nRF52 Energieverwaltung

Überblick

Das nRF52-Energieverwaltungsmodul stellt Batterieschutzfunktionen bereit, die eine Tiefentladung verhindern, die Wahrscheinlichkeit von Brownouts (Spannungseinbrüchen) und Flash-Korruption minimieren und eine sichere spannungsbasierte Wiederherstellung ermöglichen.

Funktionen

Boot-Spannungsschutz

Prüft die Batteriespannung unmittelbar nach dem Hochfahren und bevor Mesh-Operationen starten.
Liegt die Spannung unter einem konfigurierbaren Schwellenwert (z. B. 3300 mV), konfiguriert das Gerät die Spannungsaufwach-Funktion (LPCOMP + VBUS) und geht in einen schützenden Abschaltzustand (SYSTEMOFF) über.
Verhindert Boot-Schleifen bei kritisch niedrigem Akkustand.
Wird übersprungen, wenn externe Stromversorgung (USB VBUS) erkannt wird.

Spannungs-Aufwachfunktion (LPCOMP + VBUS)

Konfiguriert den Low Power Comparator (LPCOMP, Niedrigstrom-Komparator) des nRF52 vor dem Eintritt in SYSTEMOFF.
Aktiviert die USB-VBUS-Erkennung, damit externe Stromversorgung das Gerät aufwecken kann.
Das Gerät wacht automatisch auf, wenn die Batteriespannung über den Wiederherstellungs-Schwellenwert steigt oder wenn VBUS erkannt wird.

Frühzeitige Boot-Registererfassung

Erfasst die Register RESETREAS (Reset-Ursache) und GPREGRET2 (Shutdown-Ursache), bevor SystemInit() diese löscht.
Ermöglicht der Firmware festzustellen, warum das Gerät gestartet wurde (Kaltstart, Watchdog, LPCOMP-Aufwachen usw.).
Ermöglicht der Firmware festzustellen, warum es zuletzt heruntergefahren wurde (Benutzeranforderung, Niederspannung, Boot-Schutz).

Shutdown-Ursachen-Tracking

Shutdown-Ursachencodes (gespeichert in GPREGRET2):

Code	Name	Beschreibung
0x00	NONE	Normaler Boot / kein vorheriges Herunterfahren
0x4C	LOW_VOLTAGE	Laufzeit-Niederspannungsschwelle erreicht
0x55	USER	Benutzer hat powerOff() ausgelöst
0x42	BOOT_PROTECT	Boot-Spannungsschutz hat ausgelöst

Unterstützte Boards

Board	Implementiert	LPCOMP-Aufwachen	VBUS-Aufwachen
Seeed Studio XIAO nRF52840 (`xiao_nrf52`)	Ja	Ja	Ja
RAK4631 (`rak4631`)	Ja	Ja	Ja
Heltec T114 (`heltec_t114`)	Ja	Ja	Ja
GAT562 Mesh Watch13	Ja	Ja	Ja
Promicro nRF52840	Nein	Nein	Nein
RAK WisMesh Tag	Nein	Nein	Nein
Heltec Mesh Solar	Nein	Nein	Nein
LilyGo T-Echo / T-Echo Lite	Nein	Nein	Nein
SenseCAP Solar	Ja	Ja	Ja
WIO Tracker L1 / L1 E-Ink	Nein	Nein	Nein
WIO WM1110	Nein	Nein	Nein
Mesh Pocket	Nein	Nein	Nein
Nano G2 Ultra	Nein	Nein	Nein
ThinkNode M1/M3/M6	Nein	Nein	Nein
T1000-E	Nein	Nein	Nein
Ikoka Nano/Stick/Handheld (nRF)	Nein	Nein	Nein
Keepteen LT1	Nein	Nein	Nein
Minewsemi ME25LS01	Nein	Nein	Nein

Hinweise:

„Implementiert" bezieht sich auf Phase 1 (Boot-Sperre + Shutdown-Ursachen-Erfassung).
Beim benutzerinitiiertem Ausschalten des Heltec T114 wird LPCOMP-Aufwachen nicht aktiviert.
Die VBUS-Erkennung wird verwendet, um die Boot-Sperre bei externer Stromversorgung zu überspringen. VBUS-Aufwachen wird zusammen mit LPCOMP konfiguriert, wenn die Hardware VBUS an den nRF52 weiterleitet.

