STM32WB55 — Новое решение STMicroelectronics для создания IOT-устройств

5 Июн 2019

Компания STMicroelectronics — один из лидеров рынка электронных компонентов — представила новую мультипротокольную систему на базе кристалла STM32WB55. Система предназначена в первую очередь для создания IoT-устройств (устройств «Интернета вещей») и имеет поддержку протоколов Bluetooth Low Energy 5.0, ZigBee и Thread, малое энергопотребление и высокую производительность.

---

 

Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №1 (65) 2019

 

Скачать статью в PDF

---

Описание устройства

Микроконтроллеры линейки STM32WB55 построены на базе малопотребляющего ядра STM32 Cortex-M4F (50 мкА/МГц), благодаря чему в режиме приема ток потребления микросхемы составляет всего 3,8 мА. Ядро Cortex-M4F имеет встроенный блок для выполнения операций с плавающей точкой (FPU) ординарной точности, а также реализует набор инструкций для операций цифровой обработки сигналов (DSP), которые поддерживаются бесплатной библиотекой DSP-lib от ARM, в которую, в свою очередь, входят базовая и векторная математика, быстрые тригонометрические функции типа sin, cos, sqrt и т. д., линейная и билинейная интерполяции, БПФ, функции для работы с матрицами и многое другое. Кроме того, ядро Cortex-M4F имеет оптимизированные инструкции SIMD (single instruction multiple data), позволяющие осуществлять работу с пакетированными данными и параллельно выполнять операции с несколькими операндами 8- или 16-бит данных, а также содержит блок защиты памяти (MPU), который повышает безопасность приложений и имеет на борту адаптивный ускоритель реального времени (ART Accelerator).

Особенность линейки STM32WB55 — использование Cortex-M0+ в качестве дополнительного ядра, служащего для разгрузки основного процессора и обеспечения работы в режиме реального времени радиочасти микроконтроллера (рис. 1).

Другое отличие линейки STM32WB55 от уже существующих на рынке решений — присутствие встроенного драйвера пассивного ЖКИ-дисплея с внутренним повышающим преобразователем и разрешением до 8×40 или 4×44, а также поддержка USB2.0 FS и достаточно большой объем памяти — до 1 Мбайт Flash и 256 кбайт RAM.

STM32WB55 обладает встроенным интерфейсом Quad-SPI, а передача данных между микросхемой и периферийными устройствами (а также между разделами памяти внутри самого контроллера) осуществляется двумя контроллерами DMA (по семь каналов каждый) с полным доступом к каждому каналу с помощью периферии DMAMUX (рис. 2).

STM32WB55 имеет на борту межпроцессорный контроллер связи Inter (IPCC) для связи с Bluetooth Low Energy и 802.15.4 через шесть двунаправленных каналов, а FLASH- и SRAM-память оснащены защитой от считывания и записи, а также защитой проприетарного кода. Два механизма AES-шифрования, PKA и RNG, обеспечивают MAC нижнего уровня и верхний уровень криптографии.

Устройства STM32WB55 снабжены встроенным 16-разрядным АЦП и двумя компараторами с ультранизким энергопотреблением, связанными с генератором опорного напряжения высокой точности.

Также STM32WB55 содержат маломощный RTC, один 16-разрядный четырехканальный таймер, два 16-разрядных двухканальных, один 32-разрядный четырехканальный, два 16-разрядных со сверхнизким энергопотреблением, один независимый Systick и один независимый сторожевой таймер.

Контроллеры STM32WB55 способны работать в диапазоне температур –40…+105 °C (+125 °C) с напряжением питания 1,71–3,6 В и доступны в 48-контактных UQFN-, 68-контактных VQFN- или 100-контактных WLCSP-корпусах.

Более подробные характеристики микроконтроллеров линейки STM32WB55 приведены в таблице 1.

 

Беспроводные протоколы STM32WB55

Как уже было отмечено, микроконтроллеры линейки STM32WB включают два ядра: Arm Cortex-M4 — для запуска основного приложения и Cortex-M0+ — для разгрузки основного процессора и обеспечения работы в реальном времени Bluetooth (BLE) 5 и IEEE 802.15.4. Помимо BLE, радиочасть микроконтроллеров также может работать и с другими беспроводными протоколами, такими как Thread, ZigBee или проприетарными протоколами, предоставляющими широкие возможности для разработки устройств «Интернета вещей» (рис. 3).

