摘要：為了控制Arduino的隨機睡眠與喚醒，不采用“預(yù)定睡眠-隨機喚醒”的常規(guī)設(shè)計模式，而是通過一個外部中斷隨機使Arduino進入睡眠，并且通過同一個外部中斷隨機喚醒Arduino。首先使用開源Enerlib和LowPower庫對ArduinoPro Mini進行實驗，然后應(yīng)用于實際的工程設(shè)計中，取得了很好的效果。該方法可以作為成熟的方案推廣到工程設(shè)計的實際應(yīng)用當中。

引言

“預(yù)定睡眠-隨機喚醒”是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中常用的方法。例如，在完成規(guī)定的數(shù)據(jù)發(fā)送或接收任務(wù)后，MCU立即進入休眠以節(jié)約電力，這就是“預(yù)定睡眠”的含義;當有新的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收任務(wù)時，通過各種方式喚醒MCU執(zhí)行前述任務(wù)，這就是“隨機喚醒”的含義。在實際工程中，完成該功能主要使用軟件，首先整合系統(tǒng)功能，執(zhí)行完功能模塊后馬上執(zhí)行預(yù)定的睡眠指令，而喚醒功能則直接在中斷服務(wù)程序中體現(xiàn)。很多教科書、論壇中廣泛介紹的也都是這種方法，該方法能夠滿足一般工程設(shè)計的需要。但“預(yù)定睡眠”在某些工程中并不適合使用，例如在無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的系統(tǒng)中，某個節(jié)點或分系統(tǒng)的睡眠時機不是由自己決定的，而是遠程隨機控制的。在這種情況下，睡眠指令在節(jié)點或分系統(tǒng)執(zhí)行自己任務(wù)的過程中隨機發(fā)生，同樣，喚醒指令發(fā)出也是隨機的，通常為節(jié)省系統(tǒng)的硬件開支并提高其可靠性，發(fā)出睡眠和喚醒指令使用同一個信號，所以系統(tǒng)軟件的睡眠指令就不能固定在系統(tǒng)功能程序的預(yù)定位置，甚至不能在功能主程序及其調(diào)用的函數(shù)中出現(xiàn)。

1 目前Arduino睡眠與喚醒的方法

在Arduino IDE中控制Arduino睡眠的工具主要有Enerlib和LowPower兩種開源類庫，前一種已被Arduino開源庫收錄，這兩種類庫專門完成 Arduino的睡眠控制。Arduino的睡眠效果和典型應(yīng)用在參考文獻中有詳細的介紹，但也未涉及到隨機進入睡眠的方法。

1.1 使用Enerlib類庫的實現(xiàn)方法

Enerlib類庫提供的Example代碼說明了如何使用該類庫的功能函數(shù)，為閱讀方便起見，筆者添加了行號標識和中文注釋，如下所列：

可以看出，進入睡眠的代碼在僅執(zhí)行一次的初始化模塊void setup()中，表明系統(tǒng)啟動后做完初始化工作即進入睡眠。代碼的19～23行給出了5種睡眠方式，在實際應(yīng)用中選擇一種適合的方式即可。系統(tǒng)的喚醒在 Int0外部中斷服務(wù)程序中，Enerlib類庫提供了一個只能在中斷服務(wù)程序中使用的WasSleeping()函數(shù)，以判定系統(tǒng)目前的“睡眠/醒著” 的狀態(tài)，該程序執(zhí)行一次睡眠，然后隨機喚醒后不能再次進入睡眠狀態(tài)。這是一個典型的“預(yù)定睡眠一隨機喚醒”實例。

1.2 使用LowPower類庫的實現(xiàn)方法

LowPower類庫提供的實例代碼如下(行號和中文注釋由筆者添加)：

可以看出，進入睡眠的代碼在主程序循環(huán)體void loop()內(nèi)，系統(tǒng)啟動后即進入休眠狀態(tài)，一旦有外部中斷即喚醒，喚醒后執(zhí)行完主程序功能后再次進入睡眠，這也是典型的“預(yù)定睡眠-隨機喚醒”實例。

因ATMega單片機在外部中斷模式下會忽略引起中斷引腳的數(shù)據(jù)方向，所以該例程第10行“pinMode(wake UpPin，INPUT);”沒有必要。

以上兩種睡眠與喚醒實例均實現(xiàn)不了隨機進入睡眠的功能要求。

2 隨機睡眠與喚醒的方法

如果可以實現(xiàn)在系統(tǒng)工作過程中隨時中止工作進入睡眠(如為了節(jié)省電力而遠程控制終止節(jié)點的監(jiān)測)，然后在適當?shù)臅r機再喚醒系統(tǒng)繼續(xù)工作，就是典型的“隨機睡

眠-隨機喚醒”功能。

2.1 隨機進入睡眠與喚醒的方法

在以上兩個實例中，一個是將睡眠指令放于初始化模塊，實現(xiàn)一次性主動睡眠;另一個是將睡眠指令放在主程序循環(huán)體中，在執(zhí)行完預(yù)定功能后主動進入睡眠，二者均有外部隨機喚醒。如果要實現(xiàn)通過外部指令(中斷)隨機進入睡眠，睡眠指令首先不能放在初始化模塊void setup()中，因為這樣僅會引起一次睡眠;如果放到主程序循環(huán)體void loop()中，則必須在由“睡眠/喚醒”指令引起的中斷服務(wù)程序中放置相應(yīng)的標志，然后再在主程序中判斷這個標志，勢必增加相應(yīng)的軟件開支，而且程序的結(jié)構(gòu)也不明晰。

