Отладочная плата P-NUCLEO-WB55 для STM32WB55: возможности и особенности

5 февраля 2020

автомобильная электроника учёт ресурсов потребительская электроника интернет вещей STMicroelectronics статья интегральные микросхемы беспроводные технологии средства разработки и материалы

Александр Шауэрман (Алтайский край)

Отладочный набор P-NUCLEO-WB55 компании STMicroelectronics позволяет оценить возможности и облегчить начало работы с беспроводным микроконтроллером STM32WB55, чему способствует, в том числе, большая коллекция демонстрационных проектов.

Отладочный набор P-NUCLEO-WB55 компании STMicroelectronics построен на микроконтроллерах (MCU) серии STM32WB55, это классический микроконтроллер STM32 (ядро Cortex®-M4) со встроенным радиоинтерфейсом 2,4 ГГц. Приемопередатчик реализует спецификацию Bluetooth® Low Energy 5.0 (BLE), а также физический (PHY) и канальный (MAC) уровни IEEE 802.15.4-2011. Для управления блоком радиоинтерфейса в STM32WB55 интегрирован дополнительный процессор Cortex®-M0+.

Микроконтроллеры STM32WB55 поддерживаются целым спектром интегрированных сред разработки (IDE), включая IAR™, Keil®, GCC-based IDEs, Arm® Mbed™. В состав пакета STM32Cube входят библиотеки и примеры программ с открытым исходным кодом для работы с отладочными платами P-NUCLEO-WB55 и процессорами STM32WB55 в целом. Графическая среда STM32CubeMX поможет настроить периферию и, что особенно важно, выполнить инициализацию протоколов радиосвязи.

Набор включает в себя две платы: это Nucleo-68 – выполненная в формате известной серии Nucleo с разъемами расширения и встроенным программатором-отладчиком ST-LINK, и USB dongle, предназначенная для подключения непосредственно к разъему персонального компьютера (ПК) или ноутбука.

P-NUCLEO-WB55 решает сразу несколько задач. Во-первых, это возможность в короткий срок ознакомиться с особенностями беспроводной связи STM32WB55. Во-вторых, платы из набора – это отличная демонстрация рабочего аппаратного решения. На сайте STMicroelectronics в открытом доступе выложены проекты печатных плат, они могут быть использованы в качестве примера или отправной точки при проектировании приборов на STM32WB55. В-третьих, P-NUCLEO-WB55 подойдет для макетирования разрабатываемых устройств и в качестве аппаратной платформы для отладки программного кода. В-четвертых, на этапе прототипирования платы послужат ориентиром для оценки эффективности работы вашего собственного устройства.

Аппаратная платформа

Итак, P-NUCLEO-WB55 – это набор из двух плат Nucleo-68 и USB dongle. Плата Nucleo-68 выполнена как самостоятельное устройство, плата USB dongle предназначена для работы совместно с ПК. На рисунке 1 показан внешний вид плат.

Рис. 1. Внешний вид (слева – вид сверху, справа – вид снизу): а) Nucleo-68; б) USB dongle

На плате Nucleo-68 использован микроконтроллер STM32WB55RGV в 68-выводном корпусе VFQFNP68, а в USB dongle – STM32WB55CGU в корпусе UFQFPN48. Оба микроконтроллера имеют 1 Мбайт Flash-памяти и 256 кбайт ОЗУ. Рассмотрим платы более подробно.

Nucleo-68

Как и все Nucleo, Nucleo-68 не требует дополнительного программатора, отладчик ST-LINK/V2-1 встроен в плату. Конфигурация платы осуществляется джамперами на штыревых контактах JP. Для более детальной настройки может понадобиться паяльник для соединения или разрыва коммутационных перемычек SB.

Перечислим ключевые особенности платы Nucleo-68:

микроконтроллер STM32WB55RGV в 68-выводном корпусе VFQFNP68;
PCB-антенна, выполненная непосредственно на плате печатным способом;
встроенный многофункциональный отладчик/программатор ST‑LINK/V2‑1;
кварцевый резонатор 32,768 кГц для генератора LSE, задающий опорную частоту для часов реального времени и MAC-уровня IEEE 802.15.4;
кварцевый резонатор 32 МГц для генератора HSE, задающий опорную частоту для встроенных процессоров и радиоинтерфейса.
разъемы расширения:
- Arduino™ Uno V3;
- ST Morpho.
три светодиода для задач пользователя, совмещенные с выводами разъема Arduino™;
четыре кнопки, три из которых подключены к портам GPIO STM32WB55, одна предназначена для сброса (Reset);
гибкая система выбора источника питания;
два USB-разъема типа Micro-B, один из которых предназначен для ST-LINK, второй подключен непосредственно к выводам STM32WB55 для использования интегрированного контроллера интерфейса USB.

