Implemente rápidamente un accesorio de Bluetooth de baja potencia en miniatura utilizando un microcontrolador de RF integrado

Los desarrolladores se encuentran bajo una presión continua para construir dispositivos Bluetooth con baterías que sean pequeñas, confiables, de bajo consumo y de bajo costo y, al mismo tiempo, cumplir con períodos de comercialización cada vez más cortos. Es una matriz de compensación de ingeniería que se vuelve cada vez más difícil, pero no imposible gracias a las soluciones innovadoras de los proveedores de semiconductores que ayudan a resolver estos problemas específicos.

Una de estas soluciones es el microcontrolador STM32WB55RGV6 de STMicroelectronics que integra un procesador de control y una radio Bluetooth.

Este artículo articulará los requisitos de diseño del mercado de accesorios Bluetooth en constante crecimiento antes de presentar el STM32WB55RGV6 y su aplicación.

Demandas de accesorios Bluetooth

Los accesorios Bluetooth generalmente tienen los mismos requisitos para la duración y el tamaño de la batería. Para los productos Bluetooth de consumo, una mayor duración de la batería se relaciona directamente con la satisfacción del cliente, por lo que los componentes deben seleccionarse para un tamaño pequeño y un bajo consumo de energía. El diseño inicial debe tener suficiente flexibilidad para las sustituciones, ya que no es raro encontrar un producto mejor que el que ya se seleccionó a medida que avanza el proceso de desarrollo.

Los diseños de Bluetooth generalmente se dividen en tres secciones: la radio Bluetooth, el procesador de la aplicación y los componentes de soporte, y la interfaz de usuario (botones, LED, altavoces). STMicroelectronics ha simplificado el diseño al integrar el procesador de control y la radio Bluetooth en el mismo microcontrolador. El microcontrolador STM32WB55RGV6 es parte de la familia del microcontrolador STM32WB de STMicroelectronics, que integra un Arm ® Cortex®-M4 64 megahertz (MHz) con un procesador de unidad de coma flotante (FPU) y una radio Bluetooth completa en un solo chip. La memoria integrada incluye 1 megabyte (MB) de memoria flash y 256 kilobytes (kB) de SRAM.

El STM32WB55RGV6 tiene tres reguladores de voltaje en el chip. El regulador principal funciona cuando el procesador está en los modos Ejecutar y Suspender. El regulador de baja potencia se utiliza durante los modos de Funcionamiento de baja potencia y de Suspensión de baja potencia. El regulador de radiofrecuencia (RF) solo se utiliza para alimentar la radio Bluetooth y los subsistemas de RF.

Hay otros parámetros que muestran claramente que el STM32WB55RGV6 se construyó desde cero para aplicaciones de baja potencia. Tiene un modo de apagado de 13 nanoamperios (nA) que apaga todo en el chip, excepto algo de RAM. Si el reloj de tiempo real (RTC) se deja funcionando en apagado, el dispositivo solo consume 315 nA. Con el RTC en funcionamiento, el microcontrolador también puede retener 32 kB de RAM mientras consume solo 600 nA.

Para mayor flexibilidad, el STM32WB55RGV6 tiene una gama completa de periféricos que incluyen dos interfaces de periféricos en serie (SPI) y dos interfaces I²C (Figura 1). Puede usarse un puerto USB 2.0 de velocidad completa (FS) para transferir archivos entre la aplicación y una PC. También puede utilizarse para cargar una batería en la aplicación Bluetooth, con o sin soporte para transferencias de datos. El STM32WB55 también tiene un controlador para un LCD externo de 8 x 40. Hay un controlador sensible al tacto disponible para habilitar una interfaz de pantalla táctil.

Figura 1: El microcontrolador STMicroelectronics STM32WB55RGV6 integra un Arm Cortex-M4 con FPU y un subsistema de radio Bluetooth en un solo chip. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

La radio Bluetooth en el STM32WB55RGV6 cumple con la última especificación de Bluetooth v5.0. La radio también cumple con la especificación IEEE 802.15.4-2011 para la capa física (PHY) y el controlador de acceso a medios (MAC) para la radio Bluetooth. Para las aplicaciones que funcionan con batería, la radio es compatible con Bluetooth de baja energía (BLE) y admite velocidades de datos de 1 megabit por segundo (Mbit/s) y 2 Mbit/s a través de una conexión segura.

La pila BLE y la capa IEEE 802.15.4 PHY y MAC se ejecutan en una unidad central de procesamiento (CPU) dedicada Arm Cortex-M0+ en el STM32WB. Este Cortex-M0+ está dedicado a ejecutar solo la pila BLE y no se puede usar para ejecutar el código de aplicación del usuario.

