ESP32 测试（五）： Light-sleep 模式下的电流功耗测试及特性(使用 Wi-Fi)

一. 测试目的

开发人员经常提出建议 ESP32 Light-sleep 本文将在连接模式下测试电流功耗问题 Wi-Fi 的情况下 Light-sleep 模式下的 ESP32 电流功耗。

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二. 测试环境

采用以下测试环境，确保测试结果的一致性：

• esp-idf 最新的 esp-idf release 版本为 v4.1.将使用该版本进行相应的测试 commit 为 70794a0.可通过以下命令确认：

  git log --oneline -1 

  结果为:

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

• toolchain 版本 gcc version 8.2.0 (crosstool-NG esp32-2019r1)可通过以下命令确认:

  xtensa-esp32-elf-gcc -v 

  结果为(log 如果太长，只需要注意最后一部分。如下):

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

• 测试主机 Linux 环境，Ubuntu 16.04 LTS，其选择其他平台。

• 开发板 ESP32-WROOM-32D 其他基于开发板的开发板可以选择 ESP32 的开发板。

• 测试示例 esp-idf 里的 Power_save 示例。

• 测试工具 Tektronix MDO3104 示波器 或 Agilent 34401A 使用相关的电流测量工具可以使用数字万用表。

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三. 测试步骤

在这次测试中使用 esp-idf 里的 power_save 用例。

1. 接入电流表 将万用表调整到电流表模式进行测量 Vcc 导线的电流可以连接到导脚上。

2. 固件烧写和串口监控 首先你需要 下载并配置esp-idf，配置完成后，您需要输入以下指令：

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

   在 menuconfig 界面，您需要设置连接AP的 SSID 和 password，你也可以在 menuconfig 里将 ESP32 调整到单核模式。然后可以操作以下指令进行固件烧录和串口监控:

   make flash monitor 

   当你看到串口监控工具时 Wi-Fi 电流功耗测试可在连接成功时进行。

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四. 测试结果

运行此示例，成功连接 AP 之后，工作站将定期在活动状态和睡眠状态之间切换。RF、PHY 和 BB 关闭以减少功耗。站可以在调节解调器的休眠模式下 AP 保持连接。站在最小调制解调器的睡眠模式下唤醒每一个 DTIM 接收信标。 测试得到在 Light-sleep 模式下的最小功耗电流是 0.90 mA ，平均功耗电流为 5.0 - 8.0 mA 。每隔 300 ms 每次脉冲持续时，都可以观察到脉冲 10 ms ，此时 ESP32 定期在活动和睡眠之间切换。

以下是测试结果：

测量参数	参数数值
最低电流功耗	0.9 mA
平均电流功耗	5.0-8.0 mA
定期发包的(AP)的周期	300 ms
发包时产生的脉冲时间长	10 ms

这里也能从 log 获取以下信息：

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

其中：

• beacon interval：信标间隔，为 307.2 ms ,这与表格中定期合同的周期相匹配。
• DTIM：是delivery traffic indication message，一个 DTIM period 决定隔多久一个 beacon 帧中会有一个 DTIM 而这个 period 每一个都包含值 beacon 帧里面。当 DTIM period = 一、表示每隔一个 Beacon 时间间隔，AP 发送所有临时缓存的数据包。

注：手工焊接不如集成 ESP32-WROOM-32D 部分开发板 GPIO 未被禁用可能导致测量结果不准确。

五. 总结

通过上述方法可以测量 ESP32 在连接 Wi-Fi 时的 Light-sleep 对于模式下的电流功耗，用户可以选择使用上述方法来处理自己 ESP32 测试电流功耗。

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六.相关知识附录

0. ESP32 的 Light-sleep 模式特性

Light-sleep 该模式是另一种省电模式。在 Light-sleep 在模式下，数字外设和大多数 RAM 由时钟门控制，电源电压降低，但 RTC 以及存储器和外设 ULP 协处理器仍在运行。任何唤醒事件(MAC 、主机、 RTC 定时器或外部中断)会唤醒芯片。可以使用多种唤醒源从轻度睡眠模式唤醒。当触发任何源时，芯片都会被唤醒。可以使用 esp_sleep_enable_X_wakeup API 可使用唤醒源 esp_sleep_disable_wakeup_source() API 禁止唤醒源。

从 Light-sleep 退出模式后，外围设备和 CPU 恢复运行，保留其内部状态。通过调用 esp_err_t esp_light_sleep_start() ，可以进入应用程序 Light-sleep 模式。

此外，还可以使用应用程序 esp_sleep_pd_config() API 强制 RTC 外设和 RTC 存储器的特定断电模式。

1. WiFi/BT 与 Light-sleep 模式

在进入 Light-sleep 在模式之前，应用程序必须调用以下函数 esp_bluedroid_disable()，esp_bt_controller_disable()，esp_wifi_stop() 禁用 Wi-Fi 和 BT。 即使不调用这些功能，也不会 Light-sleep 模式中保持 Wi-Fi 和 BT 连接。

