软硬件低功耗设计
前言
随着物联网的兴起，各式各样的物联网设备涌向市场，这些设备有一个共同的特点就是电池供电，电池的容量是有限的，如何在电池容量有限的情况下延长设备的使用时间呢？万恶始于源头，最好的办法就是在设计中降低设备的功耗，设计又进一步分为软件设计、硬件设计。
硬件设计
根据低功耗的产品需求，一般会有两种方式，一种是平时处于断电状态，需要使用的时候上电即可，工作一会继续断电。另一种是一直处于待机状态，使用的时候，“唤醒”产品，工作一会继续“睡觉”。
低功耗产品一般是通过锂电池或者干电池供电的，前者主要用于易于携带或者移动的产品，比如，智能手表，共享单车等等，干电池应用的比较多的场合是智能门锁等，一般有3-4节干电池，用完电之后用户可以更换。
选取低功耗器件
这点自不必说，谁不选谁傻x，不选坑自己~
开关机电路设计
对于平时断电的设备，既然平时主要是断电状态，需要时开启，开关机设计必然少不了，接下来介绍一种实用的开关机电路。（关于此电路的详细解析，可参看：一种简单可靠的开关机电路设计）
AD采集电路设计
电池供电，电量的提示就很重要，如果说智能锁电池没电了，用户竟然一无所知，那不得骂娘，好好的一扇门，非要砸个窟窿才能进~
如果想要比较精确的采集电池电量，那一定是首选电量计，可是啊~设计者一切不得为了资本服务，为了节约成本，大家都懂得，有的厂家还是会采用简单的AD采集，根据电池放电曲线大概估算电量。
说到这里，来看一看，电池的放电曲线是怎样的呢？
电池供应商一般会提供给客户某款电池放电曲线，下面是某厂家提供的2016纽扣电池的放电曲线，其他电池其实也类似，可以明显的看到，新电池的“富裕电压”其实降得是非常快的，然后会进入一段非常长的“平缓期”，电池电量放的差不多的时候，又开始进入“快速衰老”期，可以看到，电量跟电压并没有什么严格的比例关系。
既然没有严格的比例关系，那如何根据电压来“计算（估算）”电量呢，负责的厂家会真枪实弹的做放电测试（谁知道厂家提供的是不是真实的呢），大量测试后，大概得出一个算法来模拟电压与电量的“近似关系”，根据电压大概估算电量，或者根据使用时间及次数，每次使用的功耗等，计算得出剩余电量。
所有这种都是“不太准确的”，但是只要能在彻底MCU“死掉”之前提醒用户换电池或者充电即可，我提醒了，你没换，那关我什么事~
言归正传，AD采集也需要做一些处理，如下图，这个电路分情况，在断电的设备情况下，这个电路是没问题的，但可能不是最好的，要注意，不能直接接在电池端，要接在受控的电源端，如果直接接在电池端，这两个电阻会一直耗电。
再来看一个AD采集的电路设计，如下图，相比于上面的设计，这个设计有什么好处呢？这个设计电压是可控制的，那只需要在采集的时候开启就可以了，采集完MCU控制关闭，相比于上面的电路，虽然多了几个器件，但在不需要的时候可以随时关闭，能够有效降低功耗，这种设计在不断电的设备中是要明显优于第一种设计的，因为电池是有一段“平稳期”的，1秒采集一次和1天采集一次可能都没有区别，所以降低采集频率，不需要的时候，把电源断开即可，很实用。
模块电源加控制
这点类似于上面的AD采集带电源控制，稍微改一下即可，物联网设计中可能会用到各种各样的模组。信息上报不频繁的情况下，可能1天几次或者几天1次，这时候可以考虑，是不是可以不用的时候把电源断掉，当然要考虑上电重新连接所花费的功耗与休眠状态下所花费的功耗，二者取其优，功耗差别不大的情况下，我觉得休眠是好的选择，毕竟频繁开关机会对模组有影响。
避免IO漏电
“漏电”是什么意思呢？漏水大家一定熟悉吧，容器开了个口，水往低处流嘛，一样的道理，MCU与模组或者与其他芯片之间免不了要进行通讯，拿最基本的串口来说，下面表格的连接方式通讯肯定没问题…