На рисунке 2 показана структурная схема Nucleo-68. На рисунке 3 представлен внешний вид (сверху и снизу соответственно) с обозначениями структурных блоков.

Рис. 2. Структурная схема Nucleo-68

По умолчанию радиотракт подключен к PCB-антенне, поэтому можно быстро начать работать с платой без использования дополнительных внешних компонентов. Однако при желании можно воспользоваться и внешней антенной, для этого понадобится впаять SMA-разъем (посадочное место предусмотрено на плате) и установить конденсатор C38 (конденсатор C35 должен быть удален) [2].

Рис. 3. Nucleo-68: а) вид сверху, б) вид снизу

Для подключения Nucleo-68 к ПК потребуется USB кабель Type-A – Micro-B.

USB dongle

Благодаря разъему Type-A USB dongle может быть подключен к ПК или ноутбуку непосредственно, без использования соединительного кабеля. USB dongle не имеет в своем составе отладчика. Прошивка осуществляется либо через встроенный загрузчик (USB DFU), либо через USB-загрузчик пользователя. При необходимости можно задействовать внешний отладчик ST-LINK через SWD-интерфейс (выведен на разъем CN1).

Рассмотрим ключевые особенности USB dongle:

микроконтроллер STM32WB55CGU в 48-выводном корпусе UFQFPN48;
PCB-антенна, выполненная непосредственно на плате печатным способом;
кварцевый резонатор 32,768 кГц для генератора LSE, который задает опорную частоту для часов реального времени и MAC-уровня IEEE 802.15.4;
кварцевый резонатор 32 МГц для генератора HSE, задающий опорную частоту для встроенных процессоров и радиоинтерфейса;
три светодиода для задач пользователя: голубого, зеленого и красного цвета;
одна кнопка;
переключатель режима загрузки (BOOT0);
USB-разъем Type-A, подключенный к выводам STM32WB55;
посадочные места под разъемы расширения.

На рисунке 4 показана структурная схема USB dongle, на рисунке 5 – внешний вид (сверху) с подписанными структурными блоками.

Рис. 4. Структурная схема USB dongle

По умолчанию выход приемопередатчика RF подключен к PCB-антенне. Чтобы использовать установленный на плату разъем RFUFL (рисунок 5), нужно впаять конденсатор C8 (10 нФ) и удалить конденсатор C4 [3].

Рис. 5. USB dongle, вид сверху

Программатор ST-LINK/V2-1

В плату Nucleo-68 встроен программатор ST-LINK/V2-1. Версия V2-1 создана специально для отладочных плат STMicroelectronics (Discovery, Eval, Nucleo) и, в отличие от ST-LINK/V2, дает разработчику сразу три устройства при использовании одного порта USB:

непосредственно программатор-отладчик;
виртуальный COM-порт (VCP), подключенный к USART1 STM32WB55;
USB-накопитель (MassStorageDevice).

Последняя опция позволяет работать с программатором как с обычным USB-Flash-накопителем: после подключения в системе монтируется виртуальный диск. Для программирования целевого контроллера достаточно скопировать посредством операционной системы бинарный файл прошивки на этот диск. После программирования в MCU скопированный файл исчезнет с виртуального диска. Это удобно, если нужно быстро сменить прошивку устройства, не устанавливая дополнительных утилит.

