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

经常会有开发者提出基于 ESP32 Light-sleep 模式下的电流功耗问题，本文将测试在连接 Wi-Fi 的情况下 Light-sleep 模式下的 ESP32 的电流功耗。

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二. 测试环境

为了保证测试结果的一致性，采用以下测试环境:

• esp-idf
  编写本文时，最新的 esp-idf release 版本为 v4.1，将使用该版本进行测试，对应 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 过长，只需要关注最后的这部分。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，可选用其他平台。

• 开发板
  ESP32-WROOM-32D 开发板，可选用其他基于 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 数字万用表，使用相关测电流工具均可。

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三. 测试步骤

此次测试中使用了 esp-idf 里的 power_save 用例。

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1. 接入电流表
   测试时将万用表调至电流表模式，然后测量 Vcc 引脚上连接导线的电流即可。

2. 固件烧写及串口监视
   首先你需要 下载并配置esp-idf，配置完成后你需要输入以下指令：

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

   在 menuconfig 界面，你需要设置需要连接的AP的 SSID 和 password，你也可以在 menuconfig 里将 ESP32 调至单核模式。然后你就可以运行如下指令进行固件烧录及串口监视：

   make flash monitor
   

   在串口监视工具中，当你看到 Wi-Fi 成功连接时，就可以进行电流功耗测试。

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四. 测试结果

运行此示例，在成功连接到 AP 之后，工作站将定期在活动状态和睡眠状态之间切换。在睡眠状态下，RF、PHY 和 BB 被关闭以减少功耗。站可以在调制解调器休眠模式下与 AP 保持连接。在最小调制解调器睡眠模式下，站唤醒每个 DTIM 以接收信标。
测试得到在 Light-sleep 模式下的最小功耗电流为 0.90 mA ，平均功耗电流为 5.0 - 8.0 mA 。每隔 300 ms 可以观测到一个脉冲，每次脉冲持续 10 ms ，此时 ESP32 定期在活动状态和睡眠状态之间切换。

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长	10 ms

这里也能从 log 信息中获得如下信息：

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

其中：

• beacon interval：信标间隔，为 307.2 ms ,这与表格里的定期发包的周期相匹配。
• DTIM：是delivery traffic indication message，一个 DTIM period 决定了隔多久一个 beacon 帧里会包含一个 DTIM 消息，并且这个 period 值会包含在每个 beacon 帧里面。当 DTIM period = 1，表示每隔一个 Beacon 的时间间隔，AP 将发送所有暂时缓存的数据包。

注意：手工焊接，集成度不如 ESP32-WROOM-32D 开发板，部分 GPIO 未被禁用均可能导致测量结果不准确。

五. 总结

通过以上方法，可测出 ESP32 在连接 Wi-Fi 时的 Light-sleep 模式下的电流功耗，用户可选择采用以上方法对自己的 ESP32 进行电流功耗测试。

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六.相关知识附录

0. ESP32 的 Light-sleep 模式特性

Light-sleep 模式是另一种省电模式。在 Light-sleep 模式下，数字外设和大多数 RAM 被时钟门控，电源电压降低，但 RTC 存储器和外设以及 ULP 协处理器仍保持运行。任何唤醒事件(MAC 、主机、 RTC 定时器或外部中断)都会唤醒芯片。可以使用多种唤醒源从轻度睡眠模式唤醒。可以组合这些唤醒源，在这种情况下，当触发任何一个源时芯片将被唤醒。可以使用 esp_sleep_enable_X_wakeup API 启用唤醒源，并可以使用 esp_sleep_disable_wakeup_source() API 禁用唤醒源。

从 Light-sleep 模式退出后，外围设备和 CPU 恢复运行，它们的内部状态得以保留。通过调用 esp_err_t esp_light_sleep_start() ，应用程序可以进入 Light-sleep 模式。

此外，应用程序可以使用 esp_sleep_pd_config() API 强制 RTC 外设和 RTC 存储器的特定掉电模式。

1. WiFi/BT 与 Light-sleep 模式

在进入 Light-sleep 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，也不会在 Light-sleep 模式中保持 Wi-Fi 和 BT 连接。

2. 唤醒源

你需要使用唤醒源来将 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。。