Implementeer snel een miniatuur-Bluetooth-accessoire met laag vermogen met een geïntegreerde RF-microcontroller

Ontwikkelaars staan voortdurend onder druk om Bluetooth-apparaten te bouwen die op batterijen werken en die klein, betrouwbaar, energiezuinig en goedkoop zijn, terwijl ze toch voldoen aan de steeds kortere time-to-market-vensters. Het is een technische uitwisselingsmatrix die steeds ingewikkelder wordt, maar niet onmogelijk is, dankzij innovatieve oplossingen van leveranciers van halfgeleiders die helpen om deze specifieke problemen aan te pakken.

Een van die oplossingen is de STM32WB55RGV6-microcontroller van STMicroelectronics, die zowel een besturingsprocessor als een Bluetooth-radio bevat.

In dit artikel worden de ontwerpvereisten besproken van de steeds toenemende markt van de Bluetooth-accessoires voordat de STM32WB55RGV6 wordt geïntroduceerd en wordt uitgelegd hoe die moet worden toegepast.

Vraag naar Bluetooth-accessoires

Bluetooth-accessoires hebben gewoonlijk dezelfde vereisten voor batterijduur en afmetingen. Voor Bluetooth-consumentenproducten is een langere batterijduur direct gekoppeld aan de klanttevredenheid, zodat de componenten moeten worden geselecteerd op hun kleine afmetingen en lage energieverbruik. Het aanvankelijke ontwerp moet voldoende flexibiliteit hebben voor vervangingen omdat het niet ongewoon is dat er een beter product wordt gevonden dan het product dat al geselecteerd is naarmate het ontwikkelingsproces voortschrijdt.

Bluetooth-ontwerpen zijn gewoonlijk verdeeld in drie secties: de Bluetooth-radio, de toepassingsprocessor en ondersteunende componenten, en de gebruikersinterface (toetsen, leds, luidsprekers). STMicroelectronics heeft het ontwerp vereenvoudigd door de besturingsprocessor en de Bluetooth-radio op dezelfde microcontroller te integreren. De STM32WB55RGV6-microcontroller maakt deel uit van de STM32WB-microcontrollerfamilie van STMicroelectronics, die een Arm® Cortex®-M4 van 64 megahertz (MHz) met een floating point unit (FPU) processor en een complete Bluetooth-radio integreert op één chip. Het on-board geheugen bevat 1 megabyte (Mbyte) flashgeheugen en 256 kilobytes (Kbytes) SRAM.

De STM32WB55RGV6 heeft drie on-chip spanningsregelaars. De hoofdregelaar werkt wanneer de processor in de run- of sleep-modus is. De laagvermogenregelaar wordt gebruikt tijdens de laagvermogen-run- en laagvermogen-sleep-modus. De radiofrequentie (RF)-regelaar wordt alleen gebruikt om de Bluetooth-radio en de RF-subsystemen te voeden.

Er zijn andere parameters die duidelijk aantonen dat de STM32WB55RGV6 vanaf de grond is opgebouwd voor laagvermogentoepassingen. Hij heeft een uitschakelmodus van 13 nanoampère (nA) die alles op de chip uitschakelt behalve een beetje RAM. Als de real-time clock (RTC) blijft lopen tijdens de uitschakeling, verbruikt het apparaat maar 315 nA. Als de RTC loopt, kan de microcontroller ook 32 Kbytes RAM behouden en slechts 600 nA verbruiken.

Voor de flexibiliteit heeft de STM32WB55RGV6 een volledig assortiment randapparaten waaronder twee seriële perifere interfaces (SPIs) en twee I²C-interfaces (Afbeelding 1). Er kan een USB 2.0 Full Speed (FS)-poort worden gebruikt om bestanden over te dragen tussen de toepassing en een pc. Hij kan ook worden gebruikt om een batterij op te laden op de Bluetooth-toepassing, met of zonder ondersteuning voor gegevensoverdracht. De STM32WB55 heeft ook een controller voor een externe 8 x 40 LCD. Er is een aanrakingsgevoelige controller beschikbaar om een touchscreen-interface mogelijk te maken.

Afbeelding 1: De STM32WB55RGV6-microcontroller van STMicroelectronics integreert een Arm Cortex-M4 met FPU en een Bluetooth-radiosubsysteem op één chip. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

De Bluetooth-radio op de STM32WB55RGV6 voldoet aan de laatste Bluetooth-specificatie v5.0. De radio voldoet ook aan de IEEE 802.15.4-2011-specificatie voor de fysieke laag (physical layer - PHY) en mediatoegangscontroller (media access controller - MAC) voor de Bluetooth-radio. Voor toepassingen met batterijvoeding voldoet de radio aan Bluetooth low energy (BLE) en ondersteunt hij gegevenssnelheden van 1 megabit per seconde (Mbit/s) en 2 Mbits/s via een beveiligde verbinding.

De BLE-stack en de IEEE 802.15.4 PHY en MAC-laag draaien op een speciale Arm Cortex-M0+ CPU op de STM32WB. Deze Cortex-M0+ is alleen gewijd aan het uitvoeren van de BLE-stack en kan niet worden gebruikt voor het uitvoeren van toepassingscode van de gebruiker.

De RF front-end van de STM32WB55RGV6-microcontrollerreeks is ontworpen voor minimale externe componenten, zoals te zien is op Afbeelding 2. Hij heeft een speciale geschakelde voeding (switched mode power supply - SMPS) om de RF-schakelsystemen te voeden.

