ESP32 測試（五）： Light-sleep 模式下的電流功耗測試及特性(使用 Wi-Fi)

一. 測試目的

經常會有開發者提出基於 ESP32 Light-sleep 模式下的電流功耗問題，本文將測試在連接 Wi-Fi 的情況下 Light-sleep 模式下的 ESP32 的電流功耗。

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二. 測試環境

爲了保證測試結果的一致性，採用以下測試環境:

• esp-idf
  編寫本文時，最新的 esp-idf release 版本爲 v4.1，將使用該版本進行測試，對應 commit 爲
  70794a0。可通過以下命令確認:

  git log --oneline -1
  

  結果爲:

  70794a0 Merge branch 'feature/ver-4.1' into 'master'
  

• toolchain 版本
  gcc version 8.2.0 (crosstool-NG esp32-2019r1)，可通過以下命令確認:

  xtensa-esp32-elf-gcc -v
  

  結果爲(log 過長，只需要關注最後的這部分。如下):

  Thread model: posix
  gcc version 8.2.0 (crosstool-NG esp32-2019r1) 
  

• 測試主機
  Linux 環境，Ubuntu 16.04 LTS，可選用其他平臺。

• 開發板
  ESP32-WROOM-32D 開發板，可選用其他基於 ESP32 的開發板。

• 測試示例
  esp-idf 裏的 Power_save 示例。

• 測試工具
  Tektronix MDO3104 示波器 或 Agilent 34401A 數字萬用表，使用相關測電流工具均可。

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三. 測試步驟

此次測試中使用了 esp-idf 裏的 power_save 用例。

1. 接入電流表
   測試時將萬用表調至電流表模式，然後測量 Vcc 引腳上連接導線的電流即可。

2. 固件燒寫及串口監視
   首先你需要 下載並配置esp-idf，配置完成後你需要輸入以下指令：

   cd ~/esp/esp-idf/examples/wifi/power_save
   make menuconfig
   

   在 menuconfig 界面，你需要設置需要連接的AP的 SSID 和 password，你也可以在 menuconfig 裏將 ESP32 調至單核模式。然後你就可以運行如下指令進行固件燒錄及串口監視：

   make flash monitor
   

   在串口監視工具中，當你看到 Wi-Fi 成功連接時，就可以進行電流功耗測試。

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四. 測試結果

運行此示例，在成功連接到 AP 之後，工作站將定期在活動狀態和睡眠狀態之間切換。在睡眠狀態下，RF、PHY 和 BB 被關閉以減少功耗。站可以在調制解調器休眠模式下與 AP 保持連接。在最小調制解調器睡眠模式下，站喚醒每個 DTIM 以接收信標。
測試得到在 Light-sleep 模式下的最小功耗電流爲 0.90 mA ，平均功耗電流爲 5.0 - 8.0 mA 。每隔 300 ms 可以觀測到一個脈衝，每次脈衝持續 10 ms ，此時 ESP32 定期在活動狀態和睡眠狀態之間切換。

以下是測試結果：

測量參數	參數數值
最低電流功耗	0.9 mA
平均電流功耗	5.0-8.0 mA
定期發包的(AP)的週期	300 ms
發包時產生的脈衝時長	10 ms

這裏也能從 log 信息中獲得如下信息：

wifi: AP’s beacon interval = 307200 us，DTIM period = 1

其中：

• beacon interval：信標間隔，爲 307.2 ms ,這與表格裏的定期發包的週期相匹配。
• DTIM：是delivery traffic indication message，一個 DTIM period 決定了隔多久一個 beacon 幀裏會包含一個 DTIM 消息，並且這個 period 值會包含在每個 beacon 幀裏面。當 DTIM period = 1，表示每隔一個 Beacon 的時間間隔，AP 將發送所有暫時緩存的數據包。

注意：手工焊接，集成度不如 ESP32-WROOM-32D 開發板，部分 GPIO 未被禁用均可能導致測量結果不準確。

五. 總結

通過以上方法，可測出 ESP32 在連接 Wi-Fi 時的 Light-sleep 模式下的電流功耗，用戶可選擇採用以上方法對自己的 ESP32 進行電流功耗測試。

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六.相關知識附錄

0. ESP32 的 Light-sleep 模式特性

Light-sleep 模式是另一種省電模式。在 Light-sleep 模式下，數字外設和大多數 RAM 被時鐘門控，電源電壓降低，但 RTC 存儲器和外設以及 ULP 協處理器仍保持運行。任何喚醒事件(MAC 、主機、 RTC 定時器或外部中斷)都會喚醒芯片。可以使用多種喚醒源從輕度睡眠模式喚醒。可以組合這些喚醒源，在這種情況下，當觸發任何一個源時芯片將被喚醒。可以使用 esp_sleep_enable_X_wakeup API 啓用喚醒源，並可以使用 esp_sleep_disable_wakeup_source() API 禁用喚醒源。

從 Light-sleep 模式退出後，外圍設備和 CPU 恢復運行，它們的內部狀態得以保留。通過調用 esp_err_t esp_light_sleep_start() ，應用程序可以進入 Light-sleep 模式。

此外，應用程序可以使用 esp_sleep_pd_config() API 強制 RTC 外設和 RTC 存儲器的特定掉電模式。

1. WiFi/BT 與 Light-sleep 模式

在進入 Light-sleep 模式之前，應用程序必須調用以下函數 esp_bluedroid_disable()，esp_bt_controller_disable()，esp_wifi_stop() 禁用 Wi-Fi 和 BT。 即使不調用這些功能，也不會在 Light-sleep 模式中保持 Wi-Fi 和 BT 連接。

