见影。

序列采样呢？适合需要连续监测的场景。比如心电信号，你需要连续采256个点。但注意，序列采样结束后，一定要手动关掉ADC时钟。我在项目中遇到过，有人开了序列采样忘了关，结果一夜之间电池掉了30%。

3.2 定时采样与触发源选择

定时采样，我建议用硬件定时器触发，而不是软件延时。为什么？因为软件延时的时候CPU还在跑，白白耗电。

我曾经做过一个项目，用SysTick定时器触发ADC，CPU在采样间隙进入深度睡眠。功耗直接降了60%。嗯，这里要注意：定时器的时钟源要选低速的，比如32kHz的LSE，别用主时钟分频。

// 伪代码示例：定时器触发ADC单次采样
void ADC_Timer_Init(void) {
    // 配置定时器，32kHz时钟，每100ms触发一次
    TIM_Prescaler = 32;   // 分频到1kHz
    TIM_Period = 100;     // 100ms周期
    TIM_TriggerEvent = TIM_TRGO_UPDATE;
    
    // ADC配置为定时器触发
    ADC_TriggerSource = ADC_EXT_TRIG_TIM;
    ADC_SingleConversionMode = ENABLE;
    
    // 关键：转换完成后自动关ADC
    ADC_AutoPowerDown = ENABLE;
}

SPI/I2C总线低功耗设计

总线通信，是另一个耗电陷阱。很多工程师习惯把SPI/I2C一直开着，等着数据来。这就像你家大门一直敞着，等着快递员来——冷气全跑光了。

3.3 SPI总线低功耗策略

SPI的功耗主要来自时钟翻转。我建议：通信前开时钟，通信完立刻关。别小看这个动作，一个8MHz的SPI时钟，开着和关着能差0.5mA。

我记得有一次调试一个血糖贴片，SPI通信完后忘了关时钟，结果待机电流多了0.8mA。查了两天才找到原因。从那以后，我每次写完SPI代码，都会加一句：

void SPI_Deinit(void) {
    SPI_Cmd(DISABLE);      // 关SPI外设
    SPI_ClockConfig(DISABLE); // 关时钟
    GPIO_Config(SPI_SCK, GPIO_MODE_INPUT_PULLDOWN); // 把SCK拉低，防止漏电
}

3.4 I2C总线低功耗设计

I2C比SPI好一点，因为它是开漏结构，没有时钟时基本不耗电。但坑也不少。

首先，上拉电阻要选对。我一般用4.7kΩ到10kΩ。阻值太小，灌电流太大；阻值太大，上升沿太慢，通信容易出错。你想想看，一个100kHz的I2C总线，用1kΩ上拉，光上拉电阻就耗掉0.3mA。不值当。

其次，通信完成后，把SCL和SDA都设为输入模式，带上拉。这样总线处于空闲状态，功耗最低。

void I2C_EnterLowPower(void) {
    I2C_Cmd(DISABLE);
    GPIO_Init(SCL_PIN, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PULLUP);
    GPIO_Init(SDA_PIN, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PULLUP);
}

UART低功耗设计

UART在医疗贴片里用得不多，但蓝牙模块、调试口还是离不开。低功耗设计主要看三点：波特率、停止位、唤醒方式。

3.5 波特率与停止位的选择

波特率越高，传输时间越短，但瞬时功耗也越高。我建议：能低就低。比如调试口用9600bps就够了，别用115200。为什么？因为高波特率意味着更快的时钟，更高的动态功耗。

停止位呢？我习惯用2位停止位。虽然多花一点时间，但容错性更好。尤其是在干扰强的医疗环境中，多一位停止位能减少重传，反而省电。

3.6 UART唤醒机制

UART的唤醒，我建议用硬件唤醒，别用软件轮询。很多MCU支持UART空闲唤醒或地址匹配唤醒。

我曾经做过一个蓝牙贴片，主机通过UART发送唤醒命令。我配置了UART的地址匹配唤醒，只有收到特定地址字节时，MCU才从睡眠中醒来。其他时候，UART接收器处于低功耗监听模式，功耗只有几微安。

