【組込み機器の開発】実際に作ってみて「これなら使える！」機器を目指す

RP2040のDORMANT modeを試す

RP2040 Datasheetではdormant modeの消費電流はTypicalで0.18mA、もちろんこれはChip単体での数字ですので、ボードとしての消費電流を把握する必要があります。Seeed XIAO RP2040と構成がほぼ同じのPaspberry Pi Pico Datasheetを調べると、dormant modeでの平均消費電流は0.8mAとのこと。機器に組込むことを考えると1mA以下に出来れば及第点といえるのですが。。

いきなりですが下記が今回試したコードになります。

dormant_test.c

// dormant mode sample for Seeed XIAO RP2040

#undef SHOW_MESSAGE

#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "pico/sleep.h"
#include "hardware/clocks.h"
#include "hardware/rosc.h"

#define LedPinBlue 25 // output: the number of the LED pin of Blue
#define LedPinGreen 16 // output: the number of the LED pin of Green
#define LedPinRed 17 // output: the number of the LED pin of Red
#define WakeupTrigger 6 // input : wakeup trigger by GPIO

#ifdef SHOW_MESSAGE
void measure_freqs(void) {
    uint f_pll_sys = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_PLL_SYS_CLKSRC_PRIMARY);
    uint f_pll_usb = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_PLL_USB_CLKSRC_PRIMARY);
    uint f_rosc = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_ROSC_CLKSRC);
    uint f_clk_sys = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_CLK_SYS);
    uint f_clk_peri = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_CLK_PERI);
    uint f_clk_usb = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_CLK_USB);
    uint f_clk_adc = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_CLK_ADC);
    uint f_clk_rtc = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_CLK_RTC);

    printf("pll_sys = %dkHz\n", f_pll_sys);
    printf("pll_usb = %dkHz\n", f_pll_usb);
    printf("rosc = %dkHz\n", f_rosc);
    printf("clk_sys = %dkHz\n", f_clk_sys);
    printf("clk_peri = %dkHz\n", f_clk_peri);
    printf("clk_usb = %dkHz\n", f_clk_usb);
    printf("clk_adc = %dkHz\n", f_clk_adc);
    printf("clk_rtc = %dkHz\n", f_clk_rtc);
    uart_default_tx_wait_blocking();
}
#endif


int main() {
    // reduce system clock
    set_sys_clock_khz(18000, true);
    stdio_init_all();

#ifdef SHOW_MESSAGE
    printf("\nBoot\n");
    measure_freqs();
#endif

    // GPIO initialization (LEDs on XIAO-RP2040 board)
    gpio_init(LedPinBlue);
    gpio_set_dir(LedPinBlue, GPIO_OUT);
    gpio_put(LedPinBlue, 1);
    gpio_init(LedPinGreen);
    gpio_set_dir(LedPinGreen, GPIO_OUT);
    gpio_put(LedPinGreen, 1);
    gpio_init(LedPinRed);
    gpio_set_dir(LedPinRed, GPIO_OUT);
    gpio_put(LedPinRed, 1);

    // Intialization & activation of the trigger pin for waking up from sleep mode
    gpio_init(WakeupTrigger);
    gpio_set_dir(WakeupTrigger, GPIO_IN);
    gpio_pull_down(WakeupTrigger);
    gpio_set_input_enabled(WakeupTrigger, true);


    while (true) {
        sleep_ms(5000);

        sleep_run_from_xosc();
        // Go to sleep until to get high edge on WakeupTrigger (GPIO 6)
        sleep_goto_dormant_until_edge_high(WakeupTrigger);

        // ----- ここでP6の立ち上がりエッジ待ちとなる -----

        // ----- ↓↓↓Wakeup後の処理↓↓↓ -----

        // Re-enable ring Oscillator control
        rosc_write(&rosc_hw->ctrl, ROSC_CTRL_ENABLE_BITS);

        // reset clocks
        clocks_init();
        set_sys_clock_khz(18000, true);
        stdio_init_all();

#ifdef SHOW_MESSAGE
        printf("\nWake-up\n");
        measure_freqs();
#endif
    }
}

// dormant mode sample for Seeed XIAO RP2040

#undef SHOW_MESSAGE

#include <stdio.h>

#include "pico/stdlib.h"

#include "pico/sleep.h"

#include "hardware/clocks.h"

#include "hardware/rosc.h"