2. 喚醒源

你需要使用喚醒源來將 ESP32 從 Light-sleep 模式中喚醒，以下是相關喚醒源的介紹。

• 1. 定時器
  ESP32 裏的 RTC 控制器具有內置定時器，可用於在預定義的時間後喚醒芯片。時間精度爲 μs ，但實際分辨率取決於爲 RTC SLOW_CLK 選擇的時鐘源。有關 RTC 時鐘選項的詳細信息，請參見 ESP32 技術參考手冊。

  注：此喚醒模式不需要在睡眠期間打開 RTC 外圍設備或 RTC 存儲器。

• 2. Touch pad
  RTC IO 模塊包含觸摸傳感器中斷時觸發喚醒的邏輯。你需要在芯片開始睡眠之前配置觸摸傳感器。
  當 RTC 外設未被強制上電時，即 ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH 應設置爲 ESP_PD_OPTION_AUTO esp_sleep_enable_touchpad_wakeup() 函數可用於啓用此喚醒源。

• 3. External 喚醒(通過 EXT0)
  RTC IO 模塊包含當其中 一個 RTC GPIO 的電平爲預定義的邏輯電平時觸發喚醒的邏輯。RTC IO 是 RTC 外設電源域的一部分，由於在此模式下啓用了 RTC IO 模塊，因此也可以使用內部上拉或下拉電阻。在調用esp_sleep_start() 之前，需要使用 rtc_gpio_pullup_en() 和 rtc_gpio_pulldown_en() 函數由應用程序配置它們。esp_sleep_enable_ext0_wakeup() 函數可用於啓用此喚醒源。從睡眠狀態喚醒後，用於喚醒的 IO pad 將被配置爲 RTC IO。在將此 pad 用作數字 GPIO 之前，請使用rtc_gpio_deinit(gpio_num) 函數重新配置它。

• 4. External 喚醒(通過 EXT1)
  RTC 控制器包含使用 多個 RTC GPIO 觸發喚醒的邏輯。兩個邏輯功能之一可用於觸發喚醒：

  如果任何所選引腳爲高電平，則喚醒（ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH）
  如果所有選定的引腳都爲低電平，則喚醒（ESP_EXT1_WAKEUP_ALL_LOW）

  該喚醒源由 RTC 控制器實現。因此，RTC 外設和 RTC 存儲器可以在此模式下斷電。但是，如果 RTC 外設斷電，內部上拉和下拉電阻將被禁用。要使用內部上拉或下拉電阻，請在睡眠期間請求 RTC 外設電源域保持開啓，並在進入睡眠模式之前使用 rtc_gpio_ 函數配置上拉/下拉電阻：

  esp_sleep_pd_config(ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH, ESP_PD_OPTION_ON);
  gpio_pullup_dis(gpio_num);
  gpio_pulldown_en(gpio_num);
  

  esp_sleep_enable_ext1_wakeup() 函數可用於啓用此喚醒源。

  從睡眠狀態喚醒後，用於喚醒的 IO pad 將被配置爲 RTC IO。在將此 pad 用作數字 GPIO 之前，請使用 rtc_gpio_deinit(gpio_num) 函數重新配置它。

• 5. ULP 協處理器喚醒
  ULP 協處理器可以在芯片處於睡眠模式時運行，並且可以用於輪詢傳感器，監視 ADC 或觸摸傳感器值，並在檢測到特定事件時喚醒芯片。ULP 協處理器是 RTC 外設電源域的一部分，它運行存儲在 RTC 慢速存儲器中的程序。如果請求此喚醒模式，RTC 慢速內存將在睡眠期間啓動。在 ULP 協處理器開始運行程序之前，RTC 外設將自動上電; 程序停止運行後，RTC 外設將再次自動關閉。

  當 RTC 外設未被強制上電時（即 ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH 應設置爲 ESP_PD_OPTION_AUTO），ESP32 的修訂版 0 和 1 僅支持此喚醒模式。

  esp_sleep_enable_ulp_wakeup() 函數可用於啓用此喚醒源。

• 6. GPIO 喚醒
  除了上面描述的 EXT0 和 EXT1 喚醒源之外，在輕度睡眠模式下還有一種從外部輸入喚醒的方法。通過該喚醒源，每個引腳可以單獨使用 gpio_wakeup_enable() 函數配置爲高電平或低電平喚醒。與 EXT0 和 EXT1 喚醒源（只能與 RTC IO 一起使用）不同，此喚醒源可用於任何 IO（RTC 或數字）。

  esp_sleep_enable_gpio_wakeup() 函數可用於啓用此喚醒源。

• 7. UART 喚醒
  當 ESP32 從外部設備接收 UART 輸入時，通常需要在輸入數據可用時喚醒芯片。UART 外設包含一項功能，當看到 RX 引腳上的一定數量的上升沿時，可以將芯片從輕度睡眠狀態喚醒。可以使用 uart_set_wakeup_threshold() 函數設置此上升沿數。請注意，喚醒後 UART 不會接收觸發喚醒的字符（及其前面的任何字符）。這意味着外部設備通常需要在發送數據之前向 ESP32 發送額外字符以觸發喚醒。

  esp_sleep_enable_uart_wakeup() 函數可用於啓用此喚醒源。。