El extremo frontal de RF de la serie de microcontroladores STM32WB55RGV6 está diseñado para componentes externos mínimos, como se muestra en la Figura 2. Tiene una fuente de alimentación de modo conmutado dedicado (SMPS) para alimentar los circuitos de RF.

El SMPS es un buen ejemplo de cómo las soluciones integradas pueden resolver problemas. Para minimizar la interferencia con los circuitos de RF, el SMPS utiliza la misma frecuencia de reloj utilizada para sincronizar la sección de RF que el microcontrolador Cortex-M0+, que es de 4 u 8 MHz. Para reducir aún más la interferencia, un control automático de ganancia (AGC) puede reducir automáticamente la ganancia de RF e IF. El firmware también puede recortar el AGC manualmente.

Figura 2: El extremo frontal de RF del microcontrolador Bluetooth STM32WB incluye un controlador Cortex-M0+ BLE, AGC para reducir el ruido y tres reguladores de voltaje. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

La sección de RF requiere pocos componentes externos. Para lograr esto, el extremo frontal de RF tiene capacitores en el chip que son programables por el usuario, por lo que el cristal externo de 32 MHz no requiere capacitores externos de recorte. El extremo frontal de RF también reduce el conteo de componentes al incluir un balún de paso de banda completo, visto cerca del pin de la antena (RF1) (Figura 2, nuevamente).

El pin RF1 debe estar conectado a una antena compatible de Bluetooth 2.4 gigahertz (GHz) a través de un filtro con una red coincidente de paso bajo. Por último, se requieren capacitores de desacople entre la potencia de la sección RF y la conexión a tierra. Los valores recomendados son 100 nanofaradios (nF) y 100 picofaradios (pF) conectados en paralelo.

Al igual que con cualquier aplicación de radio, el diseño de RF y la selección de componentes afectan directamente el rendimiento de la radio Bluetooth. El uso de componentes de alta precisión mejorará la confiabilidad de la radio Bluetooth. Para el diseñador, la mayor parte del trabajo para la sección de RF ya está hecho. Es responsabilidad del desarrollador diseñar el sistema para que no obstruya la ruta entre la antena Bluetooth externa y el dispositivo emparejado.

Para ayudar a acelerar el desarrollo con el STM32WB55RGV6, STMicroelectronics suministra la placa de desarrollo Nucleo P-NUCLEO-WB55 (Figura 3). La placa también viene con un dispositivo USB que también tiene un microcontrolador STM32WB.

Figura 3: La placa Nucleo de STMicroelectronics para la familia STM32WB se conecta al dispositivo Bluetooth para apoyar el desarrollo de proyectos basados en STM32WB. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

La placa Nucleo tiene conectores de expansión Arduino™, lo que permite que los desarrolladores mejoren sus proyectos con escudos compatibles con Arduino Uno. Un desarrollador puede armar rápidamente un prototipo de hardware alrededor del tablero Nucleo. La aplicación Nucleo se programa y se depura conectando una PC al conector USB de la placa. La placa Nucleo programada puede entonces comunicarse con el dispositivo Bluetooth suministrado o con una PC con Bluetooth.

Seguridad de la aplicación

La seguridad para las aplicaciones inalámbricas se ha convertido en una preocupación importante para los desarrolladores. Las empresas deben proteger sus datos y firmware de ataques y falsificaciones no autorizadas. Un bloque de cifrado de hardware AES-256 en el STN32WB55RGV6 está disponible para cifrar y descifrar las transmisiones Bluetooth. Esto evita que los actores maliciosos entren en las transmisiones de Bluetooth y capturen datos.

Es común que las aplicaciones se actualicen a través de Bluetooth. Sin embargo, esto también puede proporcionar un punto de ataque para que los piratas informáticos instalen actualizaciones de firmware falsas. El STM32WB55RGV6 protege contra instalaciones falsas de firmware con un proceso de instalación de firmware seguro (SFI). Este es un sistema de clave pública/privada que transmite un archivo de firmware cifrado al STM32WB55RGV6. El STM32WB55RGV6 descifra el archivo de firmware utilizando una clave privada almacenada dentro de su bloque de almacenamiento seguro y una clave pública legible firmada por STMicroelectronics. Esto asegura que solo los sistemas con credenciales autorizadas puedan actualizar el firmware.

Cada STM32WB55RGV6 también tiene una identidad única de 96 bits (ID) y una ID única de 64 bits. Estos se pueden utilizar para identificar diferentes microcontroladores STM32WB55RGV6 para seguridad adicional o incluso para habilitar diferentes funciones en el firmware para diferentes sistemas en el campo.

Conclusión

El desarrollo de dispositivos Bluetooth requiere un control estricto de la potencia, el tamaño, el costo y la confiabilidad. La selección de componentes altamente integrados, como el STM32WB55RGV6, puede simplificar enormemente la matriz de compensación de los diseñadores y minimizar el tiempo de desarrollo.