使用集成射频的微控制器快速实现小型低功耗蓝牙配件

在构建电池供电的蓝牙设备时，开发人员一直面临着较大的压力：既要小巧、可靠、低功耗、低成本，还需满足越来越短的产品上市时间。尽管这一工程权衡矩阵越来越复杂，但也并非完全无法实现，因为半导体供应商推出的一些创新解决方案可以帮助开发人员解决这些特定问题。

其中一种解决方案是 STMicroelectronics 推出的 STM32WB55RGV6 微控制器，该微控制集成了控制处理器和蓝牙无线电。

如今，蓝牙配件市场不断增长，本文首先将阐述相关设计要求，之后将介绍 STM32WB55RGV6 及其应用方法。

蓝牙配件要求

通常情况下，蓝牙配件对电池续航时间和尺寸都有所要求。对于消费类蓝牙产品，电池续航时间越长，客户满意度越高，因此应选择小尺寸、低功耗的组件。初步设计应具有足够的灵活性，便于在需要时替换组件，因为随着开发过程的推进，可能会找到比已选产品更好的替代品，这种情况并不罕见。

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）。STMicroelectronics 在同一微控制器上集成了控制处理器和蓝牙无线电，从而简化了设计。STM32WB55RGV6 微控制器是 STMicroelectronics 的 STM32WB 微控制器系列产品之一，该微控制器在单芯片上集成了 64 MHz 带浮点运算单元 (FPU) 的 Arm® Cortex®-M4 处理器和完整的蓝牙无线电模块。板载存储器包括 1 MB 的闪存和 256 KB 的 SRAM。

STM32WB55RGV6 具有三个片上稳压器：处理器处于运行和休眠模式时，主稳压器运行；低功耗稳压器则用于低功耗运行和低功耗休眠模式；射频 (RF) 稳压器仅用于为蓝牙无线电和射频子系统供电。

此外，其他一些参数也表明 STM32WB55RGV6 专为低功耗应用而设计开发。该微控制器采用 13 nA 关断模式，可以关闭芯片上除部分 RAM 之外的所有应用。关断模式下，如果实时时钟 (RTC) 保持运行，则设备仅消耗 315 nA 电流。在 RTC 运行的情况下，微控制器也可以保留 32 KB 的 RAM，同时仅消耗 600 nA 电流。

为实现灵活性，STM32WB55RGV6 具有全套外设，包括两个串行外设接口 (SPI) 和两个 I²C 接口（图 1）。该微控制器配备一个 USB 2.0 全速 (FS) 端口，可用于在应用和个人电脑之间传输文件，也可用于为蓝牙应用的电池充电，无论该应用是否支持数据传输。此外，STM32WB55 另设一个控制器用于外部 8 x 40 LCD，以及触摸感应控制器可用于连接触摸屏。

图 1：STMicroelectronics 的 STM32WB55RGV6 微控制器在单芯片上集成了带 FPU 的 Arm Cortex-M4 和蓝牙无线电子系统。（图片来源：STMicroelectronics）

STM32WB55RGV6 的蓝牙无线电符合最新的蓝牙规范 v5.0。此外，该无线电还符合 IEEE 802.15.4-2011 规范中关于蓝牙无线电物理层 (PHY) 和媒体访问控制器 (MAC) 的要求。对于电池供电的应用，该无线电符合低功耗蓝牙 (BLE) 标准，并支持通过安全连接实现 1 Mbps 和 2 Mbps 的数据速率。

BLE 堆栈和符合 IEEE 802.15.4 的 PHY 层及 MAC 层在 STM32WB 的专用 Arm Cortex-M0+ CPU 上运行。此 Cortex-M0+ 专用于运行 BLE 堆栈，不能用于运行用户应用代码。

STM32WB55RGV6 微控制器系列的射频前端设计旨在最大限度地精简外部元器件，如图 2 所示。该微控制器通过专用的开关模式电源 (SMPS) 为射频电路供电。

SMPS 作为典型范例阐示了如何采用集成解决方案解决问题。为了最大限度地减少对射频电路的干扰，SMPS 为射频部分提供的时钟频率与 Cortex-M0+ 微控制器相同，即 4 或 8 MHz。如需进一步减少干扰，可以通过自动增益控制 (AGC) 自动降低射频和中频 (IF) 增益，也可以使用固件手动微调 AGC。

图 2：STM32WB 蓝牙微控制器的射频前端包括 Cortex-M0+ BLE 控制器、用于降噪的 AGC 和三个稳压器。（图片来源：STMicroelectronics）

射频部分只需接入少量外部元器件。为此，射频前端配备用户可编程的片式电容器，因此 32 MHz 外部晶振不需要另接外部微调电容器。此外，天线引脚 (RF1) 附近配置全带通平衡/不平衡转换器，以此亦可减少外部元器件数（见图 2）。

RF1 引脚必须通过低通匹配网络进行滤波，然后连接兼容蓝牙的 2.4 GHz 天线。最后，射频部分的电源与地之间必须接入去耦电容。建议采用的电容值为 100 nF 和 100 pF 的并联电容。

与所有无线电应用一样，射频设计和组件选型会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。对于设计人员而言，射频部分的大部分工作已经完成。至于系统该如何设计才不会影响外部蓝牙天线与配对设备之间的通路，就要由开发人员决定了。

为加快 STM32WB55RGV6 应用的开发进程，STMicroelectronics 提供了 P-NUCLEO-WB55 Nucleo 开发板（图 3）。该开发板还自带 USB 加密狗，其中也配备了 STM32WB 微控制器。

图 3：STMicroelectronics 的 Nucleo 开发板适用于 STM32WB 系列产品，可连接蓝牙加密狗以支持基于 STM32WB 的项目开发。（图片来源：STMicroelectronics）

Nucleo 开发板具有 Arduino™ 扩展连接器，便于开发人员使用 Arduino Uno 兼容扩展板来增强项目功能。开发人员可围绕 Nucleo 开发板快速构建硬件原型。通过开发板的 USB 连接器连接个人电脑，即可编程和调试 Nucleo 应用。然后，已编程的 Nucleo 开发板便可与随附的蓝牙加密狗或支持蓝牙的个人电脑进行通信。

应用安全性

无线应用的安全性已成为开发人员的一大关注点。公司需要保护数据和固件以防止遭受攻击和未经授权的伪造。STN32WB55RGV6 的 AES-256 硬件加密模块可用于加密和解密蓝牙传输，从而防止恶意攻击者窥探蓝牙传输并捕获数据。

应用往往可通过蓝牙进行更新，但这也为黑客提供了攻击点以安装虚假的固件更新。STM32WB55RGV6 通过安全固件安装 (SFI) 防止虚假的固件安装。这是一个公钥/私钥系统，可将加密的固件文件传输到 STM32WB55RGV6，STM32WB55RGV6 则使用安全存储模块中的私钥和 STMicroelectronics 签署的可读公钥解密固件文件，从而确保只有具有授权凭据的系统才能更新固件。

此外，每个 STM32WB55RGV6 都具有唯一的 96 位标识符 (ID) 和唯一的 64 位标识符。唯一标识符可用于识别不同的 STM32WB55RGV6 微控制器，从而进一步提高安全性，甚至可用于现场启用不同系统固件的不同功能。

总结

蓝牙设备的开发需要严格控制功率、尺寸、成本和可靠性。选择使用 STM32WB55RGV6 等高度集成组件，可以极大地简化设计人员的权衡矩阵，最大限度地缩短开发时间。