STM32嵌入式系統在許多控制領域有著廣泛的應用。STM32是一款基于Cortex-M3內核的微控器，該控制器在性能和成本以及低功率操作和硬實時控制方面設定了新的標準。

盡管市場上已有多種溫濕度采集系統，但具有低功耗且自帶數據記錄功能的采集器較少，并且費用較高。本文中采用STM32F103RET6設計了溫濕度采集系統。該系統工作時間長約30天，低功耗模式采用了停止模式實現，溫濕度傳感器使用SHTIO溫濕度傳感器。結合實際使用環境，采集周期為5分鐘。采用18650鋰電池供電，具有SD卡存儲功能，且能實現USB全速通信和串口通信。

1、溫濕度采集器設計

1.1、硬件設計

采集器的結構框架如圖l所示，主要有供電模塊，USB全速通信模塊，STM32芯片，SD卡存儲模塊，溫濕度傳感器，串口通信模塊，JTAG在線調試模塊組成。

圖1 ?系統硬件組成示意圖

考慮體積因素，系統采用18650充電鋰電池供電，單節2400mah電池充滿電后可以工作2個月左右時間。

STM32以合秦公司的HT7333降壓模塊供電。通過RTC實時時鐘控制，每5分鐘喚醒一次，進行數據采集。以自定義的通信協議通過SHT10溫濕度傳感器獲取數據。采集到的溫濕度數據以16進制形式寫入SD卡。SD卡中的數據可以經由串口通信模塊和USB全速通信模塊導出，也可以直接由SD卡讀出。

1.2、SHT10溫濕度傳感器通信時序

SHT10溫濕度傳感器的通信時序如圖2所示。

圖2 ?SHT10時序圖

傳感器以不小于1V/ms的上電速率供電后，首先進入11ms的休眠狀態，在此期間不允許對傳感器發送任何指令。當準備傳輸數據時，需用一組“啟動時序”完成數據傳輸的初始化。該啟動時序為：當SCK時鐘為高電平時，DATA翻轉為低電平，緊接著SCK變為低電平，隨后在SCK時鐘高電平時，DATA翻轉為高電平。后續命令包含三個地址位和五個命令位。傳感器接收到命令后，會在第8個SCK下降沿后將DATA下拉為低電平（ACK位）。在第9個SCK下降沿后，釋放DATA，將其恢復為高電平。

其5位的命令集如表1所示。

表1 ?SHT10命令集

在“啟動時序”發送溫濕度測量的命令（00000101表示相對濕度，00000011表示溫度）后，控制器等待測量結束。過程大約為20/80/320ms，分別對應8/12/14bits測量。傳感器通過下拉DATA至低電平并進入空閑模式表示測量結束。控制器在再次出發SCK前必須等待“數據備妥”信號讀取數據。溫濕度數據可以先被存儲，這樣控制器可以繼續指向其他任務，在需要時再讀出數據。

接著傳輸2個字節的測量數據和1個字節的CRC奇偶校驗。傳感器下拉DATA為低電平，以確認每個字節。所有數據從MSB開，右值有效。收到CRC確認位之后，表示通訊結束。若不使用CRC-8校驗，過保持ACK高電平終止通訊。測量和通訊完成后，傳感器進入休眠模式。

1.3、通訊接口配置

溫濕度傳感器與STM32的GPIOBPIN6和GPIOBPIN7連接，其中PIN6為時鐘通訊端口，PIN7為數據通訊端口。STM32的PIN6腳為傳輸速度50MHz的推挽輸出，PIN7腳為傳輸速度50MHz的推挽輸入輸出模式（接受數據時為輸入，發送應答指令時為輸出）。

“啟動時序”通過寫SHT10的SCK和DATA實現。先將PIN7腳配置為推挽輸出，速率為50MHz，然后通過拉低SCK時鐘，拉高SCK，拉低DATA，拉低SCK，拉高SCK，拉高DATA，拉低SCK的順序進行操作，操作之間設置一段延遲。在“啟動時序”完成后，通過寫0x03和0x05來實現發送命令，進行溫度測量和濕度測量。

2、時鐘系統及功耗測試分析

2.1、STM32的時鐘系統

時鐘系統正常工作是使STm32及其外設正常運行的前提，且系統時鐘頻率及外設時鐘頻率配置的高低對采集器耗電量有著很大影響。STm32有內部RC振蕩器，其能夠為內部提供PLL時鐘，可以達到微控器最高頻率72MHz的要求。但是內部時鐘不及外部晶振準確和穩定，所以在溫濕度采集系統中選用了外部時鐘源，這個外部時鐘源被稱為外部高速振蕩器（HSE）。外部時鐘源用來為Cortex處理器和STM32外設提供時鐘。由于內部PLL時鐘是用整數值乘以HSE振蕩頻率，因此外部時鐘頻率需能被72MHz。實際采集系統中選用了振蕩頻率為8MHz的晶振。

