使用集成射頻的微控制器快速實現(xiàn)小型低功耗藍牙配件

在構(gòu)建電池供電的藍牙設(shè)備時，開發(fā)人員一直面臨著較大的壓力：既要小巧、可靠、低功耗、低成本，還需滿足越來越短的產(chǎn)品上市時間。盡管這一工程權(quán)衡矩陣越來越復雜，但也并非完全無法實現(xiàn)，因為半導體供應商推出的一些創(chuàng)新解決方案可以幫助開發(fā)人員解決這些特定問題。

其中一種解決方案是?STMicroelectronics?推出的?STM32WB55RGV6?微控制器，該微控制集成了控制處理器和藍牙無線電。

如今，藍牙配件市場不斷增長，本文首先將闡述相關(guān)設(shè)計要求，之后將介紹 STM32WB55RGV6 及其應用方法。

藍牙配件要求

通常情況下，藍牙配件對電池續(xù)航時間和尺寸都有所要求。對于消費類藍牙產(chǎn)品，電池續(xù)航時間越長，客戶滿意度越高，因此應選擇小尺寸、低功耗的組件。初步設(shè)計應具有足夠的靈活性，便于在需要時替換組件，因為隨著開發(fā)過程的推進，可能會找到比已選產(chǎn)品更好的替代品，這種情況并不罕見。

藍牙設(shè)計通常分為三個部分：藍牙無線電、應用處理器和支持組件，以及用戶界面（按鈕、LED、揚聲器）。STMicroelectronics 在同一微控制器上集成了控制處理器和藍牙無線電，從而簡化了設(shè)計。STM32WB55RGV6 微控制器是 STMicroelectronics 的?STM32WB?微控制器系列產(chǎn)品之一，該微控制器在單芯片上集成了 64 MHz 帶浮點運算單元 (FPU) 的?Arm? Cortex?-M4 處理器和完整的藍牙無線電模塊。板載存儲器包括 1 MB 的閃存和 256 KB 的 SRAM。

STM32WB55RGV6 具有三個片上穩(wěn)壓器：電子發(fā)燒友公眾號回復資料和郵箱地址可以獲取電子資料一份。處理器處于運行和休眠模式時，主穩(wěn)壓器運行；低功耗穩(wěn)壓器則用于低功耗運行和低功耗休眠模式；射頻 (RF) 穩(wěn)壓器僅用于為藍牙無線電和射頻子系統(tǒng)供電。

此外，其他一些參數(shù)也表明 STM32WB55RGV6 專為低功耗應用而設(shè)計開發(fā)。該微控制器采用 13 nA 關(guān)斷模式，可以關(guān)閉芯片上除部分 RAM 之外的所有應用。關(guān)斷模式下，如果實時時鐘 (RTC) 保持運行，則設(shè)備僅消耗 315 nA 電流。在 RTC 運行的情況下，微控制器也可以保留 32 KB 的 RAM，同時僅消耗 600 nA 電流。

為實現(xiàn)靈活性，STM32WB55RGV6 具有全套外設(shè)，包括兩個串行外設(shè)接口 (SPI) 和兩個 I2C 接口（圖 1）。該微控制器配備一個 USB 2.0 全速 (FS) 端口，可用于在應用和個人電腦之間傳輸文件，也可用于為藍牙應用的電池充電，無論該應用是否支持數(shù)據(jù)傳輸。此外，STM32WB55 另設(shè)一個控制器用于外部 8 x 40 LCD，以及觸摸感應控制器可用于連接觸摸屏。

圖 1：STMicroelectronics 的 STM32WB55RGV6 微控制器在單芯片上集成了帶 FPU 的 Arm Cortex-M4 和藍牙無線電子系統(tǒng)。（圖片來源：STMicroelectronics）

STM32WB55RGV6 的藍牙無線電符合最新的藍牙規(guī)范 v5.0。此外，該無線電還符合 IEEE 802.15.4-2011 規(guī)范中關(guān)于藍牙無線電物理層 (PHY) 和媒體訪問控制器 (MAC) 的要求。對于電池供電的應用，該無線電符合低功耗藍牙 (BLE) 標準，并支持通過安全連接實現(xiàn) 1 Mbps 和 2 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。

BLE 堆棧和符合 IEEE 802.15.4 的 PHY 層及 MAC 層在 STM32WB 的專用 Arm Cortex-M0+ CPU 上運行。此 Cortex-M0+ 專用于運行 BLE 堆棧，不能用于運行用戶應用代碼。

