Высокопроизводительные микроконтроллеры STM32WB с поддержкой Bluetooth 5 и IEEE 802.15.4

11 Июл 2018

Скачать статью в PDF

---

Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №1 2018

Серия STM32WB поддерживает стандарт Bluetooth 5, а также беспроводные протоколы 802.15.4 для удовлетворения требований широкого спектра приложений, которым нужны лучшие беспроводные решения в своем классе.

Обзор возможностей семейства

Многопротокольные беспроводные и ультранизкопотребляющие устройства STM32WB55xx сочетают в себе производительность и сверхнизкое энергопотребление, совместимое с технологией Bluetooth^® Low Energy SIG v5.0 и с IEEE 802.15.4-2011. Они содержат распределенное ядро Arm^® Cortex^®-M0+ для выполнения всех операций низкого уровня в режиме реального времени.

Устройства STM32WB55xx рассчитаны на чрезвычайно малую мощность и основаны на высокопроизводительном 32-разрядном RISC-ядре Arm^® Cortex^®-M4, работающем на частоте до 64 МГц. Ядро Cortex^®-M4 имеет блок для выполнения операций с плавающей точкой (FPU) ординарной точности, который поддерживает обработку всех инструкций и данных ARM с ординарной точностью. Ядро также реализует полный набор инструкций для операций цифровой обработки сигналов (DSP) и блок защиты памяти (MPU), который повышает безопасность приложений.

Усовершенствованная межпроцессорная связь обеспечивается IPCC с шестью двунаправленными каналами. HSEM предоставляет аппаратные семафоры, используемые для распределения общих ресурсов между двумя процессорами.

Устройства STM32WB55xx включают высокоскоростную память (флэш-память до 1 Мбайт, до 256 Кбайт SRAM), интерфейс флэш-памяти Quad-SPI (доступен на всех пакетах) и расширенный диапазон усовершенствованных входных/выходных линий и периферийных устройств.

Прямая передача данных между памятью и периферийными устройствами и из памяти в память поддерживается 14 каналами DMA с полным доступом к каждому каналу с помощью периферии DMAMUX.

Устройства STM32WB55xx включают несколько механизмов для встроенной флэш-памяти и SRAM: защита считывания, защита от записи и защита проприетарного кода. Части памяти могут быть защищены для предоставления эксклюзивного доступа к ядру Cortex^®-M0+.

Два механизма AES-шифрования PKA и RNG обеспечивают MAC нижнего уровня и верхний уровень криптографии. Функция хранения ключа клиента может использоваться для скрытия ключей.

Устройства предлагают один быстрый 16-разрядный АЦП и два компаратора с ультранизким энергопотреблением, связанные с генератором опорного напряжения высокой точности.

STM32WB55xx включают маломощный RTC, один расширенный 16-разрядный таймер, один 32-разрядный таймер общего назначения, два 16-разрядных таймера общего назначения и два 16-разрядных маломощных таймера.

Кроме того, доступно до 28 емкостных датчиков. Устройства также включают встроенный ЖК-драйвер до 8×40 или 4×44, с внутренним повышающим преобразователем. Они также оснащены стандартными и расширенными коммуникационными интерфейсами.

STM32WB55xx работают в диапазоне температур от –40 до +105 ° C (+125 °C) от источника питания от 1,71 до 3,6 В. Полный набор режимов энергосбережения позволяет использовать их при разработке низкопотребляющих устройств.

STM32WB55xx интегрирует высокоэффективный понижающий преобразователь SMPS. Он включает в себя независимые источники питания для аналогового входа АЦП и компараторов, а также 3,3-В выделенный вход питания для USB.

Специальное питание VBAT дает возможность создавать резервные копии генератора LSE 32,768 кГц, RTC и резервные регистры, что позволяет STM32WB55xx предоставлять эти функции, даже если основное питание (VDD) отсутствует, через батарею типа CR2032, суперкап или небольшую перезаряжаемую батарею.

Устройства STM32WB доступны в виде 48-контактного UQFN, 68-контактного VQFN или 100-контактного WLCSP с до 72 GPIO. Каждый из них может быть задан с любой из трех конфигураций памяти, предоставляя выбор 256  кбайт флэш-памяти и 128 кбайт ОЗУ, 512   кбайт Flash / 256  кбайт ОЗУ или 1 Мбайт Flash / 256 кбайт ОЗУ.

SOC и экономия ресурсов

Новые микроконтроллеры STM32WB для беспроводной системы на чипе (SoC) объединяют полнофункциональный микроконтроллер Arm^® Cortex^®-M4 для запуска основного приложения, а также ядра Cortex-M0+ для разгрузки основного процессора и обеспечения работы в реальном режиме времени радиочасти с низким потреблением энергии Bluetooth (BLE) 5 и IEEE 802.15.4. Радиочасть также может одновременно запускать другие беспроводные протоколы, включая OpenThread, ZigBee^® или проприетарные протоколы, предоставляя еще больше возможностей для разработки устройств «Интернета вещей» (IoT).

В настоящее время немногие производители предлагают аналогичные двухпроцессорные беспроводные чипы, способные управлять пользовательским приложением и радио по отдельности для обеспечения оптимальной производительности и с большим объемом памяти. Альтернативы обычно используют начальные уровни ядра Cortex-M начального уровня, которые вводят ограничения архитектуры.

