MCU如何灵活配置GPIO使产品功耗更低？

sunsili

MCU如何灵活配置GPIO使产品功耗更低？

    前面的连续多篇文章，我们对开关电源进行了深入的分析和探讨，为产品的供电部分先打下了基础，从本篇开始，我们将进入核心的控制芯片部分，开始对MCU的各个功能模块分别进行专题探讨；我想既然我们是希望通过给大家分享一些实战开发中积累的小技巧，那就不能像教科书一样，围绕MCU的每个功能模块的工作原理来进行说明；我期望每一期都设定一个主题，在介绍一个功能模块的同时，也契合产品设计里一个非常实际的问题来进行探讨，就像本文的标题一样，产品的低功耗设计，是我们作为工程应用设计人员，必须要非常重视的一个设计指标，我们今天就从MCU的GPIO的功能模块开始，以低功耗设计为主题，开启我们的MCU之旅吧。

    MCU的GPIO是它众多功能模块里面最基础的，也是每个电路设计里必用的功能，尤其是在小型的控制电路里，或者一个SOT-23-6封装的MCU，只提供若干个GPIO就已经能满足产品的需求了，因此GPIO口的应用是我们先深入探讨的第一课；我们先从基本的工作模式开始：

（1）输入模式：输入浮空、输入上拉、输入下拉、模拟输入这四种

上图为输入端口的内部逻辑图，当设置为输入浮空时，上、下拉电阻上的开关都是断开的，输入信号通过TTL 触发器进入到输入数据寄存器，并被MCU内核读取；这种情况下，如果MCU外围IO口上没有接线路，则这个管脚就是处于浮空状态的；端口的电平状态不确定，完全受外部输入所影响；这种应用在一些键盘矩阵输入应用里较为常见；但是这个浮空状态因为它的不确定性，在使用时要对你外围电路的电平状态有充分的了解。

    上图设置为输入上拉，则是将IO端口上部的开关闭合，内置1个上拉电阻；这样在IO外部无任何输入信号时，IO的输入状态也是高电平，这就解决了IO状态不确定性的问题。但注意这个上拉电阻阻值是在40~100K的范围里，它的上拉驱动能力是有限的，在使用这个模式对接 类似I2C、1-wire 总线时，这个上拉电阻阻值是偏大的，还是需要在外部单独增加上拉电阻，才能确保信号的稳定性。

    上图设置为输入下拉，则是将IO端口下部的开关闭合，下拉状态将IO的初始状态确定为低电平，阻值跟上拉是一样的，在40~100K的范围里。

    上图设置为模拟输入，这种一般是内部还要接入到ADC的功能模块或COMP比较器、运放等模块，用于模拟量的输入检测，这也是用的比较多的设计，如采用NTC热敏电阻测温电路。

（2）输出模式：开漏输出及上/下拉可配、推挽式输出及上/下拉可配、推挽式复用功能及上下拉可配、开漏复用功能及上下拉可配 这四种模式。

如上图，开漏输出是指PMOS断开（不起作用）情况下，下方的N-MOS管可控制输出开、关；开漏输出的配置非常实用，可以解决MCU工作电平与外部电路电平不匹配的问题，比如MCU的IO口电平为3.3V，而外部被驱动电路为5V供电，也是可以通过开漏输出去驱动的，因为MCU内部的N-Mos管是可以承受5V的电平的；但要注意外部电路灌入N-MOS管的电流需要限制在芯片规格书要求的范围内，通常是15mA上下（具体要仔细看MCU的规格书，千万别超标了）。注意，这个模式里还可以配置上、下拉电阻，但是如果选择了上拉电阻，那它的工作电压就是MCU的VDD了，这点要注意；当你需要明确输出电平的状态为高电平时，可以配置为上拉；如果没有配置上拉，那开漏输出为1时，是得不到高电平的，实际上是IO口浮空状态，也就是这个浮空状态，才有利于我们外部加我们想要的上拉电平，从而实现电平的转换。

