使用集成射頻的微控制器快速實現小型低功耗藍牙配件

在構建電池供電的藍牙設備時，開發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品上市時間。盡管這一工程權衡矩陣越來越復雜，但也并非完全無法實現，因為半導體供應商推出的一些創新解決方案可以幫助開發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設計要求，之后將介紹 STM32WB55RGV6 及其應用方法。

藍牙配件要求

通常情況下，藍牙配件對電池續航時間和尺寸都有所要求。對于消費類藍牙產品，電池續航時間越長，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，因為隨著開發過程的推進，可能會找到比已選產品更好的替代品，這種情況并不罕見。

藍牙設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，從而簡化了設計。STM32WB55RGV6 微控制器是 STMicroelectronics 的?STM32WB?微控制器系列產品之一，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 具有三個片上穩壓器：電子發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，主穩壓器運行；低功耗穩壓器則用于低功耗運行和低功耗休眠模式；射頻 (RF) 穩壓器僅用于為藍牙無線電和射頻子系統供電。

此外，其他一些參數也表明 STM32WB55RGV6 專為低功耗應用而設計開發。該微控制器采用 13 nA 關斷模式，可以關閉芯片上除部分 RAM 之外的所有應用。關斷模式下，如果實時時鐘 (RTC) 保持運行，則設備僅消耗 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。

為實現靈活性，STM32WB55RGV6 具有全套外設，包括兩個串行外設接口 (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據傳輸。此外，STM32WB55 另設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。（圖片來源：STMicroelectronics）

STM32WB55RGV6 的藍牙無線電符合最新的藍牙規范 v5.0。此外，該無線電還符合 IEEE 802.15.4-2011 規范中關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 1 Mbps 和 2 Mbps 的數據速率。

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 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電容器。此外，天線引腳 (RF1) 附近配置全帶通平衡/不平衡轉換器，以此亦可減少外部元器件數（見圖 2）。

RF1 引腳必須通過低通匹配網絡進行濾波，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 的并聯電容。

與所有無線電應用一樣，射頻設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。對于設計人員而言，射頻部分的大部分工作已經完成。至于系統該如何設計才不會影響外部藍牙天線與配對設備之間的通路，就要由開發人員決定了。

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

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

Nucleo 開發板具有?Arduino? 擴展連接器，便于開發人員使用 Arduino Uno 兼容擴展板來增強項目功能。開發人員可圍繞 Nucleo 開發板快速構建硬件原型。通過開發板的 USB 連接器連接個人電腦，即可編程和調試 Nucleo 應用。然后，已編程的 Nucleo 開發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人員的一大關注點。公司需要保護數據和固件以防止遭受攻擊和未經授權的偽造。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據。

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，可將加密的固件文件傳輸到 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憑據的系統才能更新固件。

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，甚至可用于現場啟用不同系統固件的不同功能。

總結

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