LowPower: DeepSleep Quadrature Encoder¶
1 功能概述¶
本例程是基于 Zephyr Shell 的正交编码波形发生器（Quadrature Encoder），用于通过 GPIO 输出 SoC QDEC 硬件模块可识别的正交编码波形，支持正向和反向两种波形。
2 环境准备¶
硬件设备与线材：
PAN1080 EVB 核心板与底板各一块
JLink 仿真器（用于烧录例程程序）
逻辑分析仪（本文使用 Kingst LA1010 逻辑分析仪进行演示）
USB-TypeC 线一条（用于底板供电和查看串口打印 Log）
杜邦线数根（用于连接各个硬件设备）
硬件接线：
将 EVB 核心板插到 EVB 底板上
使用 USB-TypeC 线，将 PC USB 插口与 EVB 底板 USB->UART 插口相连
根据核心板芯片的型号，选择对应的 UART Log 线接法:
若核心板芯片为 QFN32 或 LQFP64 封装，则使用杜邦线或跳线帽将 EVB 底板上的 TX0 引脚与核心板上的 P00 引脚相连， EVB 底板上的 RX0 引脚与核心板上的 P01 引脚相连
本例程暂不支持封装为 QFN48 的核心板
使用杜邦线将 JLink 仿真器的：
SWD_CLK 引脚与 EVB 核心板的 P46 引脚相连
SWD_DAT 引脚与 EVB 核心板的 P47 引脚相连
SWD_GND 引脚与 EVB 核心板的 GND 引脚相连
将 LA1010 硬件的：
USB 接口连接至 PC USB 接口
CH0 引脚连接至 EVB 底板的 P30 引脚（输出正交编码波形 Signal A）
CH1 引脚连接至 EVB 底板的 P31 引脚（输出正交编码波形 Signal B）
PC 软件:
终端工具（SecureCRT），波特率 921600（用于接收串口打印 Log）
Kingst VIS（LA1010 逻辑分析仪上位机软件）
3 编译和烧录¶
例程位置：zephyr\samples_panchip\low_power\deepsleep_quadrature_encoder
使用 ZAL 工具可以对其进行编译、烧录、打开 VS Code 调试等操作。关于 ZAL 工具的详细介绍请参考：Zephyr APP Launcher 工具介绍。
4 例程演示说明¶
使用 ZAL 工具将编译后的例程烧录至芯片，程序运行成功后可在串口终端上看到如下 Shell 界面：
Zephyr Shell 主界面¶
Shell 界面下：输入
help命令可以查看帮助信息；按Tab键可以列出所有实现的 Shell 命令。打开逻辑分析仪上位机软件，将通道 0 配置为上升沿触发，然后启动采样
在 Shell 界面输入命令
qenc forward 10，输出 10 个正向相位变化的正交编码波形：
正交编码波形正向变化 10 个相位¶
由波形图可看出，正交编码波形输出了两路信号，其中 Signal A 比 Signal B 超前了 90° 相位（1/4 周期），且每 1ms 总有一路信号会发生一次相位变化，共产生了 10 次相位变化后停止。
在 Shell 界面输入命令
qenc backward 15，输出 15 个负向相位变化的正交编码波形：
正交编码波形负向变化 15 个相位¶
由波形图可看出，正交编码波形输出了两路信号，其中 Signal A 比 Signal B 延后了 90° 相位（1/4 周期），且每 1ms 总有一路信号会发生一次相位变化，共产生了 15 次相位变化后停止。
当停留在 Shell 命令界面超过 5 分钟没有执行
qenc命令后，系统自动进入 DeepSleep 低功耗状态：
操作超时进入 DeepSleep 低功耗状态¶
此时按 EVB 底板上的 WKUP 唤醒按键，可以将系统重新唤醒，唤醒后可以正常执行 Shell 命令：
将系统从 DeepSleep 低功耗状态下唤醒¶
5 开发者说明¶
5.1 App Config 配置¶
本例程的 App Config（对应 prj.conf 文件）配置如下：
# Low Power
CONFIG_PM=y
CONFIG_BT_CTLR_SLEEP_CLOCK_SOURCE=1
# Enable GPIO Input Sentinel
CONFIG_PM_GPIO_INPUT_SENTINEL=y
# Enable Zephyr Shell
CONFIG_SHELL=y
CONFIG_SHELL_CMDS=n
CONFIG_KERNEL_SHELL=n
CONFIG_DEVICE_SHELL=n
CONFIG_DEVMEM_SHELL=n
# CONFIG_SHELL_MINIMAL=y
# CONFIG_SHELL_STACK_SIZE=1024
# Enable DC/DC
CONFIG_SOC_DCDC_PAN1080=y
其中：