Для отладчика ST-LINK на плате Nucleo-68 выделены три светодиода (LED4, LED5, LED6), которые расположены возле USB-разъема. Светодиод LED5 подключен к линии 5 В и показывает, что на блок MCU подается питание. Светодиод LED4 подключен к выводу Fault интеллектуального ключа питания и светит, если ток потребления превысит пороговый (500 мА). Третий светодиод – LED6, – хорошо знаком всем, кто имел дело с программаторами ST-LINK. Этот двухцветный (красный и зеленый) светодиод на всех аналогичных программаторах подписан как «COM» и отражает статус взаимодействия ST-LINK с ПК:

светодиод медленно мигает красным: питание подано, но инициализации USB еще не было;
светодиод быстро мигает красным: происходит первая инициализация (энумерация) USB-устройств на ПК, запущен процесс детектирования, идентификации и загрузки соответствующих драйверов;
светодиод светит красным: связь между устройством и ПК установлена, энумерация завершена;
светодиод по очереди мигает зеленым и красным: происходит обмен данными между ПК и устройством;
светодиод светит зеленым: последняя передача данных завершена успешно;
светодиод светит оранжевым: что-то пошло не так, связь с между ST-LINK и микроконтроллером оборвалась.

Перед первым подключением отладочной платы с ST-LINK рекомендуется установить драйверы устройств. Их можно найти на официальном сайте STMicroelectronics – на страничке, посвященной P-NUCLEO-WB55. В своей инженерной практике я устанавливаю драйверы ST-LINK вместе с пакетом STM32CubeProgrammer, о нем будет рассказано ниже.

Конфигурация и управление режимом питания

Перед первым включением любого прибора необходимо изучить специфику его питания. Это особенно важно, если прибор – отладочная плата с перемычками и джамперами, которые далеко не всегда установлены в правильное положение и задают безопасный режим. Для платы USB dongle вариантов немного, она подключается в разъем USB компьютера и без какой-либо конфигурации питается от него. А вот Nucleo-68, в зависимости от сценария использования, может быть запитана от различных источников постоянного тока. Выбор текущего источника определяется с помощью группы перемычек – двухрядной штыревой вилки с восемью контактами JP1. Контакты верхнего ряда на плате замкнуты между собой и соединены со входом цепи питания MCU. К контактам нижнего ряда подключены различные источники. С помощью джампера устанавливается требуемый источник питания. Очевидно, что в каждом конкретном случае должен быть установлен только один джампер.

Назначение контактов подписано на плате шелкографией, но за исчерпывающей информацией нужно обратиться к принципиальной схеме [2]. Рассмотрим типы источников в соответствии с номерами контактов, начиная слева направо от вилки JP1 (направление в соответствии с рисунком 3):

Контакты 1-2. Установив джампер в эту позицию, питать устройство можно от внешнего источника 5 В через контакт 6 разъема ST Morpho (CN7).
Контакты 3-4. Питание от внешнего источника VIN (7…12 В). Подать питание можно через разъем Arduino™ (CN6, контакт 8) или разъем ST Morpho (CN7, контакт 24), а если установить перемычку SB24, то и через разъем CN4, предназначенный для подключения внешней батареи.
Контакты 5-6. Джампер в этой позиции подаст питание на MCU от 5 В силовой линии USB (User USB). Этот вариант питания полезен при макетировании устройств, где задействован интегрированный в STM32WB55 контроллер USB.
Контакты 7-8. Это конфигурация по умолчанию. Микроконтроллер работает от разъема 5 В USB-отладчика ST-LINK.

При необходимости для питания устройства можно использовать литиевую батарейку типа CR2032. Разъем для нее (SK_BT1) установлен с нижней стороны платы (рисунок 3). Если планируется использовать батарейку в качестве резервного источника питания VBAT, то следует установить перемычку SB30, если в качестве основного, то замкнуть SB29, а SB26 удалить.

В большинстве сценариев удобно использовать питание от отладчика ST-LINK. Это конфигурация по умолчанию и на новом комплекте не требует дополнительных действий (рисунок 6).

Рис. 6. Питание от ST-LINK: конфигурация

Перемычка JP2 позволяет пользователю измерять потребляемую мощность – достаточно снять джампер и подключить амперметр.