// UART地址匹配唤醒配置
void UART_WakeUp_Config(void) {
    UART_WakeUpMode = UART_WAKEUP_ON_ADDRESS;
    UART_Address = 0x55;  // 只有收到0x55才唤醒
    UART_AddressDetection = UART_ADDRESS_DETECT_4BIT;
    
    // 使能唤醒功能
    UART_WakeUpCmd(ENABLE);
    
    // 进入睡眠前，确保UART接收器仍在工作
    UART_ReceiverCmd(ENABLE);
}

DMA在低功耗中的应用

DMA是低功耗的好帮手。它能让CPU在数据传输时睡觉，自己干活。

3.7 DMA与ADC的黄金搭档

ADC采样时，如果用CPU去读数据，CPU就得一直醒着。但用DMA呢？ADC转换完，DMA自动把数据搬到内存，CPU可以继续睡。

我做过一个心电贴片，用DMA循环模式采集128个点。CPU只在DMA传输完成中断时醒来一次，处理完数据又睡。整体功耗比用CPU轮询低了40%。

// DMA+ADC循环采样配置
void DMA_ADC_Config(void) {
    DMA_Channel = DMA_CHANNEL_0;
    DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&ADC_DR;
    DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)adc_buffer;
    DMA_BufferSize = 128;
    DMA_Mode = DMA_MODE_CIRCULAR;  // 循环模式
    
    // 使能DMA传输完成中断
    DMA_ITConfig(DMA_IT_TC, ENABLE);
    
    // CPU可以睡了，DMA会自己干活
    ADC_DMACmd(ENABLE);
}

GPIO电平与上下拉优化

GPIO看似简单，但低功耗设计里坑最多。我见过太多工程师因为GPIO没处理好，待机电流多了几十微安。

3.8 GPIO电平状态管理

GPIO在睡眠时，电平状态一定要确定。浮空输入是最忌讳的——电平不确定，会导致CMOS管反复翻转，产生漏电流。

我建议：不用的GPIO，要么拉高，要么拉低，别悬空。具体怎么选？看外部电路。

• 如果外部有上拉电阻（比如I2C），就设成输入带上拉
• 如果外部有下拉电阻，就设成输入带下拉
• 如果外部什么都没接，就设成输出，拉低或拉高都行

3.9 上下拉电阻的功耗权衡

上下拉电阻的功耗，很多人会忽略。一个10kΩ的上拉电阻，在3.3V下，静态电流是0.33mA。如果你有10个这样的引脚，光上下拉就耗掉3.3mA。

我一般这样处理：

1. 能不用就不用：如果外部电路已经提供了上下拉，内部就设成浮空
2. 阻值选大一点：内部上下拉一般40kΩ左右，功耗已经很低了。如果外部必须用，选100kΩ以上
3. 动态上下拉：只在需要的时候打开上下拉，平时关掉

3.10 GPIO输出电平优化

输出电平也要注意。我习惯在睡眠前，把所有输出引脚设成低电平。为什么？因为高电平输出时，如果外部负载有漏电路径，会额外耗电。

举个例子：你驱动一个LED，睡眠前把引脚拉低，LED自然就灭了。但如果你忘了，引脚还是高电平，LED可能微亮，或者通过其他路径漏电。

void GPIO_SleepConfig(void) {
    // 把所有输出引脚拉低
    GPIO_WriteLow(GPIOA, 0xFFFF);
    GPIO_WriteLow(GPIOB, 0xFFFF);
    
    // 不用的引脚设成模拟模式（功耗最低）
    GPIO_Config(GPIO_PIN_8, GPIO_MODE_ANALOG);
    GPIO_Config(GPIO_PIN_9, GPIO_MODE_ANALOG);
    
    // 关键引脚保留功能，但确保电平确定
    GPIO_Config(WAKEUP_PIN, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PULLDOWN);
}

好了，外设低功耗策略就讲到这里。下一章我们聊聊时钟系统的低功耗设计——这可是个大学问。记住一句话：外设就像家里的电器，不用就拔插头。