因此，實現(xiàn)隨機進入睡眠的最簡單的方法就是將睡眠指令直接置于中斷服務(wù)程序當中，當睡眠指令發(fā)出后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序進入睡眠;當喚醒指令發(fā)出后，只要進入了中斷服務(wù)程序即可喚醒。但是在同一個中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)該功能，需要透徹地了解相應(yīng)單片機的中斷處理機制以及所用的庫函數(shù)對中斷的處理方法。

2.2 Arduino的外部中斷

構(gòu)成Arduino的核心處理器主要是Atmel的AVR ATmega系列MCU(如ATmega328)，常用的實驗平臺有UNO、NANO、Pro、Pro Mini、Micro、Lilypad、Leonardo、Duemilanove等，因此Arduino的睡眠與喚醒的控制實質(zhì)是對MCU的控制，也就是控制ATnaega328睡眠與喚醒。

實現(xiàn)隨機睡眠與喚醒的實驗平臺是Arduino Pro Mini3.3 V、8 MHz/ATInega328，ATrnega328的外部中斷機制主要有：①RESET具有最高的優(yōu)先級，第二個為INT0;②任一中斷發(fā)生時全局中斷使能位被清零，從而禁止了所有其他的中斷;③退出中斷后，總是回到主程序并至少執(zhí)行一條指令才可以去執(zhí)行其他被掛起的中斷;④如果選擇了邊沿觸發(fā)方式或電平變化觸發(fā)方式，那么持續(xù)時間大于一個時鐘周期的脈沖將觸發(fā)中斷，過短的脈沖則不能保證觸發(fā)中斷，如果選擇低電平觸發(fā)方式，那么低電平必須保持到當前指令執(zhí)行完成;⑤外部中斷通過引腳INT0、INT1與INT2觸發(fā)，只要使能中斷且電平發(fā)生了合適的變化，即使引腳INT0～2配置為輸出，中斷也會觸發(fā);⑥若要求INT0與INT1在信號下降沿或上升沿觸發(fā)，則I/O時鐘必須工作;⑦通過電平方式觸發(fā)中斷，在將MCU從掉電模式喚醒時，要保證電平保持一定的時間，以降低MCU對噪聲的敏感程度;⑧中斷響應(yīng)時間最少為4個時鐘周期，若中斷發(fā)生時MCU處于休眠模式，中斷響應(yīng)時間還需增加4個時鐘周期，此外還要考慮到不同的休眠模式所需要的啟動時間。

2.3 Enerlib和LowPower類庫的中斷處理方式

兩個類庫中，Enerlib的5種睡眠指令為PowerDown()、Standby()、PowerSave()、SleepADC()、Idle()，LowPower的5種睡眠方式為ADC_OFF、BOD_OFF、IDLE_OFF、STANDBY EXT_STANDBY，除了對各種不同設(shè)備進行關(guān)斷外，對系統(tǒng)中斷的處理方式均相同，即睡眠前后均不對中斷的使能進行處理，而且均提供了打開和關(guān)閉終端使能的函數(shù)。這樣，打開和關(guān)閉中斷的時機就完全交給了開發(fā)者。

3 隨機睡眠與喚醒的實現(xiàn)與結(jié)果

使用Arduino自帶的LED(Pin13驅(qū)動)來檢驗隨機睡眠與喚醒，睡眠發(fā)生時LED閃爍0.1 s，表示接收到睡眠命令，然后熄滅LED進入睡眠;喚醒發(fā)生時LED閃爍0.1 s，表示接收到喚醒命令，然后LED以1 Hz頻率閃爍工作。以下代碼筆者添加了行號標識和中文注釋。

將Arduino Pro Mini的Pin2(D2)通過一個10 KΩ電阻連接到Vcc，然后在Pin2對地連接一個按鍵開關(guān)，下載完程序后上電，系統(tǒng)LED進入1 Hz閃亮模式，按一下按鍵，LED閃爍0.1 s，然后進入睡眠;再按一下按鍵，LED閃爍0.1 s，然后系統(tǒng)LED進入1 Hz閃爍模式，如此重復(fù)。

結(jié)語

Arduino的核心--ATmega系列單片機，以其RISC的可靠結(jié)構(gòu)、主控板、外圍模塊等硬件的規(guī)范設(shè)計，具有較高的可靠性。Arduino之所以風(fēng)靡全球，除了開源的硬件之外，更重要的是配套了開發(fā)軟件的IDE以及眾多的類庫，同時IDE集成、定義了編程方法，底層的Bootloader就像是個微型操作系統(tǒng)，而不像使用Keil C開發(fā)單片機軟件那樣自己來組織程序的結(jié)構(gòu)、編寫驅(qū)動程序，Arduino的軟件和硬件設(shè)計使得編程、供電、下載一體化。由于其遵循開源共享的宗旨，相關(guān)類庫會越來越豐富，也正是這個IDE將軟件開發(fā)工具和實際硬件隔離，使得軟件開發(fā)變得簡單、快速，開發(fā)者可以專注于方案的實施。當然也由于軟件底層與功能模塊硬件的隔離，使得開發(fā)者越來越依賴類庫，這一循環(huán)導(dǎo)致開發(fā)者過分依賴類庫而不去探究問題的實質(zhì)，最后導(dǎo)致問題得不到解決或者退而更換主控系統(tǒng)硬件，從而妨礙了Arduino更大范圍的應(yīng)用。本文所敘述的例程可以根據(jù)實際工程要求做適當修改而直接應(yīng)用，具有一定的參考價值。