STM32WB55 обеспечивают повышенную дальность связи в диапазоне 2,4 ГГц благодаря высокой чувствительности 100 дБ (802.15.4) и выходной мощности +6 дБм, которая может быть запрограммирована с шагом в 1 дБ, потребляя всего 5,5 мА в режиме передачи и 3,8 мА в режиме приема.

Совокупность высокой производительности, достигаемой за счет использования двух ядер, поддержки беспроводных протоколов, малого энергопотребления и большого объема памяти поднимает микроконтроллеры STM32WB55 на лидирующие позиции рынка IoT-устройств.

Защита и применение

В первую очередь STM32WB55 предназначены для создания IoT-устройств (рис. 4).

Однако при создании устройств «Интернета вещей» немаловажна и необходимость обеспечения их безопасности. STM32WB55 позиционируется для применения в широком диапазоне устройств, поэтому включает различные механизмы по защите данных и программ. Для поддержания безопасной работы используется защита памяти от чтения и записи, AES-шифрование, специальные процедуры для хранения ключей и отдельные выводы для реализации защиты от вскрытия корпуса изделия:

• Безопасная установка прошивки (SFI) для Bluetooth с низким энергопотреблением и стеком 802.15.4 SW.
• Аппаратное шифрование 3x AES 256 бит.
• Хранение ключей клиента/услуги менеджера ключей.
• HW Public Key Authority (PKA).
• Криптографические алгоритмы: RSA, Diffie-Helman, ECC over GF (p).
• Генератор истинных случайных чисел (TRNG).
• Защита сектора от работы R/W (PCROP).
• Блок расчета CRC.
• 96-битный уникальный идентификатор.
• 64-битный уникальный идентификатор. Возможность получения 802.15.5 64-битной и Bluetooth Low Energy 48-битной EUI.

Алгоритм, по которому проходит подключение и обновление программного кода контроллера, состоит из следующих стадий (рис. 5):

1. Получен новый пакет данных.
2. Запущен процесс обновления.
3. Процессор отправляет подпись пакета данных и ключ шифрования для аутентификации.
4. Проверка соответствия подписи аутентификации предварительно запрограммированному ключу (если подпись не соответствует, процесс прерывается и устройство перезагружается).
5. Пакет данных расшифровывается с помощью проприетарного ключа, и происходит загрузка на устройство.
   
   

   Рис. 5. Алгоритм загрузки программного кода на STM32WB55

Средства отладки и разработки

Поскольку линейка STM32WB55 является частью экосистемы STM32 от STMicroelectronics, то для работы с ней доступен тот же набор отладочных средств, что и для прочих продуктов компании, а именно (рис. 6):

• Программное обеспечение STM32Cube, включающее сотни готовых к использованию примеров, беспроводные стеки и библиотеки.
• Дополнительный специализированный инструмент разработки STM32CubeMonRF с графическим интерфейсом, который позволяет проводить мониторинг и тестировать производительность радиомодуля.
• STM32CubeMX графический генератор кода для STM32.
• Программные пакеты от сторонних производителей (IAR, Keil, Cosmic и т. д.).

В качестве комплекта для разработки на базе STM32WB55 компания STMicroelectronics предлагает пользователям комплект P-NUCLEO-WB55 с платами MB1355C и MB1293C (рис. 7).

Применение отладочных плат значительно упрощает процесс разработки и создания прототипных решений. Сравнительные характеристики плат приведены в таблице 2.

Заключение

Компания STMicroelectronics в очередной раз выпустила передовое решение, предназначенное на этот раз для рынка устройств «Интернета вещей». Линейка STM32WB55 работает сразу на двух ядрах ARM (M4 и M0+), имеет поддержку протоколов Bluetooth Low Energy 5.0, ZigBee и Thread, малое энергопотребление и высокую производительность, поддерживается программными пакетами от ST (STM32CubeMonRF, STM32CubeMX) и сторонних производителей, а также имеет доступные платы для отладки и разработки. Все это в совокупности делает линейку микроконтроллеров STM32WB55 отличным выбором для создания и быстрого вывода на рынок собственных IoT-устройств.

 

Литература:

1. STM32WB55xx. Datasheet. Multiprotocol wireless 32-bit MCU Arm®-based Cortex®-M4 with FPU, Bluetooth® 5 and 802.15.4 radio solution
2. STM32WB Wireless Series Bluetooth™ 5 & IEEE 802.15.4
3. UM2435. User manual. Bluetooth® Low Energy and 802.15.4 Nucleo pack based on STM32WB Series microcontrollers