Первые шаги. Демонстрация технологии

По умолчанию платы комплекта P-NUCLEO-WB55 сконфигурированы для демонстрации связи типа «точка-точка» (Point-to-Point, P2P) по технологии BLE. В демонстрации задействованы обе платы: Nucleo-68 прошита как P2P-сервер, плата USB dongle – как P2P-клиент. Компания STMicroelectronics настаивает на том, чтобы перед началом работы с отладочным набором пользователи прочли лицензионное соглашение, которое можно найти на web-странице продукта. Предположим, что мы это сделали, теперь у нас есть право начать эксперименты[4]:

установим перемычку на JP1 в положение 7-8 (питание от ST-LINK);
подключаем Nucleo-68 и USB dongle к ПК. Формально для запуска этого теста участие ПК не требуется, но подать питание на обе платы проще всего через порт USB ПК;
после подачи питания на Nucleo-68 (периферийное устройство) будет запущен режим «advertising» («посылка объявлений») и в течение одной минуты будет быстро мигать зеленый светодиод;
пока на сервере запущен «advertising», на клиенте (плата USB dongle) нужно запустить сканирование, нажав кнопку SW1. Сканирование занимает примерно 5 секунд, в это время светит голубой светодиод. P2P-клиент должен автоматически подключиться к P2P-серверу. После успешного подключения голубой светодиод должен потухнуть, а зеленый начнет мигать синхронно с аналогичным диодом на сервере;
когда подключение установлено, с помощь кнопки SW1 на USB dongle можно управлять голубым светодиодом на Nucleo-68, и наоборот, кнопка SW1 на Nucleo-68 активирует голубой светодиод на USB dongle;
нажатие кнопки SW2 на Nucleo-68 изменит интервал подключения (50 мс или 1 с). Этот эффект хорошо наблюдается по изменению периода мигания зеленых светодиодов на обоих платах.

Проверить работу BLE можно и с помощью смартфона под управлением Android или IOS. В этом сценарии смартфон выступает в роли P2P-клиента и заменяет USB dongle из предыдущего примера. Работа платы P2P-сервера ничем не отличается от рассмотренной выше. Для эксперимента понадобится утилита ST BLE Sensor, ее можно установить из стандартного источника приложений GooglePlay или AppStore. Утилита позволяет управлять голубым светодиодом на плате P2P-сервера.

Рассмотрим этот способ подробнее:

подаем питание на плату с P2P-Сервером;
на смартфоне запускаем приложение ST BLE Sensor;
кнопка «Connect to A Device» запустит сканирование. Убедитесь, что в это время сервер находится в режиме «advertising» («быстрое мигание» зеленого светодиода);
в списке устройств выбираем P2PSRVx (рисунок 7).

Рис. 7. Поиск и подключение. ST BLE Sensor

включить или выключить светодиод на плате сервера можно, нажав на картинку со светодиодом (рисунок 8);

Рис. 8. Управление светодиодом с помощью ST BLE Sensor

кнопка SW1 на плате сервера активирует картинку с колокольчиком («Button pressed») на экране смартфона.

Во время эксперимента на экране смартфона отображается уровень сигнала в дБм, это позволяет оценить влияние преград, препятствий и расстояния на качество связи.

К P2P-серверу можно подключиться через терминал по последовательному порту. Если в качестве сервера используется плата Nucleo-68, то это удобно сделать с помощью VCP-отладчика ST-LINK. Нам понадобится программа по работе с терминалами типа TeraTerm или PuTTY. Выбираем соответствующий COM-port, устанавливаем параметры: скорость 115200 Бод, данные 8 бит, без контроля четности. На рисунке 9 показан пример вывода в терминал процесса работы сервера: выполняется подключение клиента, клиент шлет команду на включение и выключение светодиода, сервер передает клиенту информацию о нажатии кнопки SW1.

Рис. 9. Вывод в терминал процесса работы сервера

Загрузка бинарных файлов прошивки

Для загрузки прошивки в память STM32WB55 можно использовать программу STM32CubeProgrammer (STM32CubeProg) [5] – универсальный программатор для микроконтроллеров ST. STM32CubeProg запускается на различных операционных системах (Linux® 64-bit, Windows® 7/8/10, macOS®) и может работать как в графическом, так и в консольном режимах. STM32CubeProg может взаимодействовать с целевым контроллером через различные интерфейсы: JTAG, SWD, USB, UART, SPI, CAN, I²C. Для рассматриваемой задачи важно, что STM32CubeProg работает с программатором ST-LINK (JTAG или SWD) и с загрузчиком DFU. Программу можно скачать с официального сайта STMicroelectronics. Для работы с USB dongle дополнительно нужно инсталлировать драйвер DFU, это легко сделать, запустив скрипт STM32Bootloader.bat, расположенный в директории «Drivers\DFU_Driver», установленной STM32CubeProg.