2. 唤醒源

您需要使用召唤源来将 ESP32 从 Light-sleep 模式中唤醒，以下是相关唤醒源的介绍。

• 1. 定时器 ESP32 里的 RTC 控制器具有内置定时器，可用于在预定义的时间后唤醒芯片。时间精度为 μs ，但实际分辨率取决于为 RTC SLOW_CLK 选择的时钟源。有关 RTC 时钟选项的详细信息，请参见 ESP32 技术参考手册。

  注：此唤醒模式不需要在睡眠期间打开 RTC 外围设备或 RTC 存储器。

• 2. Touch pad RTC IO 模块包含触摸传感器中断时触发唤醒的逻辑。你需要在芯片开始睡眠之前配置触摸传感器。 当 RTC 外设未被强制上电时，即 ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH 应设置为 ESP_PD_OPTION_AUTO esp_sleep_enable_touchpad_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。

• 3. External 唤醒(通过 EXT0) RTC IO 模块包含当其中 一个 RTC GPIO 的电平为预定义的逻辑电平时触发唤醒的逻辑。RTC IO 是 RTC 外设电源域的一部分，由于在此模式下启用了 RTC IO 模块，因此也可以使用内部上拉或下拉电阻。在调用esp_sleep_start() 之前，需要使用 rtc_gpio_pullup_en() 和 rtc_gpio_pulldown_en() 函数由应用程序配置它们。esp_sleep_enable_ext0_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。从睡眠状态唤醒后，用于唤醒的 IO pad 将被配置为 RTC IO。在将此 pad 用作数字 GPIO 之前，请使用rtc_gpio_deinit(gpio_num) 函数重新配置它。

• 4. External 唤醒(通过 EXT1) RTC 控制器包含使用 多个 RTC GPIO 触发唤醒的逻辑。两个逻辑功能之一可用于触发唤醒：

  如果任何所选引脚为高电平，则唤醒（ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH） 如果所有选定的引脚都为低电平，则唤醒（ESP_EXT1_WAKEUP_ALL_LOW）

  该唤醒源由 RTC 控制器实现。因此，RTC 外设和 RTC 存储器可以在此模式下断电。但是，如果 RTC 外设断电，内部上拉和下拉电阻将被禁用。要使用内部上拉或下拉电阻，请在睡眠期间请求 RTC 外设电源域保持开启，并在进入睡眠模式之前使用 rtc_gpio_ 函数配置上拉/下拉电阻：

  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() 函数可用于启用此唤醒源。

  从睡眠状态唤醒后，用于唤醒的 IO pad 将被配置为 RTC IO。在将此 pad 用作数字 GPIO 之前，请使用 rtc_gpio_deinit(gpio_num) 函数重新配置它。

• 5. ULP 协处理器唤醒 ULP 协处理器可以在芯片处于睡眠模式时运行，并且可以用于轮询传感器，监视 ADC 或触摸传感器值，并在检测到特定事件时唤醒芯片。ULP 协处理器是 RTC 外设电源域的一部分，它运行存储在 RTC 慢速存储器中的程序。如果请求此唤醒模式，RTC 慢速内存将在睡眠期间启动。在 ULP 协处理器开始运行程序之前，RTC 外设将自动上电; 程序停止运行后，RTC 外设将再次自动关闭。

  当 RTC 外设未被强制上电时（即 ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH 应设置为 ESP_PD_OPTION_AUTO），ESP32 的修订版 0 和 1 仅支持此唤醒模式。

  esp_sleep_enable_ulp_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。

• 6. GPIO 唤醒 除了上面描述的 EXT0 和 EXT1 唤醒源之外，在轻度睡眠模式下还有一种从外部输入唤醒的方法。通过该唤醒源，每个引脚可以单独使用 gpio_wakeup_enable() 函数配置为高电平或低电平唤醒。与 EXT0 和 EXT1 唤醒源（只能与 RTC IO 一起使用）不同，此唤醒源可用于任何 IO（RTC 或数字）。

  esp_sleep_enable_gpio_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。

• 7. UART 唤醒 当 ESP32 从外部设备接收 UART 输入时，通常需要在输入数据可用时唤醒芯片。UART 外设包含一项功能，当看到 RX 引脚上的一定数量的上升沿时，可以将芯片从轻度睡眠状态唤醒。可以使用 uart_set_wakeup_threshold() 函数设置此上升沿数。请注意，唤醒后 UART 不会接收触发唤醒的字符（及其前面的任何字符）。这意味着外部设备通常需要在发送数据之前向 ESP32 发送额外字符以触发唤醒。

  esp_sleep_enable_uart_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。。