Technische Details

Architektur

Die Energieverwaltungsfunktionalität ist in die Basisklasse NRF52Board in src/helpers/NRF52Board.cpp integriert. Board-Varianten liefern hardwarespezifische Konfiguration über eine PowerMgtConfig-Struktur und überschreiben initiateShutdown(uint8_t reason), um boardspezifische Abschaltarbeiten durchzuführen und bedingt die Spannungs-Aufwachfunktion (LPCOMP + VBUS) zu aktivieren.

Frühzeitige Boot-Erfassung

Ein statischer Konstruktor mit Priorität 101 in NRF52Board.cpp erfasst die Register RESETREAS und GPREGRET2, bevor:

SystemInit() (Priorität 102) – welche RESETREAS löscht
Statische C++-Konstruktoren (Standard-Priorität 65535)

ausgeführt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die tatsächliche Reset-Ursache erfasst wird, bevor irgendein Initialisierungscode läuft.

Board-Implementierung

Um die Energieverwaltung für eine Board-Variante zu aktivieren:

In platformio.ini aktivieren:

CLI

-D NRF52_POWER_MANAGEMENT

Konfiguration in variant.h definieren:

CLI

#define PWRMGT_VOLTAGE_BOOTLOCK    3300   // Won't boot below this voltage (mV)
   #define PWRMGT_LPCOMP_AIN          7      // AIN channel for voltage sensing
   #define PWRMGT_LPCOMP_REFSEL       2      // REFSEL (0-6=1/8..7/8, 7=ARef, 8-15=1/16..15/16)

Im Board-.cpp-File implementieren:

CLI

#ifdef NRF52_POWER_MANAGEMENT
   const PowerMgtConfig power_config = {
     .lpcomp_ain_channel = PWRMGT_LPCOMP_AIN,
     .lpcomp_refsel = PWRMGT_LPCOMP_REFSEL,
     .voltage_bootlock = PWRMGT_VOLTAGE_BOOTLOCK
   };

   void MyBoard::initiateShutdown(uint8_t reason) {
     // Board-specific shutdown preparation (e.g., disable peripherals)
     bool enable_lpcomp = (reason == SHUTDOWN_REASON_LOW_VOLTAGE ||
                           reason == SHUTDOWN_REASON_BOOT_PROTECT);

     if (enable_lpcomp) {
       configureVoltageWake(power_config.lpcomp_ain_channel, power_config.lpcomp_refsel);
     }

     enterSystemOff(reason);
   }
   #endif

   void MyBoard::begin() {
     NRF52Board::begin();  // or NRF52BoardDCDC::begin()
     // ... board setup ...

   #ifdef NRF52_POWER_MANAGEMENT
     checkBootVoltage(&power_config);
   #endif
   }

Für benutzerinitiiertes Herunterfahren bleibt powerOff() boardspezifisch. Die Energieverwaltung aktiviert LPCOMP nur bei automatisierten Abschaltgründen (Boot-Schutz/Niederspannung).

Override im Board-.h-File deklarieren:

CLI

#ifdef NRF52_POWER_MANAGEMENT
     void initiateShutdown(uint8_t reason) override;
   #endif

Konfiguration der Spannungs-Aufwachfunktion

Der LPCOMP (Low Power Comparator, Niedrigstrom-Komparator) wird folgendermaßen konfiguriert:

Überwacht den angegebenen AIN-Kanal (0–7, entsprechend P0.02–P0.05, P0.28–P0.31)
Vergleicht gegen eine VDD-Bruchteils-Referenz (REFSEL: 0–6 = 1/8..7/8, 7 = ARef, 8–15 = 1/16..15/16)
Erkennt UP-Ereignisse (Spannung steigt über den Schwellenwert)
Verwendet 50 mV Hysterese für Störfestigkeit
Weckt das Gerät aus SYSTEMOFF, wenn ausgelöst

VBUS-Aufwachen wird über das POWER-Peripheral-USBDETECTED-Event aktiviert, wann immer configureVoltageWake() verwendet wird. Dafür muss USB VBUS an den nRF52 geführt sein (typisch bei nRF52840-Boards mit nativem USB).