На рисунке 10 показано главное окно запущенной программы STM32CubeProgrammer. В правой части окна находится панель конфигурации программатора (выделена красным). На панели нужно выбрать способ и параметры подключения к целевому микроконтроллеру, это может быть либо интерфейс отладчика ST-LINK, либо интерфейс загрузчика (UART, USB, SPI, CAN или I²C). Кнопка в левом верхнем углу (выделена красным) развернет главное меню. Пользователь сможет выбрать нужную панель:

Memory and file edition – редактирование памяти и файла. Панель активна по умолчанию (рисунок 10);
Erasing and programming – очистка памяти и программирование;
Option bytes – работа со специфичными настройками микроконтроллера.

Рис. 10. Главное окно STM32CubeProgrammer

В программе STM32CubeProgrammer решение большинства задач, таких как подключение к MCU, стирание памяти, загрузка бинарного файла, интуитивно понятно и не вызовет трудностей даже у начинающего разработчика. В случае нетиповых сценариев применения можно обратиться к руководству пользователя UM2237 [5].

Для подключения к USB dongle с помощью STM32CubeProg плату следует перевести в режим DFU, для этого переключатель BOOT0 нужно переключить в крайнее правое положение (рисунок 5).

Для понимания базовых принципов организации прошивки STM32WB55 обратимся к его архитектуре. Микроконтроллер STM32WB55 состоит из двух процессорных ядер. Первое ядро CPU1 – это ядро общего назначения Cortex®-M4, которое выполняет приложение пользователя и реализует основной алгоритм работы устройства. Второе ядро CPU2, Cortex®-M0+, это сопроцессор, отвечающий за реализацию стека сетевых протоколов, CPU2 непосредственно управляет приемопередатчиком RF. Весь программный код, работающий на CPU2, предоставляется компанией STMicroelectronics в виде зашифрованного бинарного файла (STM32WB Copro Wireless Binaries), и с точки зрения разработчика представляется черным ящиком. Для CPU1 код создает сам разработчик на основе большой коллекции примеров с открытым исходным кодом.

Для хранения исполняемого бинарного кода CPU1 и CPU2 используют одну Flash память с единым адресным пространством, но код для CPU2 расположен в защищенных «верхних» секторах памяти. Изменить эту область может только специальный сервис FUS (Firmware Upgrade Service), являющийся частью закрытого Wireless Binaries. STM32CubeProg, начиная с версии 2.0, умеет взаимодействовать с FUS [6]. Для CPU1 бинарный код располагается в «младших» секторах памяти, его модификация возможна напрямую с помощью JTAG, SWD или штатного загрузчика, например DFU. На рисунке 11 показана карта памяти программ микроконтроллера.

Рис. 11. Распределение Flash-памяти STM32WB55

Алгоритм загрузки приложения для CPU1 ничем не отличается от прошивки любого другого микроконтроллера семейства STM32. C обновлением кода CPU2 дело обстоит несколько сложнее. Оно также выполняется с помощью STM32CubeProg, но обсуждение алгоритма выходит за рамки данной статьи. По умолчанию в платы комплекта загружен стек BLE (файл stm32wb5x_BLE_Stack_fw.bin), и этого достаточно для запуска большинства примеров Bluetooth.

Прошивки, загруженные в платы набора P-NUCLEO-WB55 по умолчанию, являются частью программного пакета STM32CubeWB [7]. Этот пакет, в свою очередь, является частью хорошо знакомого инструментария STM32Cube™, и включает в себя библиотеки по взаимодействию с периферией микроконтроллера STM32WB (HAL и LL), компоненты промежуточного программного уровня общего назначения, такие как USB devices, STMTouch, FatFS, FreeRTOS™, а так же программные утилиты и модули, ориентированные на беспроводную связь: Bluetooth® 5, Thread® и IEEE 802.15.4. Все встроенные программные утилиты поставляются с полным набором примеров, работающих на отладочных платах STMicroelectronics. Скачать пакет можно на официальном сайте. Если в настоящий момент исходные файлы не нужны, то можно скачать отдельно готовые бинарные файлы проектов на странице P-NUCLEO-WB55 в разделе с ресурсами (P-NUCLEO-WB55 compiled demo binary).

