Implementera snabbt ett miniatyr-Bluetooth-tillbehör med låg effekt med en integrerad RF-mikrostyrenhet

Utvecklarna står under ständig press att bygga batteridrivna Bluetooth-enheter som är små, tillförlitliga, har låg effekt till låg kostnad samtidigt som allt kortare tid till marknaden förväntas. Det är en kombination av tekniska kompromisser som blir allt svårare att hantera, men inte omöjlig tack vara innovativa lösningar från halvledarleverantörer som hjälper till att åtgärda dessa specifika problem.

En sådan lösning är STM32WB55RGV6-mikrostyrenheten från STMicroelectronics som integrerar både en styrprocessor och en Bluetooth-radio.

Den här artikeln beskriver designkraven på den ständigt växande Bluetooth-tillbehärsmarknaden och introducerar sedan STM32WB55RGV6 och hur den kan tillämpas.

Bluetooth-tillbehörskrav

Bluetooth-tillbehör har normalt samma krav på batterilivlängd och storlek. För Bluetooth-konsumentprodukter är längre batterilivlängd direkt relaterad till kundnöjdhet, så komponenterna ska väljas utifrån liten storlek och låg strömförbrukning. Den inledande konstruktionen ska ha tillräcklig flexibilitet för ersättningar eftersom det inte är ovanligt att hitta en bättre produkt än den som redan har valts i takt med att utvecklingsprocessen går framåt.

Bluetooth-konstruktioner är normalt indelade i tre avsnitt: Bluetooth-radio, tillämpningsprocessor med stödkomponenter och användargränssnittet (knappar, LED-lampor, högtalare). STMicroelectronics har förenklat konstruktionen genom att integrera styrprocessorn och Bluetooth-radion i samma mikrostyrenhet. Mikrostyrenheten STM32WB55RGV6 är en del av STMicroelectronics STM32WB mikrostyrenhetsfamilj, som innehåller en Arm® Cortex®-M4 på 64 megahertz (MHz) med en flyttalsenhet (FPU) processor och en komplett Bluetooth-radio i en enda krets. Kortminnet innefattar 1 megabyte (Mb) flashminne och 256 kilobyte (kb) SRAM.

STM32WB55RGV6 har tre spänningsregulatorer på kortet. Huvudregulatorn arbetar när processorn är i kör- och viloläge. Lågeffektregulatorn används under kör- och viloläge på låg effekt. Radiofrekvensregulatorn (RF) används endast för att driva Bluetooth-radion och RF-undersystemen.

Det finns andra parametrar som tydligt visar att STM32WB55RGV6 har byggts för lågeffekttillämpningar från grunden. Den har ett avstängningsläge på 13 nanoampere (nA) som stänger av allt på kortet med undantag för visst RAM. Om realtidsklockan (RTC) lämnas på i avstängningsläge drar enheten endast 315 nA. När RTC är igång kan mikrostyrenheten även hålla 32 kbyte RAM samtidigt som den endast drar 600 nA.

Av flexibilitetsskäl har STM32WB55RGV6 ett fullt område av tillbehör inklusive två seriella perifera gränssnitt (SPI) och två I²C-gränssnitt (figur 1). En USB 2.0 fullhastighetsport (FS) kan användas för att överföra filer mellan tillämpningen och en dator. Den kan även användas för att ladda ett batteri på Bluetooth-tillämpningen, med eller utan stöd för dataöverföringar. STM32WB55 har även en styrenhet för en extern 8 x 40 LCD. En pekskärmsstyrenhet finns för att aktivera ett pekskärmsgränssnitt.

Figur 1: STMicroelectronics STM32WB55RGV6 mikrostyrenhet integrera en Arm Cortex-M4 med FPU och ett Bluetooth-radiosystem på en enda krets. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Bluetooth-radion på STM32WB55RGV6 uppfyller den senaste Bluetooth-specifikationen v5.0. Radion uppfyller även IEEE 802.15.4-2011-specifikationen för det fysiska lagret (PHY) och mediaåtkomststyrenhet (MAC) för Bluetooth-radion. I batteridrivna tillämpningar uppfyller radion lågenergi-Bluetooth (BLE) och har stöd för datahastigheter på 1 megabit per sekund (Mbit/s) och 2 Mbit/s över en säker anslutning.

BLE stack och IEEE 802.15.4 PHY- och MAC-lagret körs på en dedikerad Arm Cortex-M0+-CPU på STM32WB. Den här Cortex-M0+ kör endast BLE-stacken och kan inte användas för att köra användartillämpningskod.

RF front-end på STM32WB55RGV6-mikrostyrenhetsserien är utformad för minimala externa komponenter enligt figur 2. Den har en dedikerad SMPS-strömförsörjning (switched mode power supply) för att driva RF-kretsarna.