CONFIG_PM=y：使能低功耗流程CONFIG_BT_CTLR_SLEEP_CLOCK_SOURCE=1：低功耗时钟相关配置（目前必须固定配置为1）CONFIG_PM_GPIO_INPUT_SENTINEL=y：开启 GPIO 输入电平检测功能，开启后当系统试图进入 DeepSleep 模式时，会先检查当前是否有使能中断的 GPIO，若有，则接着检查其输入电平是否与中断配置冲突，若冲突则阻止系统进入 DeepSleep 模式此处 “输入电平与中断配置冲突” 的含义是：中断配置为下降沿触发而此时输入电平已经为低电平，或者中断配置为上升沿触发而此时输入电平已经为高电平； PAN1080 SoC 的低功耗模式不支持这种冲突情况，因此在配置 GPIO 唤醒的时候为安全起见可将此开关打开。
CONFIG_SHELL=y：使能 Zephyr Shell 框架CONFIG_SHELL_CMDS=n：不使能 Zephyr Shell 机制相关的命令，如history、resize等CONFIG_KERNEL_SHELL=n：不使能 Kernel 相关的 Shell 命令CONFIG_DEVICE_SHELL=n：不使能 Device 相关的 Shell 命令CONFIG_DEVMEM_SHELL=n：不使能 DevMem 相关的 Shell 命令CONFIG_SOC_DCDC_PAN1080=y：使能芯片的 DCDC 供电模式，以降低芯片动态功耗
5.2 App DeviceTree 配置¶
本例程的 App DeviceTree（对应 app.overlay 文件）配置如下：
&uart1 {
status = "disabled";
};
&clk_xtl {
/* Frequency of XTL clock, DO NOT CHANGE THIS ITEM */
clock-frequency = <32768>;
/* Enable/Disable the external 32768 Hz low speed crystal oscillator */
status = "disabled";
};
&clk_rcl {
/* Frequency of RCL clock, DO NOT CHANGE THIS ITEM */
clock-frequency = <32000>;
/* Enable/Disable the internal 32 KHz Low Speed RC */
status = "okay";
};
&dpll {
/* f(dpll_output) = f(dpll_input) / clock_div * clock_mult */
clocks = <&clk_xth>;
clock-div = <2>; /* Fixed to 2 */
clock-mult = <4>; /* Can be 3 (48MHz) or 4 (64MHz) */
status = "okay";
};
&rcc {
clock-names = "clk_system", "clk_slow";
clocks = <&dpll &clk_rcl>;
clock-frequency-system = <DT_FREQ_M(64)>;
clock-frequency-slow = <32000>;
ahb-prescaler = <1>;
apb1-prescaler = <1>;
apb2-prescaler = <1>;
};
其中：
将 uart1 的
status属性配置为disabled以禁止系统上电后初始化 uart1 设备，确保不会因为 uart1 的引脚配置产生 IO 漏电将 clk_xtl 的
status属性配置为disabled以禁用 32768Hz XTL 低速晶振（此为 SDK 默认配置）将 clk_rcl 的
status属性配置为okay以打开 32kHz RCL 内部低速时钟（此为 SDK 默认配置）将 dpll 的
clock-mult属性配置为4以将 DPLL 时钟输出配置为 64MHz（此为 SDK 默认配置）将 rcc 的：
clocks属性的第 1 项（clk_system）配置为dpll以将系统高速时钟（AHB 总线时钟）源选择为 DPLL 时钟（此为 SDK 默认配置）clocks属性的第 2 项（clk_slow）配置为clk_rcl以使系统使用 32kHz RCL 内部低速时钟（此为 SDK 默认配置）clock-frequency-slow属性配置为32000以告诉系统当前使用的低速时钟频率为 32000 Hz（此为 SDK 默认配置）
5.3 程序代码¶
5.3.1 主程序¶
主程序 main() 函数内容如下：
void main(void)
{
/* Get pinmux device handle */
pinmux = device_get_binding("PINMUX");
if (pinmux == NULL) {
printk("get device PINMUX error!\n");
return;
}
/* Init WKUP button (GPIO P56) */
wakeup_gpio_key_init();
/* Init Simulated Quadrature Encoder IOs */
quadrature_phase_signal_simulator_init();
/* Init kernel timer to trigger soc entering deepsleep mode */