#define LedPinBlue 25 // output: the number of the LED pin of Blue

#define LedPinGreen 16 // output: the number of the LED pin of Green

#define LedPinRed 17 // output: the number of the LED pin of Red

#define WakeupTrigger 6 // input : wakeup trigger by GPIO

#ifdef SHOW_MESSAGE

void measure_freqs(void) {

uint f_pll_sys = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_PLL_SYS_CLKSRC_PRIMARY);

uint f_pll_usb = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_PLL_USB_CLKSRC_PRIMARY);

uint f_rosc = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_ROSC_CLKSRC);

uint f_clk_sys = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_CLK_SYS);

uint f_clk_peri = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_CLK_PERI);

uint f_clk_usb = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_CLK_USB);

uint f_clk_adc = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_CLK_ADC);

uint f_clk_rtc = frequency_count_khz(CLOCKS_FC0_SRC_VALUE_CLK_RTC);

printf("pll_sys = %dkHz\n", f_pll_sys);

printf("pll_usb = %dkHz\n", f_pll_usb);

printf("rosc = %dkHz\n", f_rosc);

printf("clk_sys = %dkHz\n", f_clk_sys);

printf("clk_peri = %dkHz\n", f_clk_peri);

printf("clk_usb = %dkHz\n", f_clk_usb);

printf("clk_adc = %dkHz\n", f_clk_adc);

printf("clk_rtc = %dkHz\n", f_clk_rtc);

uart_default_tx_wait_blocking();

}

#endif

int main() {

// reduce system clock

set_sys_clock_khz(18000, true);

stdio_init_all();

#ifdef SHOW_MESSAGE

printf("\nBoot\n");

measure_freqs();

#endif

// GPIO initialization (LEDs on XIAO-RP2040 board)

gpio_init(LedPinBlue);

gpio_set_dir(LedPinBlue, GPIO_OUT);

gpio_put(LedPinBlue, 1);

gpio_init(LedPinGreen);

gpio_set_dir(LedPinGreen, GPIO_OUT);

gpio_put(LedPinGreen, 1);

gpio_init(LedPinRed);

gpio_set_dir(LedPinRed, GPIO_OUT);

gpio_put(LedPinRed, 1);

// Intialization & activation of the trigger pin for waking up from sleep mode

gpio_init(WakeupTrigger);

gpio_set_dir(WakeupTrigger, GPIO_IN);

gpio_pull_down(WakeupTrigger);

gpio_set_input_enabled(WakeupTrigger, true);

while (true) {

sleep_ms(5000);

sleep_run_from_xosc();

// Go to sleep until to get high edge on WakeupTrigger (GPIO 6)

sleep_goto_dormant_until_edge_high(WakeupTrigger);

// ----- ここでP6の立ち上がりエッジ待ちとなる -----

// ----- ↓↓↓Wakeup後の処理↓↓↓ -----

// Re-enable ring Oscillator control

rosc_write(&rosc_hw->ctrl, ROSC_CTRL_ENABLE_BITS);

// reset clocks

clocks_init();

set_sys_clock_khz(18000, true);

stdio_init_all();

#ifdef SHOW_MESSAGE

printf("\nWake-up\n");

measure_freqs();

#endif

}

ビルドには「pico-extras」を導入します。pico-sdkを入れたフォルダにて、下記のようにします。

$ git clone -b master https://github.com/raspberrypi/pico-extras.git
$ cp pico-extras/external/pico_extras_import.cmake work/

1 2	$ git clone -b master https://github.com/raspberrypi/pico-extras.git $ cp pico-extras/external/pico_extras_import.cmake work/

CMakeLists.txtを変更します。

cmake_minimum_required(VERSION 3.13)

# Pull in SDK (must be before project)
include(../pico_sdk_import.cmake)

# We also need PICO EXTRAS
include(../pico_extras_import.cmake)

# project name
set(ProjectName "dormant_test")

project(${ProjectName} C CXX ASM)
set(CMAKE_C_STANDARD 11)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)

set(PICO_SDK_PATH="[SDKをインストールしたフォルダ]/pico-sdk")
set(PICO_EXTRAS_PATH="[SDKをインストールしたフォルダ]/pico-extras")

pico_sdk_init()

# executable name
add_executable(${ProjectName}
    dormant_test.c
)

# enable serial output
pico_enable_stdio_usb(${ProjectName} 1)
pico_enable_stdio_uart(${ProjectName} 1)

# pull in common dependencies
target_link_libraries(${ProjectName} pico_stdlib hardware_sleep)

# create map/bin/hex file etc.
pico_add_extra_outputs(${ProjectName})

cmake_minimum_required(VERSION 3.13)

