在構(gòu)建電池供電的藍(lán)牙設(shè)備時(shí)，開(kāi)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(lái)越短的產(chǎn)品上市時(shí)間。盡管這一工程權(quán)衡矩陣越來(lái)越復(fù)雜，但也并非完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榘雽?dǎo)體供應(yīng)商推出的一些創(chuàng)新解決方案可以幫助開(kāi)發(fā)人員解決這些特定問(wèn)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(lán)牙無(wú)線電。
如今，藍(lán)牙配件市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，本文首先將闡述相關(guān)設(shè)計(jì)要求，之后將介紹 STM32WB55RGV6 及其應(yīng)用方法。
藍(lán)牙配件要求
通常情況下，藍(lán)牙配件對(duì)電池續(xù)航時(shí)間和尺寸都有所要求。對(duì)于消費(fèi)類藍(lán)牙產(chǎn)品，電池續(xù)航時(shí)間越長(zhǎng)，客戶滿意度越高，因此應(yīng)選擇小尺寸、低功耗的組件。初步設(shè)計(jì)應(yīng)具有足夠的靈活性，便于在需要時(shí)替換組件，因?yàn)殡S著開(kāi)發(fā)過(guò)程的推進(jìn)，可能會(huì)找到比已選產(chǎn)品更好的替代品，這種情況并不罕見(jiàn)。
藍(lán)牙設(shè)計(jì)通常分為三個(gè)部分：藍(lán)牙無(wú)線電、應(yīng)用處理器和支持組件，以及用戶界面（按鈕、LED、揚(yáng)聲器）。STMicroelectronics 在同一微控制器上集成了控制處理器和藍(lán)牙無(wú)線電，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。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(diǎn)運(yùn)算單元 (FPU) 的 Arm? Cortex?-M4 處理器和完整的藍(lán)牙無(wú)線電模塊。板載存儲(chǔ)器包括 1 MB 的閃存和 256 KB 的 SRAM。
STM32WB55RGV6 具有三個(gè)片上穩(wěn)壓器：處理器處于運(yùn)行和休眠模式時(shí)，主穩(wěn)壓器運(yùn)行；低功耗穩(wěn)壓器則用于低功耗運(yùn)行和低功耗休眠模式；射頻 (RF) 穩(wěn)壓器僅用于為藍(lán)牙無(wú)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(yīng)用而設(shè)計(jì)開(kāi)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(yīng)用。關(guān)斷模式下，如果實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC) 保持運(yùn)行，則設(shè)備僅消耗 315 nA 電流。在 RTC 運(yùn)行的情況下，微控制器也可以保留 32 KB 的 RAM，同時(shí)僅消耗 600 nA 電流。
為實(shí)現(xiàn)靈活性，STM32WB55RGV6 具有全套外設(shè)，包括兩個(gè)串行外設(shè)接口 (SPI) 和兩個(gè) I2C 接口（圖 1）。該微控制器配備一個(gè) USB 2.0 全速 (FS) 端口，可用于在應(yīng)用和個(gè)人電腦之間傳輸文件，也可用于為藍(lán)牙應(yīng)用的電池充電，無(wú)論該應(yīng)用是否支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。此外，STM32WB55 另設(shè)一個(gè)控制器用于外部 8 x 40 LCD，以及觸摸感應(yīng)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(lán)牙無(wú)線電子系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）
STM32WB55RGV6 的藍(lán)牙無(wú)線電符合最新的藍(lán)牙規(guī)范 v5.0。此外，該無(wú)線電還符合 IEEE 802.15.4-2011 規(guī)范中關(guān)于藍(lán)牙無(wú)線電物理層 (PHY) 和媒體訪問(wèn)控制器 (MAC) 的要求。對(duì)于電池供電的應(yīng)用，該無(wú)線電符合低功耗藍(lán)牙 (BLE) 標(biāo)準(zhǔn)，并支持通過(guò)安全連接實(shí)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(yùn)行。此 Cortex-M0+ 專用于運(yùn)行 BLE 堆棧，不能用于運(yùn)行用戶應(yīng)用代碼。
STM32WB55RGV6 微控制器系列的射頻前端設(shè)計(jì)旨在最大限度地精簡(jiǎn)外部元器件，如圖 2 所示。該微控制器通過(guò)專用的開(kāi)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(wèn)題。為了最大限度地減少對(duì)射頻電路的干擾，SMPS 為射頻部分提供的時(shí)鐘頻率與 Cortex-M0+ 微控制器相同，即 4 或 8 MHz。如需進(jìn)一步減少干擾，可以通過(guò)自動(dòng)增益控制 (AGC) 自動(dòng)降低射頻和中頻 (IF) 增益，也可以使用固件手動(dòng)微調(diào) AGC。
圖 2：STM32WB 藍(lán)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(gè)穩(wěn)壓器。（圖片來(lái)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(jiàn)圖 2）。
RF1 引腳必須通過(guò)低通匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波，然后連接兼容藍(lán)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(wú)線電應(yīng)用一樣，射頻設(shè)計(jì)和組件選型會(huì)直接影響藍(lán)牙無(wú)線電的性能。使用高精度組件將提高藍(lán)牙無(wú)線電的可靠性。對(duì)于設(shè)計(jì)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(jì)才不會(huì)影響外部藍(lán)牙天線與配對(duì)設(shè)備之間的通路，就要由開(kāi)發(fā)人員決定了。
為加快 STM32WB55RGV6 應(yīng)用的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，STMicroelectronics 提供了 P-NUCLEO-WB55 Nucleo 開(kāi)發(fā)板（圖 3）。該開(kāi)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(kāi)發(fā)板適用于 STM32WB 系列產(chǎn)品，可連接藍(lán)牙加密狗以支持基于 STM32WB 的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）
Nucleo 開(kāi)發(fā)板具有 Arduino? 擴(kuò)展連接器，便于開(kāi)發(fā)人員使用 Arduino Uno 兼容擴(kuò)展板來(lái)增強(qiáng)項(xiàng)目功能。開(kāi)發(fā)人員可圍繞 Nucleo 開(kāi)發(fā)板快速構(gòu)建硬件原型。通過(guò)開(kāi)發(fā)板的 USB 連接器連接個(gè)人電腦，即可編程和調(diào)試 Nucleo 應(yīng)用。然后，已編程的 Nucleo 開(kāi)發(fā)板便可與隨附的藍(lán)牙加密狗或支持藍(lán)牙的個(gè)人電腦進(jìn)行通信。
應(yīng)用安全性
無(wú)線應(yīng)用的安全性已成為開(kāi)發(fā)人員的一大關(guān)注點(diǎn)。公司需要保護(hù)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(lán)牙傳輸，從而防止惡意攻擊者窺探藍(lán)牙傳輸并捕獲數(shù)據(jù)。
應(yīng)用往往可通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行更新，但這也為黑客提供了攻擊點(diǎn)以安裝虛假的固件更新。STM32WB55RGV6 通過(guò)安全固件安裝 (SFI) 防止虛假的固件安裝。這是一個(gè)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(chǔ)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(gè) STM32WB55RGV6 都具有唯一的 96 位標(biāo)識(shí)符 (ID) 和唯一的 64 位標(biāo)識(shí)符。唯一標(biāo)識(shí)符可用于識(shí)別不同的 STM32WB55RGV6 微控制器，從而進(jìn)一步提高安全性，甚至可用于現(xiàn)場(chǎng)啟用不同系統(tǒng)固件的不同功能。
總結(jié)
藍(lán)牙設(shè)備的開(kāi)發(fā)需要嚴(yán)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的權(quán)衡矩陣，最大限度地縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。