STM32WB55RGV6 微控制器系列的射頻前端設(shè)計旨在最大限度地精簡外部元器件，如圖 2 所示。該微控制器通過專用的開關(guān)模式電源 (SMPS) 為射頻電路供電。

SMPS 作為典型范例闡示了如何采用集成解決方案解決問題。為了最大限度地減少對射頻電路的干擾，SMPS 為射頻部分提供的時鐘頻率與 Cortex-M0+ 微控制器相同，即 4 或 8 MHz。如需進一步減少干擾，可以通過自動增益控制 (AGC) 自動降低射頻和中頻 (IF) 增益，也可以使用固件手動微調(diào) AGC。

圖 2：STM32WB 藍牙微控制器的射頻前端包括 Cortex-M0+ BLE 控制器、用于降噪的 AGC 和三個穩(wěn)壓器。（圖片來源：STMicroelectronics）

射頻部分只需接入少量外部元器件。為此，射頻前端配備用戶可編程的片式電容器，因此 32 MHz 外部晶振不需要另接外部微調(diào)電容器。此外，天線引腳 (RF1) 附近配置全帶通平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器，以此亦可減少外部元器件數(shù)（見圖 2）。

RF1 引腳必須通過低通匹配網(wǎng)絡(luò)進行濾波，然后連接兼容藍牙的 2.4 GHz 天線。最后，射頻部分的電源與地之間必須接入去耦電容。建議采用的電容值為 100 nF 和 100 pF 的并聯(lián)電容。

與所有無線電應用一樣，射頻設(shè)計和組件選型會直接影響藍牙無線電的性能。使用高精度組件將提高藍牙無線電的可靠性。對于設(shè)計人員而言，射頻部分的大部分工作已經(jīng)完成。至于系統(tǒng)該如何設(shè)計才不會影響外部藍牙天線與配對設(shè)備之間的通路，就要由開發(fā)人員決定了。

為加快 STM32WB55RGV6 應用的開發(fā)進程，STMicroelectronics 提供了?P-NUCLEO-WB55?Nucleo 開發(fā)板（圖 3）。該開發(fā)板還自帶 USB 加密狗，其中也配備了 STM32WB 微控制器。

圖 3：STMicroelectronics 的 Nucleo 開發(fā)板適用于 STM32WB 系列產(chǎn)品，可連接藍牙加密狗以支持基于 STM32WB 的項目開發(fā)。（圖片來源：STMicroelectronics）

Nucleo 開發(fā)板具有?Arduino? 擴展連接器，便于開發(fā)人員使用 Arduino Uno 兼容擴展板來增強項目功能。開發(fā)人員可圍繞 Nucleo 開發(fā)板快速構(gòu)建硬件原型。通過開發(fā)板的 USB 連接器連接個人電腦，即可編程和調(diào)試 Nucleo 應用。然后，已編程的 Nucleo 開發(fā)板便可與隨附的藍牙加密狗或支持藍牙的個人電腦進行通信。

應用安全性

無線應用的安全性已成為開發(fā)人員的一大關(guān)注點。公司需要保護數(shù)據(jù)和固件以防止遭受攻擊和未經(jīng)授權(quán)的偽造。STN32WB55RGV6 的 AES-256 硬件加密模塊可用于加密和解密藍牙傳輸，從而防止惡意攻擊者窺探藍牙傳輸并捕獲數(shù)據(jù)。

應用往往可通過藍牙進行更新，但這也為黑客提供了攻擊點以安裝虛假的固件更新。STM32WB55RGV6 通過安全固件安裝 (SFI) 防止虛假的固件安裝。這是一個公鑰/私鑰系統(tǒng)，可將加密的固件文件傳輸?shù)?STM32WB55RGV6，STM32WB55RGV6 則使用安全存儲模塊中的私鑰和 STMicroelectronics 簽署的可讀公鑰解密固件文件，從而確保只有具有授權(quán)憑據(jù)的系統(tǒng)才能更新固件。

此外，每個 STM32WB55RGV6 都具有唯一的 96 位標識符 (ID) 和唯一的 64 位標識符。唯一標識符可用于識別不同的 STM32WB55RGV6 微控制器，從而進一步提高安全性，甚至可用于現(xiàn)場啟用不同系統(tǒng)固件的不同功能。

總結(jié)

藍牙設(shè)備的開發(fā)需要嚴格控制功率、尺寸、成本和可靠性。選擇使用 STM32WB55RGV6 等高度集成組件，可以極大地簡化設(shè)計人員的權(quán)衡矩陣，最大限度地縮短開發(fā)時間。