De SMPS is een goed voorbeeld van hoe geïntegreerde oplossingen problemen kunnen oplossen. Om interferentie met het RF-schakelsysteem te beperken, gebruikt de SMPS dezelfde klokfrequentie die wordt gebruikt voor het klokken van de RF-sectie als de Cortex-M0+-microcontroller, wat 4 of 8 MHz is. Om interferentie nog verder te beperken, kan een automatische versterkingsregeling (automatic gain control - AGC) automatisch de RF- en IF-versterking verminderen. Firmware kan de AGC ook handmatig beperken.

Afbeelding 2: De RF front-end van de STM32WB-Bluetooth-microcontroller heeft een Cortex-M0+ BLE-controller, AGC om ruis te verminderen en drie spanningsregelaars. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Voor de RF-sectie zijn enkele externe componenten nodig. Om dit te bereiken heeft de RF front-end on-chip condensators die door de gebruiker kunnen worden geprogrammeerd, zodat het externe 32 MHz-kristal geen externe condensatoren nodig heeft voor de beperking. De RF front-end vermindert ook het aantal componenten door een volledige banddoorlaat-balun op te nemen, die te zien is bij de antennepen (RF1) (Afbeelding 2, opnieuw).

De RF1-pen moet worden verbonden met een compatibele Bluetooth-antenne van 2,4 gigahertz (GHz) via een filter met een bijpassend laagdoorlaatnetwerk. Tenslotte zijn er ontkoppelingscondensators nodig tussen de voeding en aarde van de RF-sectie. De aanbevolen waarden zijn 100 nanofarads (nF) en 100 picofarads (pF) parallel aangesloten.

Net als bij alle radiotoepassingen, hebben het RF-ontwerp en de geselecteerde componenten direct invloed op de prestaties van de Bluetooth-radio. Het gebruik van zeer nauwkeurige componenten verbetert de betrouwbaarheid van de Bluetooth-radio. Voor de ontwerper is het grootste gedeelte van het werk voor de RF-sectie al gedaan. Het is aan de ontwerper om het systeem zo te ontwerpen dat het het pad tussen de externe Bluetooth-antenne en het gekoppelde apparaat niet belemmert.

Om de ontwikkeling met de STM32WB55RGV6 te versnellen, levert STMicroelectronics het P-NUCLEO-WB55 Nucleo ontwikkelingsbord (Afbeelding 3). Het bord wordt geleverd met een USB-dongle die ook een STM32WB-microcontroller heeft.

Afbeelding 3: Het Nucleo-bord van STMicroelectronics voor de STM32WB-familie communiceert met de Bluetooth-dongle om de ontwikkeling van projecten op basis van STM32WB te ondersteunen. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Het Nucleo-bord heeft Arduino™-uitbreidingsconnectors, zodat ontwikkelaars hun projecten kunnen verbeteren met Arduino Uno-compatibele afschermingen. Een ontwikkelaar kan snel een hardware-prototype samenstellen rondom het Nucleo-bord. De Nucleo-toepassing wordt geprogrammeerd en debugged door een pc aan te sluiten op de USB-connector op het bord. Het geprogrammeerde Nucleo-bord kan dan communiceren met de bijgeleverde Bluetooth-dongle of met een pc met Bluetooth.

Toepassingsbeveiliging

Beveiliging van draadloze toepassingen is een groot probleem geworden voor ontwikkelaars. Bedrijven moeten hun gegevens en firmware beschermen tegen aanvallen en ongeautoriseerde namaak. Er is een AES-256 hardware-versleutelingsblok beschikbaar op de STN32WB55RGV6 voor het coderen en decoderen van Bluetooth-overdrachten. Dit voorkomt dat kwaadwillenden kunnen rondneuzen in de Bluetooth-overdrachten en gegevens kunnen onderscheppen.

Het is normaal dat toepassingen worden bijgewerkt via Bluetooth. Dat kan echter ook een aanvalspunt vormen voor hackers om valse firmware-updates te installeren. De STM32WB55RGV6 beschermt tegen installatie van valse firmware met een beveiligde firmware-installatieprocedure (secure firmware installation - SFI). Dit is een systeem met openbare/privésleutels dat een versleuteld firmwarebestand naar de STM32WB55RGV6 stuurt. De STM32WB55RGV6 decodeert het firmwarebestand met een privésleutel die is opgeslagen in het beveiligde opslagblok en een leesbare openbare sleutel die is ondertekend door STMicroelectronics. Dit garandeert dat alleen systemen met geautoriseerde inloggegevens de firmware kunnen bijwerken.

Iedere STM32WB55RGV6 heeft ook een unieke 96-bit identiteit (ID) en een unieke 64-bit ID. Die kunnen worden gebruikt om verschillende STM32WB55RGV6-microcontrollers te identificeren voor extra beveiliging, of zelfs om verschillende functies in firmware in te schakelen voor verschillende systemen ter plaatse.

Conclusie

De ontwikkeling van Bluetooth-apparaten maakt een nauwgezette beheersing van vermogen, afmetingen, kosten en betrouwbaarheid nodig. De selectie van sterk geïntegreerde componenten, zoals de STM32WB55RGV6, kan de uitwisselingsmatrix van ontwerpers sterk vereenvoudigen en de ontwikkelingstijd verkorten.