Комбинируя высокопроизводительный Cortex-M4 с Cortex-M0+ для сетевой обработки, STM32WB использует технологии малопотребляющих микроконтроллеров от ST, чтобы сочетать превосходные радиочастотные характеристики для увеличения срока службы батареи. SoC содержит в себе схему (balun) для подключения к антенне, которую инженеры обычно должны разрабатывать самостоятельно, а также более расширенную пользовательскую и системную память, аппаратное шифрование и хранение ключей клиентов для защиты бренда и IP.

В качестве эволюции известной и ведущей на рынке серии малопотребляющих MCU STM32L4, платформа STM32WB обеспечивает встроенную беспроводную связь с семейством STM32 ST. Маломощный радиоприемник 2,4 ГГц потребляет всего 5,5 мА в режиме передачи данных и всего 3,8 мА при приеме. STM32WB предлагает удобный радиочастотный канал связи –102 дБ и способен на выходную мощность +6 дБ. Интегрированный балун, используя опыт ST в одночиповых балунах, экономит до девяти дополнительных внешних компонентов.

Таблица.
Сравнительные характеристики STM32WB55Cx, STM32WB55Rx, STM32WB55Vx

Характеристики		STM32WB55Cx			STM32WB55Rx			STM32WB55Vx
Плотность Флэш-памяти		256 Кбайт	512 Кбайт	1 Мбайт	256 Кбайт	512 Кбайт	1 Мбайт	256 Кбайт	512 Кбайт	1 Мбайт
Плотность SRAM		128 Кбайт	256 Кбайт	256 Кбайт	128 Кбайт	256 Кбайт	256 Кбайт	128 Кбайт	256 Кбайт	256 Кбайт
BLE		V5.0 (2 Mбит/c)
IEEE 802.15.4		Есть
Таймеры	Расширенный	1 (16 бит)
	Общего назначения	2 (16 бит)+1 (32 бит)
	Таймер выключения	2 (16 бит)
	Системный таймер	1
Интерфейсы связи	SPI	1			2
	I2C	2
	USART	1
	LPUART	1
	SAI	2 канала
	USB FS	Есть
	QSPI	1
RTC (ЧРВ)		1
Пин внешнего прерывания		1			3
Активирующий (пробуждающий) пин		2			5
LCD, COMxSEG		Есть, 4×13			Есть, 7×23 или 4×26			Есть, 8×40 или 4×44
Интерфейсы ввода/вывода общего назначения (GPIOs)		30			49			72
Ёмкостные датчики		1×4			3×4			7×4
Число каналов 16-битного АЦП		13 (включая 3 внутренних)			19 (включая 3 внутренних)
Внутреннее Vref			Нет		Есть
Аналоговый компаратор		2
Максимальная частота ЦПУ		64 МГц
Допустимые температуры для работы		Температура окружающей среды: от –40 до +105 °С Температура соединения: от –40 до +125 °С
Рабочее напряжение		От 1,71 до 3,6 В
Форма		UFQFPN48 7×7 мм шаг 0,5 мм, припой			VFQFPN68 8×8 мм шаг 0,4 мм, припой			WLCSP100 шаг 0,4 мм

Средства разработки

STM32WB, как часть экосистемы STM32 микроконтроллеров, предлагает широкий набор средств разработки, включая программное обеспечение STM32Cube, беспроводные стеки, библиотеки, STM32 Nucleo/Discovery наборы и платы для прототипов. Дополнительный специализированный инструмент разработки STM32CubeMonRF также доступен для настройки радиочасти, снижающей время выхода на рынок. STM32WB, первое семейство STM32 в области беспроводного подключения, — легкие в использовании, надежные и идеально подходят для широкого спектра промышленных и потребительских приложений.

Для поддержки разработки платформа STM32WB обслуживается специальным инструментом, STM32CubeMonitor-RF (код заказа: STM32CubeMonRF), что упрощает радиотестирование. Пользователи могут также использовать конфигуратор ножек/клока STM32CubeMX и генератор кода, а также периферийные драйверы, промежуточное программное обеспечение, примеры кода и специальную плату STM32 Nucleo для ускорения выхода на рынок.

Помимо ПО от STM, доступны и средства разработки от сторонних фирм: IAR, Keil и т. д.

Двухъядерная архитектура STM32WB позволяет в реальном времени выполнять как код приложения, так и задачи сетевой обработки. В результате разработчики могут обеспечить выдающийся опыт конечных пользователей, а также воспользоваться гибкостью для оптимизации системных ресурсов, энергопотребления и стоимости.

Защита

Современные функции защиты необходимы для защиты данных пользователей и помогают производителям продуктов, защищают их интеллектуальную собственность на всех смарт-устройствах — включают встроенное хранилище ключей для клиентов, механизм шифрования эллиптической кривой для аутентификации с открытым ключом (PKA) и аппаратную поддержку 256-битной криптографии AES. Производители могут также использовать будущие продукты в полевых условиях, используя Secure Firmware Update (SFU) и поддержку Root Secure Service (RSS) для проверки подлинности Over the Air (OTA). Технология Over-The-Air (OTA) (в переводе с англ. «по воздуху») (применительно к GSM-телефонам) — это радиоинтерфейс между сотовым телефоном и приемопередатчиком базовой станции сети сотовой связи. Этот интерфейс подразумевает наличие логических и физических каналов и поддержку протоколов, необходимых для поддержания радиосоединения между телефоном и ППБС сотовой сети стандарта GSM.