但是考虑一下，如果一个MCU不需要工作，下电以降低功耗之后会发生什么事情？
主MCU的RX一般会保持高电平以等待串口下降沿的到来，直连之后，这个高电平便会“漏电”到你下电的MCU，引起功耗的增大，设计中要避免这种IO直连的设计。
TX
RX
RX
TX
GND
GND
以上这种情况，可以采用信号隔离的方式处理，方法也很多种，简单介绍一种：
不需要工作时候，隔离芯片是没有电的，需要使用的时候，供电即可。
硬件设计小结
关于硬件的设计是方方面面的，大家伙一定要注意硬件设计上的低功耗考虑，成熟的电路也越累越多，小飞哥列举的不过皮毛，欢迎大家一起交流更多好的方案与考虑。
软件设计
低功耗从硬件上能够解决一部分，但单纯依靠硬件肯定是不行的，需要软件的密切配合，才能达到最好的效果。
软件设计通常需要考虑一下几种情况
GPIO引脚的模式配置
对于GPIO的模式，就拿STM32来说，模式多达8种，4种输入，4种输出，那应该配置为什么模式，系统功耗才会比较低呢？
仅讨论产品休眠模式下，GPIO的配置，正常工作按照需要该怎么配置就怎么配置就可以了~
对于没有用到的GPIO，需要配置为模拟输入状态
从中，可以看到有个选项，意思是，为了省电，不用的GPIO可以配置为模拟输入模式。
前面说了模式那么多，为什么选择模拟输入模式呢？
模拟输入模式：信号从左边编号1的端口进入，从右边编号2的一端直接进入ADC模块。这里我们看到所有的上拉、下拉电阻和施密特触发器，均处于断开状态，因此“输入数据寄存器”将不能反映端口上的电平状态，也就是说，模拟输入配置下，CPU不能在“输入数据寄存器”上读到有效的数据。
用到的IO同样需要关注，先来看一个由于IO配置不正确导致的功耗问题。
休眠模式一般能通过专门设计的唤醒引脚或者中断触发唤醒，例如，通过串口中断唤醒MCU，进而通讯获取数据等，由于串口协议起始位是低电平，所有MCU的RX要保持高电平才能更好地检测到数据，但如果仅仅是设置了输入模式，恐怕还不够，对比一下下面的配置结果：
仅仅配置了输入模式，硬件设计无上拉，软件未配置上拉，结果电流测出来有29uA，而正确的电流应该在0.7uA以下
再来看配置为上拉输入之后，电流降为0.63uA，恢复正常。
对于比较简单的MCU来说，GPIO模式可能比较少，并没有模拟输入的配置，设置下拉配置也没有，只有上拉，那也不用慌，对于此类MCU，可以配置为输入上拉或者输出低模式，输入上拉肯定没问题的，但是配置为输出低的时候要注意了，看下图：
此时若配置为了输出低，会产生什么结果？WC，竟然多了VCC/R6的消耗，很明显，此时配置输出低是不合适的，若外部无连接，配置输出低是没问题的。
关于GPIO的配置还有很多，要参考具体的外设进行适当的配置。
关掉不需要的外设
在休眠状态下，除了保留必要的功能外，应该关掉所有不需要的外设的时钟源，避免造成额外的功耗消耗。
降低时钟频率
时钟频率越高，必然会带来更高的能量消耗，能量守恒嘛，干活快，消耗的能量肯定大。可以降到够MCU“活着”就行了，拿出大学考试，“60分及格，多1分浪费”的精神。
在工作中还要学会频率的切换，比如有大数据需要运算，运算的时间要尽可能短以便及时响应，此时，就必须把频率切换到越高越好，但是计算完，比如是要显示出来计算结果，那刷屏速率，能满足即可，过高的频率反而会增加功耗。
下面是的一个功耗表，可以看到，不同频率下的功耗差异还是很大的。
模式切换
此图与下面描述无关
MCU是设置了好几个工作模式的，在合适的模式下做合适的事情，是低功耗设计的一大特点。
来看看STM32的几个模式及功耗：
可以看出，频率相同下，模式不同，功耗差异巨大，同一模式下，频率不同，功耗也有很大不同。