Распаковав пакет STM32CubeWB, проекты для демонстрации можно найти в директории «Projects» (рисунок 12).

Рис. 12. Директория «Projects»

Директория содержит примеры проектов для платы Nucleo-68 (папка P‑NUCLEO‑WB55.Nucleo), для платы USB dongle (папка P‑NUCLEO‑WB55.USBDongle) и «бинарники» радиостека для сопроцессора (папка STM32WB_Copro_Wireless_Binaries). Для быстрого старта все проекты BLE содержат скомпилированный файл прошивки.

На рисунке 13 показан список демонстрационных проектов. Проекты, загруженные в платы комплекта по умолчанию, подчеркнуты красным. Описание работы каждого приложения, особенности компиляции, прошивки и запуска можно найти в файле readme.txt (находится в каждой папке).

Рис. 13. Директории с демонстрационными проектами

Обновление прошивки по радио

Внимательный читатель заметит, что на рисунке 13 для приложения P2P-сервера используются два проекта: BLE_Ota и BLE_p2pServer_ota. Проект BLE_p2pServer_ota поддерживает возможность обновления прошивки по радио, так называемую технологию over-the-air, или, сокращенно, OTA [8]. В первых шести секторах Flash расположен специальный загрузчик BLE OTA, а под приложение пользователя выделены сектора начиная с седьмого (рисунок 14).

Рис. 14. Распределение Flash-памяти STM32WB55 с загрузчиком OTA

Загрузчик BLE OTA – это самостоятельное приложение, исходные коды и бинарный файл которого можно найти в директории BLE_Ota. Если никаких действий не требуется, например, при нормальном старте устройства, загрузчик передает управление в седьмой сектор Flash, то есть, запускает основное приложение пользователя. Если же требуется обновление, то запускает сервис для загрузки любых данных с удаленного устройства в указанную область. Это могут быть данные конфигурации приложения или непосредственно само приложение. Этот сервис обеспечивает удаленное обновление пользовательской прошивки.

Утилита STBLE Sensor поддерживает удаленное обновление прошивки. В коллекции примеров BLE содержатся только два проекта с поддержкой OTA, это уже известная нам демонстрация BLE_p2pServer_ota и BLE_HeartRate_ota. Так как P2P-сервер уже загружен в Nucleo-68, то для демонстрации удаленно сменим прошивку на BLE_HeartRate_ota.

Перед началом работы скопируйте в память смартфона скомпилированный бинарный файл BLE_p2pServer_ota_reference.bin, а затем последовательно выполните шаги:

В приложении ST BLE Sensor подключитесь к плате Nucleo-68 (серверу P2P).
Перейдите на панель Reboot Options.
Выберите область памяти для очистки после перезагрузки (рисунок 15). Выберите сектора для CPU1 – опция «Application Coprocessor Binary». На этом этапе можно указать файл для прошивки, но это можно будет выполнить и на следующем шаге.
Рис. 15. ST BLE Sensor: перезагрузка в OTA
Нажмите кнопку перезагрузки (справа внизу), после чего удаленная плата перезагрузится в режиме OTA, а приложение на смартфоне переподключится к нему.
На панели «Firmware Upgrade STM32WB» укажите адрес в Flash для загрузки (по умолчанию 0x7000) и путь к бинарному файлу (SELECTFILE). Нажмите кнопку старта (рисунок 16).
Рис. 16. ST BLE Sensor: передача файла
Дождитесь окончания процесса загрузки.
После обновления удаленная плата перезагрузится и запустит новое приложение (BLE HeartRate). С помощью ST BLE Sensor можно подключиться к приложению и принимать сигналы (рисунок 17).

Рис. 17. ST BLE Sensor: подключение к приложению BLE HeartRate

Заключение

Технология беспроводной связи традиционно имеет достаточно высокий барьер вхождения для разработчика. Благодаря отладочному набору P-NUCLEO-WB55 и богатой коллекции демонстрационных проектов вы легко оцените возможности микроконтроллеров STM32WB и начнете с ними работать.

Литература

•••

Отладочная плата P-NUCLEO-WB55 для STM32WB55: возможности и особенности