# Pull in SDK (must be before project)

include(../pico_sdk_import.cmake)

# We also need PICO EXTRAS

include(../pico_extras_import.cmake)

# project name

set(ProjectName "dormant_test")

project(${ProjectName} C CXX ASM)

set(CMAKE_C_STANDARD 11)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)

set(PICO_SDK_PATH="[SDKをインストールしたフォルダ]/pico-sdk")

set(PICO_EXTRAS_PATH="[SDKをインストールしたフォルダ]/pico-extras")

pico_sdk_init()

# executable name

add_executable(${ProjectName}

dormant_test.c

)

# enable serial output

pico_enable_stdio_usb(${ProjectName} 1)

pico_enable_stdio_uart(${ProjectName} 1)

# pull in common dependencies

target_link_libraries(${ProjectName} pico_stdlib hardware_sleep)

# create map/bin/hex file etc.

pico_add_extra_outputs(${ProjectName})

前回作成したbuildフォルダを削除し、cmakeからやり直します。（buildフォルダの丸ごと削除でスッキリ初期化出来るので便利です）

rm -rf build
mkdir build
cd build
export PICO_SDK_PATH="[SDKをインストールしたフォルダ]/pico-sdk"
cmake ..
make

rm -rf build

mkdir build

cd build

export PICO_SDK_PATH="[SDKをインストールしたフォルダ]/pico-sdk"

cmake ..

make

起動後、5秒後にdormant modeへ移行、GPIO P6への立ち上がりエッジ入力でWake-up＆通常動作へ復帰、再度5秒後にdormant modeへ、というループです。色々と試してみたのですが、dormant mode後に通常動作へ完全に復帰させるには上記のサンプルコードのようにするのが唯一見つけられた方法でした。（もっとスマートに出来そうな気はするのですが、、）
冒頭の「SHOW_MESSAGE」にてRP2040のUART(Tx)からクロック設定の様子をモニタ出来るようにしてあります(115200baud)。

Boot
pll_sys = 18000kHz
pll_usb = 48000kHz
rosc = 5483kHz
clk_sys = 18000kHz
clk_peri = 48000kHz
clk_usb = 48000kHz
clk_adc = 48000kHz
clk_rtc = 47kHz

Wake-up
pll_sys = 18000kHz
pll_usb = 48000kHz
rosc = 5483kHz
clk_sys = 18000kHz
clk_peri = 48000kHz
clk_usb = 48000kHz
clk_adc = 48000kHz
clk_rtc = 47kHz

Boot

pll_sys = 18000kHz

pll_usb = 48000kHz

rosc = 5483kHz

clk_sys = 18000kHz

clk_peri = 48000kHz

clk_usb = 48000kHz

clk_adc = 48000kHz

clk_rtc = 47kHz

Wake-up

pll_sys = 18000kHz

pll_usb = 48000kHz

rosc = 5483kHz

clk_sys = 18000kHz

clk_peri = 48000kHz

clk_usb = 48000kHz

clk_adc = 48000kHz

clk_rtc = 47kHz

実際に動作させてみると、クロック18MHzの設定で通常動作＝9.1mA、dormant mode=2.3ｍA程でした。

どうもPaspberry Pi Picoボードに比べてSeeed XIAO RP2040は消費電流が多いような気がします。比較する良い方法が無いかとPaspberry Pi Pico Datasheetを眺めていたら、BOOTSEL mode (USB idle)での消費電流が8.7mAとの記載を見つけました。

Seeed XIAO RP2040に5V電源のみ与えて、BOOTSEL modeに入れてみる（bootボタンを押しながらリセットする）と12.5mAでした。PicoとXIAOの回路的な差は殆ど無いので、余計なLED分か3.3Vレギュレータの効率の差か？？

いずれにしてもSeeed XIAO RP2040の限界は見えた気はします。非常に小さなボードであることと、別途デバッガやプログラマを用意せずにソフト開発が可能なこと（つまり安く済ませたい）で選んだのですが、消費電力面でやはりちょっと厳しいという結果になりました。尤も「RP2040を触ってみたい」という別の面の欲求は満たされたわけですが。。

もうちょっと良い使い途を考えてみます → RP2040