4. 系统电源模式与功耗测量方法

nRF 系列 SoC 的功耗表现，很大程度上取决于 CPU、外设、时钟源和电源域当前处于什么状态。Nordic 把系统电源管理划分为若干可切换的模式，从全速运行的 System ON，到几乎只保留唤醒能力的 System OFF。理解这些模式的进入条件、可唤醒源、保留状态和典型电流量级，是低功耗可穿戴设计的第一步。本节围绕模式本身、电源管理 API、PPK2 测量方法和功耗基线建立展开。

一、四种系统电源模式

在 nRF Connect SDK（基于 Zephyr）中，系统电源模式通常分为 System ON、Idle、Sleep 和 Deep Sleep（System OFF）四类，它们的核心差异在于 CPU 是否运行、时钟是否保持、RAM 是否保留以及可用的唤醒源。

System ON 是 CPU 正在执行指令的状态。此时高频时钟（HFCLK）运行，CPU、Flash 访问和外设都可能消耗电流。以 nRF52840 为例，CPU 从 Flash 全速运行约 3.5～6 mA，若同时开启无线电收发，峰值可达十几毫安。System ON 本身不是“坏状态”，问题在于它持续的时间——可穿戴设备大部分时间应避免停留在 System ON。

Idle 是内核无事可做、但系统时钟仍保持运行的状态。CPU 停止取指，但 HFCLK 未关闭，外设可继续工作。它的电流通常比 System ON 低，但仍明显高于 Sleep，因为时钟树仍在耗电。Idle 适合极短的空闲间隙，不适合长时间驻留。

Sleep 是 Zephyr 的默认低功耗状态，对应内核执行 WFI/WFE 后进入的低功耗模式。此时 HFCLK 关闭，CPU 停止，RAM 和外设寄存器内容保留，RTC、GPIO 中断、比较器等低速外设仍可唤醒系统。nRF52840 在 Sleep 下典型电流约 1.5～3 µA（RTC 运行、RAM 保留）。这是可穿戴设备最常驻留的模式。

Deep Sleep / System OFF 是功耗最低的状态，典型电流约 0.3～0.7 µA。此时大部分电源域关闭，RAM 内容丢失，只有极少数唤醒源有效，例如 GPIO 的 DETECT 信号、NFC 场检测或复位。System OFF 适合设备长时间不工作、只等待按键或充电插入的场景。需要注意：进入 System OFF 后程序不会“继续运行”，唤醒等同于复位重启，因此必须在进入前保存必要状态到非易失存储。

二、电源管理 API 与进入方式

在 Zephyr 中，让系统进入低功耗状态并不需要手动写寄存器，而是通过内核的空闲机制完成。当所有线程都阻塞时，内核调用 arch_cpu_idle()，最终执行 WFI/WFE 进入 Sleep。开发者要做的是“让系统有机会空闲”，而不是强行休眠。

常用接口包括：k_sleep() 让当前线程睡眠指定时间，期间系统可进入 Sleep；k_msleep() 是其毫秒版本；pm_state_force() 可强制请求某个电源状态；pm_device_action_run() 用于对单个设备执行挂起或恢复。对于 System OFF，Nordic 提供 sys_poweroff()，调用后系统进入最低功耗状态，等待唤醒源触发复位。

/* 让线程睡眠 1 秒，期间系统进入 Sleep */
k_sleep(K_SECONDS(1));

/* 请求进入 System OFF，等待按键唤醒 */
sys_poweroff();

需要强调的是：如果某个外设没有正确挂起，或者有线程持续运行，系统就无法进入 Sleep。因此低功耗调试中，第一步往往是确认“系统到底有没有睡着”。

三、用 PPK2 测量功耗

Nordic Power Profiler Kit II（PPK2）是测量 nRF 设备功耗的标准工具。它串联在供电回路中，可实时记录电流波形，量程覆盖微安到安培，采样率高，能同时看到平均电流和瞬态峰值。

典型连接方式：PPK2 的 VOUT 接开发板 VDD，GND 共地，开发板不再通过 USB 供电，避免测量被旁路。在 nRF Connect for Desktop 中打开 Power Profiler 应用，选择 PPK2 作为源，设置采样率（如 100 kS/s）和量程（Source meter 模式）。

测量时建议分三段观察：设备启动与初始化阶段、稳定运行阶段、事件触发阶段（如广播、传感器采样）。重点记录稳定阶段的平均电流，以及事件发生时的峰值和持续时间。若平均电流远高于预期，通常说明有外设未关闭、GPIO 悬空漏电或调试口仍在工作。

四、建立功耗基线

功耗基线是后续所有优化的参照。建立方法：在固定硬件、固定固件、固定环境温度下，测量设备在典型工作循环中的平均电流。例如一个可穿戴设备每 1 秒广播一次、每 10 秒采样一次传感器，其余时间处于 Sleep。用 PPK2 记录 60 秒波形，读取平均电流，记为基线值。

基线应包含以下信息：模式分布（System ON / Sleep 占比）、平均电流、峰值电流、唤醒频率、供电电压。后续每次修改固件或配置后，用相同条件复测，与基线对比，才能判断优化是否真正有效。没有基线的功耗优化，很容易陷入“感觉变低了”的误区。

总结来看，System ON、Idle、Sleep、System OFF 构成了 nRF 设备的功耗阶梯，API 决定系统能否顺利下台阶，PPK2 负责看清每一级台阶的真实电流，而功耗基线则让所有优化有了一把可比的尺子。四者配合，才能把可穿戴设备的续航从“大概能用”做到“可预测、可优化”。