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基于意法半导体STM32WB55RGV6的无线智能家居电路设计
发布时间:2020-02-14
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基于意法半导体STM32WB55RGV6的无线智能家居电路设计
发布时间:2020-02-14
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开发人员一直面临着构建小型,可靠,低功耗和低成本的电池供电蓝牙设备的持续压力,同时满足更短的上市时间窗口。这是一个工程权衡矩阵变得越来越困难,但由于半导体供应商的创新解决方案有助于解决这些特定问题,因此并非不可能。

其中一个解决方案是意法半导体的STM32WB55RGV6微控制器,该微控制器集成了控制处理器和蓝牙无线电。

在介绍STM32WB55RGV6之前,本文将阐述不断增长的蓝牙配件市场的设计要求以及如何应用它。

蓝牙配件要求

蓝牙配件通常对电池寿命和尺寸有相同的要求。对于消费者蓝牙产品,更长的电池寿命与客户满意度直接相关,因此应选择小尺寸和低功耗的组件。初始设计应该具有足够的替代灵活性,因为随着开发过程的推进,找到比已经选择的产品更好的产品并不罕见。

蓝牙设计通常分为三个部分:蓝牙无线电,应用处理器和支持组件,以及用户界面(按钮,LED,扬声器)。意法半导体通过在同一个微控制器上集成控制处理器和蓝牙无线电,简化了设计。所述微控制器STM32WB55RGV6是意法半导体的一部分STM32WB 微控制器家族,其在64兆赫(MHz)集成臂 ®Cortex®-M4具有浮点单元(FPU)处理器和单个芯片上的完整的蓝牙无线电装置。板载内存包括1兆字节(Mbyte)的闪存和256千字节(Kbytes)的SRAM。

STM32WB55RGV6具有三个片内稳压器。主处理器在处理器处于运行和休眠模式时运行。低功耗稳压器用于低功耗运行和低功耗休眠模式。射频(RF)调节器仅用于为蓝牙无线电和射频子系统供电。

还有其他参数清楚地表明STM32WB55RGV6是为低功耗应用而构建的。它具有13纳安(nA)的关断模式,可以关闭芯片上的所有内容,除了一些RAM。如果实时时钟(RTC)在关机状态下保持运行,则器件仅消耗315 nA。在RTC运行的情况下,微控制器还可以保留32 KB的RAM,同时仅消耗600 nA。

为了提高灵活性,STM32WB55RGV6具有全系列外设,包括两个串行外设接口(SPI)和两个I 2 C接口(图1)。USB 2.0全速(FS)端口可用于在应用程序和PC之间传输文件。它也可用于为蓝牙应用程序上的电池充电,无论是否支持数据传输。STM32WB55还有一个用于外部8 x 40 LCD的控制器。触摸感应控制器可用于启用触摸屏界面。

STM32WB55RGV6上的蓝牙无线电符合最新的蓝牙规范v5.0。该无线电还符合用于蓝牙无线电的物理层(PHY)和媒体访问控制器(MAC)的IEEE 802.15.4-2011规范。对于电池供电的应用,无线电符合蓝牙低功耗(BLE)标准,并通过安全连接支持1兆位/秒(Mbit / s)和2 Mbits / s的数据速率。

BLE堆栈和IEEE 802.15.4 PHY和MAC层在STM32WB上的专用Arm Cortex-M0 + CPU上运行。此Cortex-M0 +专用于仅运行BLE堆栈,不能用于运行用户应用程序代码。

STM32WB55RGV6微控制器系列的RF前端设计用于最少的外部元件,如图2所示。它具有专用的开关模式电源(SMPS),用于为RF电路供电。

SMPS是集成解决方案如何解决问题的一个很好的例子。为了最大限度地减少对RF电路的干扰,SMPS使用与RF部分相同的时钟频率作为Cortex-M0 +微控制器(4或8 MHz)。为了进一步降低干扰,自动增益控制(AGC)可以自动降低RF和IF增益。固件也可以手动修剪AGC。

RF部分需要很少的外部元件。为实现这一目标,RF前端具有用户可编程的片上电容,因此外部32 MHz晶振不需要外部微调电容。RF前端还通过在天线引脚(RF1)附近看到一个完整的带通巴伦来减少元件数量(图2,再次)。

RF1引脚必须通过具有低通匹配网络的滤波器连接到兼容的蓝牙2.4千兆赫(GHz)天线。最后,需要在RF部分电源和地之间去耦电容器。建议值为100纳法(nF)和100皮法(pF)并联连接。

与任何无线电应用一样,RF设计和组件选择直接影响蓝牙无线电的性能。使用高精度组件将提高蓝牙无线电的可靠性。对于设计人员来说,RF部分的大部分工作已经完成。由开发人员来设计系统,使其不会妨碍外部蓝牙天线与配对设备之间的路径。

为了帮助加快STM32WB55RGV6的开发,意法半导体提供P-NUCLEO-WB55 Nucleo开发板(图3)。该主板还配有一个USB加密狗,它还带有一个STM32WB微控制器。

Nucleo板具有Arduino ™扩展连接器,允许开发人员使用Arduino Uno兼容屏蔽来增强他们的项目。开发人员可以在Nucleo板周围快速组装硬件原型。通过将PC连接到电路板上的USB连接器来编程和调试Nucleo应用程序。然后,编程的Nucleo板可以与提供的蓝牙适配器或支持蓝牙的PC通信。

应用安全性

无线应用的安全性已成为开发人员的主要关注点。公司需要保护他们的数据和固件免受攻击和未经授权的伪造。STN32WB55RGV6上的AES-256硬件加密模块可用于加密和解密蓝牙传输。这可以防止恶意行为者窥探蓝牙传输并捕获数据。

应用程序通过蓝牙进行更新是很常见的。但是,这也可以为黑客提供安装虚假固件更新的攻击点。STM32WB55RGV6通过安全固件安装(SFI)过程防止错误的固件安装。这是一个公钥/私钥系统,可将加密的固件文件传输到STM32WB55RGV6。STM32WB55RGV6使用存储在其安全存储块中的私钥和意法半导体签署的可读公钥解密固件文件。这可确保只有具有授权凭据的系统才能更新固件。

每个STM32WB55RGV6还具有唯一的96位标识(ID)和唯一的64位ID。这些可用于识别不同的STM32WB55RGV6微控制器以提高安全性,甚至可为现场不同系统的固件启用不同功能。

结论

蓝牙设备的发展需要严格控制功率,尺寸,成本和可靠性。选择高度集成的元件(如STM32WB55RGV6)可以大大简化设计人员的权衡矩阵并最大限度地缩短开发时间。

 

文章来源网络

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