Режимы сна ATmega328P: idle, power-down и пробуждение прерыванием

Чердак, ноябрь, узел климата на Uno с кроной в батарейном отсеке. Скетч писал честный: раз в минуту читал датчик, остальное время тикал delay(60000) — вроде бы спит. Крона села за четыре дня. Токометр в разрыве показал сорок миллиамперов и во время пауз: delay не выключает ни одного транзистора, чип честно жжёт полную мощность, просто ничего не делает. Тогда я впервые полез в режимы сна всерьёз, а не «включил и работает».

Вводную я уже получал в уроке про таймеры, watchdog и сон: там был обзор power-down и расчёт батарейного узла. Но между «обзором» и рабочим узлом лежат три вопроса, на которых я обжигался: что именно продолжает жить в каждом режиме, кто и как будит чип и — самое обидное — почему сон чипа не спасает плату в сборе.

Здесь раскладываю оба рабочих режима на детали: idle — спит только ядро, таймеры тикают и millis() живёт; power-down — остановлено всё, кроме пары источников пробуждения. Сравниваем токи с цифрами, а не с ощущениями, собираем скетч сна с будильником по INT0 и отдельно считаем, сколько на самом деле съест Uno, Pro Mini и голый чип.

У ATmega328P шесть режимов сна, но в проектах выжили два. Idle — лёгкий: тактовый генератор продолжает тикать, периферия работает, засыпает только ядро. Просыпается по любому прерыванию — хоть по вашему кнопочному INT0, хоть по тику таймера Timer0, который обслуживает millis(). Для нас это значит: в idle счёт миллисекунд идёт, всё запланированное на millis-планировщик срабатывает по расписанию, а чип между делами отдыхает. Классическая цена: по замерам Ник Гэммона голый чип при 16 МГц и 5 В берёт около пятнадцати миллиампер в работе и около четырёх с половиной — в idle. Втрое меньше, но отнюдь не микроамперы.

Power-down — глухой: остановлены генератор, ядро и почти вся периферия. Будить могут только внешние прерывания INT0/INT1 на D2/D3, прерывание по смене пина PCINT, совпадение адреса на I2C, Reset и watchdog. Даташит обещает десятые доли микроампера на 3 В без сторожа и стабилизатора защиты от провалов питания; со включённым watchdog выходит порядка пяти-семи микроампер — сторож ест большую часть остатка. Разница с idle в тысячи раз, и расплатой выступает функциональность: millis() замер, Serial молчит, любой скетчевый таймер не тикает.

Ещё одна цена, о которой редко пишут: пробуждение не мгновенно. Из idle чип выходит за несколько тактов — по сути мгновенно. Из power-down кварцу нужно раскрутиться заново: даташит отводит на стабилизацию такта миллисекунды, и только потом исполняется ISR. Для пробуждений раз в минуту это неважно, для реакции на кнопку — ощутимо; если счёт времени нужен сразу, это аргумент в пользу idle или гибрида, где редкий будильник даёт сторож, а лёгкая логика дремлет в idle между тиками.

Отсюда главное инженерное решение, которое стоит принять до кода: что должно происходить во сне? Если узлу надо продолжать считать время и мигать по расписанию — idle. Если узел обязан жить на батарейке месяцами и просыпается только по событию — power-down, а расписание переезжает на watchdog или внешний RTC. Мой метеоузел в итоге пошёл вторым путём, и об этом дальше.

Разбор по строкам. set_sleep_mode() просто выбирает режим в регистре, sleep_enable() разрешает засыпание, а реальная остановка происходит в sleep_mode() — команда SLEEP исполняется, ядро замирает на следующей строке. Проснувшись по прерыванию, чип сначала исполняет ISR, потом продолжает со строки после sleep_mode() — поэтому sleep_disable() стоит сразу за ним. Весь шаблон «выбрать режим — разрешить — уснуть — отработать — запретить» ужимается в пять строк, и менять режимы экспериментами можно одной константой: SLEEP_MODE_IDLE вместо SLEEP_MODE_PWR_DOWN.

ISR обязателен, даже если внутри ничего полезного: именно прерывание — механика пробуждения. И флаг в нём помечен volatile, иначе главный цикл не увидит изменения из обработчика — механику этого правила я разбирал в уроке про volatile и краткость обработчика. В ISR не должно быть ни Serial, ни delay: короткий флаг, вся деловая часть — в loop.

Кнопка на D2 — не единственный будильник. Если событие может прийти на любой пин, а не только на D2/D3, спасает прерывание по смене пина: в уроке про PCINT любой ножки чипа я подключал целую гребёнку входов — и она же будит чип из power-down. А если лень возиться с регистрами сна руками, библиотека LowPower делает те же пять строк за вас: цикл «сон восемь секунд по кругу» в ней разобран в отдельном уроке.

Самое дорогое заблуждение новичка в энергосбережении: «заложу сон в скетч — и Uno станет батарейной». На форуме Arduino человек честно замерял: его Uno в работе брала около шестидесяти пяти миллиампер, после перевода в power-down — пятьдесят пять. Минус десять. Весь остальной ток едят не чип: светодиод питания, USB-приёмопередатчик ATmega16U2, линейный стабилизатор с его собственным потреблением. Для платы в сборе это не мелочь, а основная статья расходов.

Итог по железу простой и честный. Uno в батарейном проекте годится, только если рядом большая батарея и сон не нужен. Настоящий батарейный узел — голый чип на макетке, Pro Mini со снятым светодиодом питания и стабилизатором либо отдельная понижающая сборка. На Pro Mini по замерам той же школы экономии уходит от полутора-двух миллиампер в активном режиме на 16 МГц до микроампер во сне после удаления LED и LDO. Как такой узел выглядит целиком, я показывал в проекте метеодатчика на батарейке — там же считается, на сколько месяцев хватает пары АА.

Замерять надо самому, и это несложно: мультиметр в режим миллиампер, плюс питания в разрыв, красный щуп к плюсу батареи, чёрный к пину VIN. Для микроампер переключайтесь в соответствующий диапазон и берите в расчёт, что подключённый по USB USBasp-программатор или монитор порта добавит свой ток — мерьте окончательную сборку.

Три задания. Первое: переведите скетч из урока в SLEEP_MODE_IDLE и убедитесь, что led и Serial продолжают жить, а ток по мультиметру упал втрое-вчетверо — так вы прочувствуете разницу режимов руками, а не по таблице. Второе: добавьте ко сну отключение ADC строкой ADCSRA &= ~_BV(ADEN) перед засыпанием и включение после пробуждения — на power-down эффект почти незаметен, а вот на idle и активном коде экономит около четверти миллиампера.

Третье, расчётное: посчитайте средний ток узла по формуле из урока про таймеры и сон для своего сценария пробуждений — допустим, десять деловых секунд в час — и сравните с показаниями симулятора-модели из этого урока. Когда расчёт и замер сойдутся с точностью до порядка, батарейные проекты перестанут быть лотереей.