k_timer_init(&deepsleep_trigger_timer, timer_expired_cb, NULL);
k_timer_start(&deepsleep_trigger_timer, K_SECONDS(DPSLP_TIMEOUT_S), K_NO_WAIT);
}
获取 PINMUX 的设备指针，用于后面修改 pinmux 引脚配置的时候使用
在 wakeup_gpio_key_init() 函数中初始化唤醒按键对应的 GPIO 配置
在 quadrature_phase_signal_simulator_init() 函数中初始化模拟正交编码器的 IO 配置
分别使用 OS 提供的 k_timer_init() 和 k_timer_start() 接口，使能一个超时时间为 DPSLP_TIMEOUT_S 的 Kernel Timer，用于超时进入低功耗状态，当 k_timer 超时后，将会执行名为
timer_expired_cb的回调函数，此函数中仅仅置为一个名为deepsleep_timer_expired的标志变量：static void timer_expired_cb(struct k_timer *timer) { deepsleep_timer_expired = true; }
5.3.2 GPIO 初始化程序¶
GPIO 初始化程序 wakeup_gpio_key_init() 函数内容如下：
void wakeup_gpio_key_init(void)
{
/* Enable customized GPIO ISR to override the default one written in zephyr gpio driver */
IRQ_DIRECT_CONNECT(GPIO_IRQn, GPIO_IRQ_PRIO, gpio_irq_handler, 0);
irq_enable(GPIO_IRQn);
/* Set pinmux func as GPIO */
SYS_SET_MFP(P5, 6, GPIO);
/* Set GPIOs to input mode */
GPIO_SetMode(P5, BIT6, GPIO_MODE_INPUT);
CLK_Wait3vSyncReady(); /* Necessary for P56 to do manual 3v sync */
/* Enable internal pull-up resistor path */
GPIO_EnablePullupPath(P5, BIT6);
CLK_Wait3vSyncReady(); /* Necessary for P56 to do manual 3v sync */
/* Wait for a while to ensure the internal pullup is stable before entering low power mode */
SYS_delay_10nop(0x10000);
/* Disable P56 interrupt to avoid trigger in SoC active mode */
GPIO_DisableInt(P5, 6);
}
此函数使用 Panchip HAL GPIO Driver 进行配置
使能 GPIO 中断
配置 P56 引脚的 PINMUX 为 GPIO 功能
将 P56 IO 配置为数字输入模式
开启 P56 引脚的内部上拉电阻
调用 SYS_delay_10nop() 接口，延时一段时间以确保上拉状态文档
关闭 P56 引脚的输入中断使能
5.3.3 GPIO 中断服务程序¶
GPIO 中断服务程序如下：
static void gpio_irq_handler(void)
{
/* Check if WKUP (P56) button pressed */
if (GPIO_GetIntFlag(P5, BIT6)) {
GPIO_ClrIntFlag(P5, BIT6);
printk("\nWKUP key pressed, use <CTRL + C> to evoke the Prompt..\n");
/* Restart kernel timer to schedule another deepsleep waiting flow */
k_timer_start(&deepsleep_trigger_timer, K_SECONDS(DPSLP_TIMEOUT_S), K_NO_WAIT);
deepsleep_timer_expired = false;
}
/* To indicate zephyr to schedule new ready thread if there is */
z_arm_int_exit();
}
检查是否为 P56 引脚触发的中断，如果是，则：
清除 P56 中断标志位
重置 k_timer 计数
将 deepsleep_timer_expired 标志变量置为 flase
执行 z_arm_int_exit() 以通知 OS 当前中断执行完毕，允许 OS 在中断退出后立刻启动线程调度
5.3.4 创建 Shell 自定义命令¶