上图为推挽输出设置为高电平输出时的信号流，IO端口的上部分的PMOS管导通，下部的NMOS管断开；输出高电平驱动外部电路；推挽输出的驱动能力也是在15mA左右，特殊说明的端口除外；它们也是可以配置上下拉电阻的，但是对于推挽输出模式，上下拉电阻的作用并不实用，反而增加端口的功耗。

上图为推挽式复用功能，它是由片上外设功能模块进行驱动的输出，其他的功能跟普通推挽的原理是一样的；主要是它复用到哪个内部模块里去，比如UART串口、SPI串口等等；他们也都是可以设置上、下拉电阻的；在UART总线上还是有作用的。

    上图为开漏式复用功能，它也是由片上外设模块所驱动，其他部分则跟普通的开漏输出原理一致，也都可以设置上下拉电阻；比如内部连到I2C功能模块，那配置了上拉电阻后，就是可以在端口总线上级联多个I2C的设备进行通信了。

    前面详细说明了GPIO口的工作原理，但都还没有真正进入今天的正题，他们跟低功耗设计有什么关系？其实不然，我们只有深度了解了GPIO口的工作原理才能合理规范的使用它。接下来我们将开发实践中积累的低功耗设计的经验分享给大家：

（1）注意MCU的选型，这个非常重要的，同一个品牌的芯片里也有普通功耗和低功耗的芯片（价格会贵一点点，但是对于整体设计来说，还是值得的）

（2）MCU内部的功能模块，没有用到的，全部关闭；当你只用到一个简单的输出控制，那内部的什么ADC、UART、I2C等等都是不用的，这些在功能模块使能时都可以关闭。

（3）合理设置IO的输入、输出模式；合理设置上拉下拉电阻。这个就是上面花那么大篇幅介绍工作原理的目的。当外部电路初始状态为高，那如果时输入IO口，则不需要再设置上拉；如果是输出属性，则需要把输出设置为高，这样在端口上就不会出现损耗。注意没有使用的端口也是进行初始化配置，让这些端口处于最省电状态。

（4）合理使用GPIO口的休眠、唤醒功能；现在先进一点的arm内核的MCU，都已经具备端口休眠功能，可通过电平或边沿状态变化进行唤醒，这样可以节约MCU运行功耗。

（5）在设计程序时，使用合适的工作主频，决定MCU的功耗水平，并不是主频越高越好，能满足设计的需要即可；另外在设计GPIO口的输入功能时，能使用中断触发的，就不要采用定期查询的方式，定期查询的方式对于MCU的功耗来说肯定是大于中断触发式的。

（6）我们一般在应用GPIO口时，都是用来驱动一些外围电路，最简单的就是LED状态灯，千万别小看这个LED灯的设计，或者一个最基本的设计也会让你多付出 1~2mA的功耗，对于一个超低功耗的设计来说，也是不能忍受的。因此不要忽略每个细节外围电路，在选型LED灯器件时，选择高转换效率的高亮灯，只需要0.5mA就能让它的亮度满足指示所需，而且如果能设计成间歇式指示(如呼吸灯），就不要设计成常亮式指示；这些都是节能的细节设计。

（7）外部功能模块如果不是需要持续工作的电路，都可以采用带控制端的方式，需要时将其打开，不需要时，关闭它的电源。下面举个最常见的一个NTC热敏电阻采样电路的设计：

上图为普通的设计电路，能实现功能，但是这个分压电路在时时刻刻损耗着功率；我们优化成如下：

上图利用一个GPIO口，设置为开漏输出，初始化为开漏输出高，无上下拉，这时候电路是不起作用的，也不会有功率损耗；当需要进行温度采集时，可以将GPIO设置为输出低，这时候，电路起作用了，可以通过GPI去检测ADC的电压；实现对温度的检测，这个电路里省略了中间的一些防护和滤波电路，只是想给大家说明一个节约功耗的机理，希望大家是实际设计电路时能综合全面的考虑问题。

其实低功耗设计，它涉及到MCU及外围电路的全面配合，肯定不只是GPIO这个功能模块所能覆盖的，但是所有的设计理念应该都是贯穿在我们每个设计环节里面的，因此，从小做起，让我们的产品指标更加的优秀，这就是我们开发人员的追求，欢迎各位小伙伴们留下你们宝贵的经验，可以私信交流。

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