LPCOMP-Referenzauswahl (PWRMGT_LPCOMP_REFSEL):

REFSEL	Bruchteil	VBAT bei 1M/1M-Teiler (VDD=3,0–3,3)	VBAT bei 1,5M/1M-Teiler (VDD=3,0–3,3)
0	1/8	0,75–0,82 V	0,94–1,03 V
1	2/8	1,50–1,65 V	1,88–2,06 V
2	3/8	2,25–2,47 V	2,81–3,09 V
3	4/8	3,00–3,30 V	3,75–4,12 V
4	5/8	3,75–4,12 V	4,69–5,16 V
5	6/8	4,50–4,95 V	5,62–6,19 V
6	7/8	5,25–5,77 V	6,56–7,22 V
7	ARef	-	-
8	1/16	0,38–0,41 V	0,47–0,52 V
9	3/16	1,12–1,24 V	1,41–1,55 V
10	5/16	1,88–2,06 V	2,34–2,58 V
11	7/16	2,62–2,89 V	3,28–3,61 V
12	9/16	3,38–3,71 V	4,22–4,64 V
13	11/16	4,12–4,54 V	5,16–5,67 V
14	13/16	4,88–5,36 V	6,09–6,70 V
15	15/16	5,62–6,19 V	7,03–7,73 V

Wichtig: Bei Boards mit Spannungsteiler am Batterie-Messpin misst LPCOMP die geteilte Spannung. Die Berechnung lautet: VBAT_threshold ≈ (VDD * fraction) * divider_scale, wobei divider_scale = (Rtop + Rbottom) / Rbottom (z. B. 2,0 für 1M/1M, 2,5 für 1,5M/1M, 3,0 für XIAO).

SoftDevice-Kompatibilität

Der Energieverwaltungscode prüft, ob das SoftDevice (der BLE-Protokollstack von Nordic) aktiv ist, und verwendet die entsprechende API:

Wenn SD aktiv: sd_power_*-Funktionen
Wenn SD inaktiv: Direkter Registerzugriff (NRF_POWER->*)

Dadurch ist die Kompatibilität unabhängig vom BLE-Stack-Zustand gewährleistet.

CLI-Befehle

Der Status der Energieverwaltung kann über die CLI (Kommandozeile) abgefragt werden:

Befehl	Beschreibung
`get pwrmgt.support`	Gibt „supported" oder „unsupported" zurück
`get pwrmgt.source`	Gibt die aktuelle Stromquelle zurück – „battery" oder „external" (5V/USB-Versorgung)
`get pwrmgt.bootreason`	Gibt Reset- und Shutdown-Ursache als Zeichenketten zurück
`get pwrmgt.bootmv`	Gibt die Boot-Spannung in Millivolt zurück

Auf Boards ohne aktivierte Energieverwaltung geben alle Befehle außer get pwrmgt.support folgende Meldung zurück:

CLI

ERROR: Power management not supported

Debug-Ausgabe

Wenn MESH_DEBUG=1 aktiviert ist, gibt das Energieverwaltungsmodul folgende Informationen aus:

CLI

DEBUG: PWRMGT: Reset = Wake from LPCOMP (0x20000); Shutdown = Low Voltage (0x4C)
DEBUG: PWRMGT: Boot voltage = 3450 mV (threshold = 3300 mV)
DEBUG: PWRMGT: LPCOMP wake configured (AIN7, ref=3/8 VDD)

Phase 2 (geplant)

Laufzeit-Spannungsüberwachung
Spannungs-Zustandsmaschine (Normal → Warnung → Kritisch → Abschaltung)
Konfigurierbare Schwellenwerte
Load-Shedding-Callbacks (Rückrufe zur Lastreduktion) zur Energieeinsparung
Deep-Sleep-Integration (Tiefschlaf)
Geplantes Aufwachen
Erweiterter Schlafmodus mit periodischer Überwachung

nRF52 Energieverwaltung