使用 Zephyr 提供的 Shell 命令注册接口，实现一个名为 qenc 的顶层命令，并在其下分别创建两个子命令 forware 和 backward：
static int cmd_qenc_forward(const struct shell *shell, size_t argc, char **argv)
{
int step = atoi(argv[1]);
shell_print(shell, "QENC go forward %d step(s)..", step);
/* Reschedule dpslp trigger timer to avoid entering deepsleep while we are using this shell command */
k_timer_start(&deepsleep_trigger_timer, K_SECONDS(DPSLP_TIMEOUT_S), K_NO_WAIT);
for (size_t i = 0; i < step; i++) {
quadrature_phase_signal_simulator_state(&sim_qsig_ctx_cntr, SIM_QSIG_STATE_GO_FORWARD);
k_busy_wait(1000);
}
return 0;
}
static int cmd_qenc_backward(const struct shell *shell, size_t argc, char **argv)
{
int step = atoi(argv[1]);
shell_print(shell, "QENC go backward %d step(s)..", step);
/* Reschedule dpslp trigger timer to avoid entering deepsleep while we are using this shell command */
k_timer_start(&deepsleep_trigger_timer, K_SECONDS(DPSLP_TIMEOUT_S), K_NO_WAIT);
for (size_t i = 0; i < step; i++) {
quadrature_phase_signal_simulator_state(&sim_qsig_ctx_cntr, SIM_QSIG_STATE_GO_BACKWARD);
k_busy_wait(1000);
}
return 0;
}
/* Statically init shell command for configuring the simulated Quadrature Encoder */
SHELL_STATIC_SUBCMD_SET_CREATE(qenc_sub_cmd,
SHELL_CMD_ARG(forward, NULL,
"Quadrature Encoder Go Forward.\nExample usage: [ qenc forward"
" 100 ] will trigger the simulated QENC go forward 100 steps.",
cmd_qenc_forward, 2, 0),
SHELL_CMD_ARG(backward, NULL,
"Quadrature Encoder Go Backward.\nExample usage: [ qenc backward"
" 50 ] will trigger the simulated QENC go backward 50 steps.",
cmd_qenc_backward, 2, 0),
SHELL_SUBCMD_SET_END /* Array terminated. */
);
SHELL_CMD_REGISTER(qenc, &qenc_sub_cmd, "Quadrate Encoder used to simulate QDEC input waveform", NULL);
使用 Zephyr 提供的 Shell 命令注册接口注册自定义 Shell 命令：
使用
SHELL_CMD_REGISTER注册一个名为qenc的顶层命令使用
SHELL_STATIC_SUBCMD_SET_CREATE创建 Shell 子命令集使用
SHELL_CMD_ARG分别创建两个带参数的子命令：forward和backward
分别实现两个子命令功能：
forward命令，对应cmd_qenc_forward函数，实现根据输入参数输出正向的正交编码波形功能，并重置 k_timer 计数forward命令，对应cmd_qenc_backward函数，实现根据输入参数输出反向的正交编码波形功能，并重置 k_timer 计数
5.3.5 与低功耗相关的 Hook 函数¶
目前有 3 个与低功耗密切相关的 Hook 函数，它们分别有不同的使用场景：
/*
* Idle thread hook function for doing something before pm flow.
* return true to avoid entering the following pm (low power) flow
* return false otherwise.