其中外部晶振HSE振蕩后，產生8MHz的時鐘信號，經PLL鎖相環9倍頻后至72MHz。系統時鐘以72MHz運行，并將APBI外設時鐘配置為系統時鐘的2分頻，將APB2外設時鐘配置為系統時鐘的1分頻。

2.2、功耗測試分析

STM32芯片電源供電框圖如圖3。

圖3 ?STM32芯片電源框圖

溫濕度采集器選用4.2v單節鋰電池供電，鋰電池容量約為2600mah。由于鋰電池電壓輸出大于芯片供電電壓，且鋰電池使用過程中電壓不斷波動變化，影響數據采集準確性。故采集器中選用了降壓模塊，將電壓降且穩定至3.3V，為芯片和外設供電。

該芯片轉換效率約為90%，通過估算方式可得其在3.3V供電時容量約為3000mah。當系統時鐘運行在最高速72MHz時，用萬用表測量采集系統電流約為100ma。待鋰電池充滿電后進行測試，采集周期5分鐘。STM32每次將測量獲得的溫度數據、濕度數據通過SDIO接口協議寫入SD卡中。該狀態下采集時間約為26小時。由此可知，未使用低功耗模式的采集系統耗電量較大。該試驗要求的密閉環境中進行采集時，不能滿足長時間持續工作的設計要求。

3、低功耗模式的實現

3.1、STM32的低功耗模式

STM32共有睡眠、停止以及待機三種低功耗工作模式：

a、睡眠模式：默認情況下，當一個WFE指令或WFI指令被執行時Cortex處理器將停止內部時鐘，并停止執行應用程序代碼。該模式下，STM32其余部分將繼續運行。當某個外設產生一個中斷時，其將退出睡眠模式。理論上，若STM32首先禁用所有外設時鐘（除了喚醒Cortex的外設以外），再到HSI振蕩器，且將HSI時鐘頻率1MHz一下，可將功耗降低至大約為5ma。

b、停止模式：停止模式是Cortex-M3的深睡眠模式基礎上結合了外設的時鐘控制機制。在停止模式下，電壓調節器可以運行在正常或者低功耗模式。此時1.8V供電區域的所有時鐘被停止。PLL、HSI和HSE振蕩器功能被禁。本采集器采用停止模式實現低功耗工作。該模式下，WFI或WFE指令的執行將停止Cortex處理器，并且關閉HSE和HSI振蕩器。停止模式下，任意的外部中斷都會將STM32喚醒。

c、待機模式：待機模式可實現系統最低功耗，該模式是在Cortex-M3睡眠模式時關閉電壓調節器，整個1.8V供電區域被斷電。PLL、HIS和HSE振蕩器也被斷電。SRAM和寄存器內容丟失，只有備份的寄存器和待機電路維持供電。可以使用RTC鬧鐘喚醒待機模式，也可以使用外部STM32復位或獨立看門狗復位喚醒，也可以通過PORTA引腳0的上升沿退出待機模式，但是該引腳必須被配置為喚醒引腳WAKEUP。相應的，該模式退出時間花費最長，約為50us。

3.2、低功耗停止模式的軟件實現

首先使能電源控制時鐘和RTC后備寄存器時鐘，之后使能RTC和后備寄存器訪問。通過查血RTCCR寄存器中的RTOFF狀態位，判斷RTC寄存器是否處于更新中。當且僅當RTOFF狀態位為“1”時，方可寫入RTC寄存器。RTC寄存器配置過程如圖4。

圖4 系統軟件流程圖

3.3、對比測試分析

在未開啟低功耗停止模式下，取滿電的2600mAh鋰電池進行電量測試，采集要素為戶外溫濕度環境。采集數據過程中對電池電流進行測試，電流為103mAh。采集點數為316個點，即采集了26小時20分鐘。試驗測試采集的數據如圖5所示。

圖5 ?未開啟低功耗的采集數據

在開啟低功耗停止模式下，取滿電的2600mAh鋰電池進行電量測試，采集要素也為戶外溫濕度環境。采集數據過程中對電池電流進行測試，低功耗模式下電流為4mA，喚醒啟動時，工作電流為54mA。試驗開始10天后，測試電源電壓。電壓顯示為3.96V，這表明10天后溫濕度采集器仍在工作。讀取SD卡數據。采集點數為2936個點，即采集了10天4小時40分鐘。試驗測試采集的數據如圖6所示。

圖6 ?開啟低功耗采集的數據

按電壓每天下降0.3V速度計算，當電壓下降的工作下限3.35V時，其工作時間約為60天。可以滿足長時間工作需要，達到設計要求。

4、結語

介紹了基于STM32F03RET6的低功耗溫濕度采集系統的設計原理，簡述了SHTIO溫濕度傳感器通訊配置，并給出了“啟動時序”的部分程序實例。描述了STM32的低功耗模式，并予以實現。通過實際測試，發現低功耗模式可以使其工作周期延長接近25倍。實現了長時間連續采集的設計要求。該低功耗方法適用于其他STM32控制系統，具有較大意義。