SMPS är ett bra exempel på hur integrerade lösningar lös problem. För att minimera störningar av RF-kretsarna använder SMPS samma klockfrekvens som används för att klocka RF-avsnittet som Cortex-M0+-mikrostyrenheten, vilken är antingen 4 eller 8 MHz. För att minska störningarna ytterligare kan en automatisk förstärkningsreglering (AGC) automatiskt minska RF- och IF-förstärkningen. Den fasta programvaran kan även trimma AGC manuellt.

Figur 2: RF front-end hos STM32WB Bluetooth-mikrostyrenheten inkluderar en Cortex-M0+ BLE-styrenhet, AGC för att minska buller samt tre spänningsregulatorer. (Bildkälla: STMicroelectronics)

RF-avsnittet kräver få externa komponenter. För att uppnå detta har RF front-end on-chip-kondensatorer som är användarprogrammerbara, så den externa 32 MHz-kristallen kräver inte externa trimningskondensatorer. RF front-end minskar även komponentantalet genom att inkludera en full bandpassbalun, intill antennstiftet (RF1) (figur 2, igen).

RF1-stiftet måste anslutas till en kompatibel Bluetooth-antenn på 2,4 gigahertz (GHz) genom ett filter med lågpassmatchande nätverk. Slutligen krävs frånkopplingskondensatorer mellan RF-avsnittets ström och jord. Rekommenderade värden är 100 nanofarad (nF) och 100 pikofarad (pF) parallellkopplade.

Som i alla radiotillämpningar påverkar RF-konstruktionen och komponentvalet Bluetooth-radios prestanda direkt. Komponenter med hög precision förbättrar Bluetooth-radions tillförlitlighet. För konstruktören är större delen av arbetet med RF-avsnittet redan klart. Det är upp till utvecklaren att utforma systemet så att det inte hindrar vägen mellan den externa Bluetooth-antennen och den parkopplade enheten.

För att hjälpa till att sköta utvecklingen med STM32WB55RGV6 tillhandahåller STMicroelectronics P-NUCLEO-WB55 Nucleo-utvecklingskortet (figur 3). Kortet levereras även med en USB-dongel som också har en STM32WB-mikrostyrenhet.

Figur 3: STMicroelectronics Nucleo-kortet för STM32WB-fanmiljen samarbetar med Bluetooth-dongeln för att stöda utvecklingen av STM32WB-baserade projekt. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Nucleo-kortet har Arduino™-expansionskontakter så att utvecklarna kan förbättra sina projekt med Arduino Uno-kompatibla skärmningar. En utvecklare kan snabbt sätta samman en maskinvaruprototyp runt Nucleo-kortet. Nucleo-tillämpningen programmeras och felsöks genom att ansluta en dator till USB-kontakten på kortet. Det programmerade Nucleo-kortet kan sedan kommunicera med den tillhandahållna Bluetooth-dongeln eller med en Bluetooth--kompatibel dator.

Tillämpningssäkerhet

Säkerhet i trådlösa tillämningar har blivit en stor fråga för utvecklarna. Företagen måste skydda sina data och fasta programvara mot angrepp och förfalskning. Ett AES-256 maskinvarukrypteringsblock på STN32WB55RGV6 är tillgängligt för att kryptera och avkryptera Bluetooth-sändningar. Detta förhindrar angripare från att komma åt Bluetooth-sändningar och fånga data.

Det är vanligt att tillämpningar uppdateras via Bluetooth. Detta kan dock innebära en möjlighet för hackare att installera falska uppdateringar av fast programvara. STM32WB55RGV6 skyddar mot falska installationer av fast programvara med en säker installationsprocess för fast programvara (SFI). Det här är ett system med offentliga/privata nycklar som skickar en krypterad fast programvarufil till STM32WB55RGV6. STM32WB55RGV6 avkrypterar den fasta programvarufilen med en privat nyckel som är lagrad i dess säkra lagringsblock och en läsbar offentlig nyckel som signerats av STMicroelectronics. Detta säkerställer att endast system med auktoriserade inloggningsuppgifter kan uppdatera den fasta programvaran.

Varje STM32WB55RGV6 har även ett unik 96-bitars-ID och ett unikt 64-bitars-ID. Dessa kan användas för att identifiera olika STM32WB55RGV6-mikrostyrenheter för ytterligare säkerhet, eller till och med aktivera olika funktioner i den fasta programvaran för olika system på fältet.

Slutsats

Utvecklingen av Bluetooth-enheter kräver noggrann kontroll över effekt, storlek, kostnad och tillförlitlighet. Valet av starkt integrerade komponenter som STM32WB55RGV6 kan förenkla konstruktörens kompromissystem betydligt och minimera utvecklingstiden.