*/
bool k_idle_thread_hook(void)
{
if (deepsleep_timer_expired) {
/* Allow entering deepsleep flow */
printk("\n\n%ds timeout, enter deepsleep mode, press WKUP key to resume..\n", DPSLP_TIMEOUT_S);
return false;
} else {
/* Prevent entering deepsleep flow */
return true;
}
}
__ramfunc void z_power_hw_deep_sleep_enter_hook(void)
{
/* Enable P56 interrupt before entering deepsleep */
GPIO_EnableInt(P5, 6, GPIO_INT_FALLING);
#ifdef CONFIG_SERIAL
/* Wait until all UART0 data sending done before entering deepsleep mode */
while (!(UART_GetLineStatus(UART0) & UART_LINE_TXSR_EMPTY)) {
/* Busy wait */
}
/*
* Reset UART PINs to GPIO function and disable digital input path of UART Rx PIN
* to avoid possible current leakage.
*/
pinmux_pin_set(pinmux, PAN_PIN_P00, PAN1080_PIN_FUNC_P00_GPIO);
pinmux_pin_set(pinmux, PAN_PIN_P01, PAN1080_PIN_FUNC_P01_GPIO);
pinmux_pin_input_enable(pinmux, PAN_PIN_P01, PAN_PIN_DIG_INPUT_PATH_DISABLE);
#endif
}
__ramfunc void z_power_hw_deep_sleep_exit_hook(void)
{
#ifdef CONFIG_SERIAL
/* Resume UART PIN Configurations to reenable UART function */
pinmux_pin_set(pinmux, PAN_PIN_P00, PAN1080_PIN_FUNC_P00_UART0_TX);
pinmux_pin_set(pinmux, PAN_PIN_P01, PAN1080_PIN_FUNC_P01_UART0_RX);
pinmux_pin_input_enable(pinmux, PAN_PIN_P01, PAN_PIN_DIG_INPUT_PATH_ENABLE);
#endif
/* Disable P56 interrupt after waking up from deepsleep */
GPIO_DisableInt(P5, 6);
}
Zephyr 有一个优先级最低的 idle 线程，当系统调度到此线程后会立刻触发
k_idle_thread_hook()钩子函数。系统默认实现了一个 weak 属性的k_idle_thread_hook()函数，而在 App 中可以重新实现此函数。若令此函数返回 false，则表示允许程序 run 进 idle 线程后续的低功耗流程中； 而若令此函数返回 true，则表示阻止系统执行 idle 线程的低功耗流程（此情况下程序在 idle 线程中空转）。对于本例程来说，在 main() 函数退出后，由于系统没有其他的 ready 线程等待调度，因此会直接调度至 idle 线程中，继而执行
k_idle_thread_hook()函数，在此 hook 函数中，检查deepsleep_timer_expired变量是否被置为，若是则允许系统进入低功耗流程，否则阻止系统进入低功耗。当程序执行到 idle 线程中低功耗流程的 DeepSleep 子流程中后，会在 SoC 进入 DeepSleep 模式之前执行
z_power_hw_deep_sleep_enter_hook()函数，在 SoC 从 DeepSleep 模式下唤醒后执行z_power_hw_deep_sleep_exit_hook()函数。本例程在
z_power_hw_deep_sleep_enter_hook()函数中：为使 WKUP 按键能正常唤醒系统，使能了 P56 引脚的中断，并将触发条件配置为下降沿
为防止 UART IO 漏电，编写了相关代码以确保在进入 DeepSleep 模式前：
串口 Log 数据都打印完毕（即 UART0 Tx FIFO 应为空）
P00 引脚 Pinmux 功能由 UART0 Tx 切换回 GPIO
P01 引脚 Pinmux 功能由 UART0 Rx 切换回 GPIO，并将其数字输入功能关闭
本例程在
z_power_hw_deep_sleep_exit_hook()函数中：编写了相关代码以恢复串口 Log 打印功能：
P00 引脚 Pinmux 功能由 GPIO 重新切换成 UART0 Tx
P01 引脚 Pinmux 功能由 GPIO 重新切换成 UART0 Rx，并将其数字输入功能重新打开
重新禁止 P56 引脚的中断功能，以防止唤醒状态下按 WKUP 按键也触发 GPIO 中断
6 RAM/Flash资源使用情况¶
Memory region Used Size Region Size %age Used
FLASH: 34396 B 384 KB 8.75%
SRAM: 12256 B 64 KB 18.70%