Новый чип BlueNRG-LP с поддержкой Bluetooth 5.2 и Long Range – идеальное решение для IoT

26 января

автомобильная электроникаучёт ресурсовсветотехникаинтернет вещейSTMicroelectronicsстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологиисредства разработки и материалыBLEInternet-of-ThingsBluetooth2400 МГцwirelessIoTинтернет вещей

Софья Букреева (г. Протвино)

Программируемая микросхема Системы-на-Кристалле BlueNRG-LP производства STMicroelectronics, имеющая на борту приемопередатчик BLE и работающая на ядре Cortex®-M0+, служит для создания соединений «точка-точка» и сетей Bluetooth Mesh, а также подходит для организации проприетарной беспроводной связи на частоте 2,4 ГГц. Данный чип незаменим в приложениях, требующих высокой скорости обмена данными и сверхмалого энергопотребления.

Сетевые технологии стремительно развиваются и применяются уже не только в компьютерах, ноутбуках, планшетах и смартфонах. Теперь к сети подключено множество самых разных умных устройств, таких как стиральные машины, роботы-пылесосы, дверные замки, игрушки и многое другое. Ассортимент существующих и потенциальных устройств для IoT огромен. По сути, к устройствам IoT можно отнести все устройства, оснащенные микросхемами для сбора и передачи данных по сети. Удобство использования таких устройств заключается в возможности простого управления ими со смартфона. Однако IoT активно используется не только отдельными пользователями: компании и даже целые города все больше внедряют интеллектуальные технологии для экономии времени и денег. IoT создает возможности для прямой интеграции физического мира в компьютерные системы, что ведет к повышению эффективности, экономическим выгодам и сокращению человеческих усилий в любой отрасли.

Технология передачи данных – важнейший элемент любой системы IoT. Наиболее важными решающими факторами для выбора беспроводных протоколов являются пропускная способность, дальность передачи, безопасность, совместимость и энергопотребление. Классический Bluetooth занял свою нишу в аудиоустройствах с беспроводным подключением к ноутбукам и мобильным телефонам, в то время как Bluetooth Low Energy (BLE) превратился в универсальный инструмент связи для батарейных датчиков, пультов управления и брелоков бесконтактного доступа благодаря экономичности и сверхмалому энергопотреблению. Другие ключевые характеристики BLE:

  • скорость передачи данных до 2 Мбит/с;
  • радиус действия до 200 м и выше;
  • минимум помех за счет адаптивной псевдослучайной перестройки частоты (AFH);
  • возможность подключения до нескольких тысяч устройств за счет создания децентрализованной ячеистой сети (Mesh-сети);
  • надежное шифрование (AES-CCM с использованием 128-битных ключей).

BLE может с успехом заменить проприетарные протоколы и становится де-факто стандартом беспроводной связи для маломощных и недорогих IoT-устройств. 

Новый BlueNRG-LP в линейке продукции BlueNRG-xxx 

BlueNRG-LP – это программируемая микросхема SoC со сверхмалым энергопотреблением, имеющая на борту приемопередатчик BLE. Она соответствует базовой спецификации BLE SIG версии 5.2 и служит для создания соединений «точка-точка» и сетей Bluetooth Mesh. BlueNRG-LP также подходит для проприетарной беспроводной связи на частоте 2,4 ГГц в приложениях со сверхмалой задержкой.

Микросхема BlueNRG-LP имеет встроенный микроконтроллер Cortex®-M0+, работающий на частоте до 64 МГц, а также сетевой сопроцессор BlueNRG (на базе DMA) для выполнения критичных ко времени операций BLE.

Основные поддерживаемые характеристики BLE 5.2:

  • скорость передачи данных 2 Мбит/с;
  • большая дальность (с помощью PHY-кодирования на физическом уровне);
  • рассылка оповещений;
  • алгоритм выбора канала №2;
  • кэширование GATT;
  • аппаратная поддержка одновременного подключения;
  • выбор «ведущий/ведомый» или выполнение нескольких ролей одновременно;
  • поддержка расширенной длины пакета.

Кроме того, BlueNRG-LP обеспечивает повышенную безопасность данных за счет специальных аппаратных функций, таких как:

  • генератор истинных случайных чисел (RNG);
  • шифрование AES (128 бит);
  • ускоритель открытого ключа (PKA);
  • блок вычисления CRC;
  • 48-битный уникальный идентификатор;
  • защита от чтения и записи Flash-памяти.

BlueNRG-LP можно использовать в качестве как автономного процессора, так и сетевого процессора в дополнение к основному отдельному микроконтроллеру. В первом случае BlueNRG-LP работает как единое устройство, в котором работают и код приложения, и стек BLE.

В таблице 1 представлено сравнение BlueNRG-LP с другими решениями от компании STMicroelectronics для сетей BLE.

Таблица 1. Сравнение решений от STMicroelectronics для BLE.

Характеристики Сетевые процессоры Программируемые SoC
BlueNRG-MS, BlueNRG-M0 BlueNRG-2N BlueNRG-1 BlueNRG-2, BlueNRG-2M BlueNRG-LP
Бюджет радиолинии, дБ 96 96 96 96 105 (1 Мбит/с)/111 (Long Range)
Скорость передачи данных, кбит/с 200 700 250 700 1200…2000
Потребление в режиме маяка*, мкА 9,7 8,5 8,5 8,5 < 6
Сертификация

4.2

5.0:

  • LE Privacy 1.2;
  • LE Secure Connection;
  • LE Data Len extension

5.0:

  • LE Privacy 1.2;
  • LE Secure Connection

5.0:

  • LE Privacy 1.2;
  • LE Secure Connection;
  • LE Data Len extension

5.2:

  • расширение для рассылки оповещений;
  • скорость до 2 Мбит/с;
  • режим увеличенной дальности Long range;
  • кэширование GATT
Встроенный микроконтроллер Cortex-M0, 32 МГц: Flash 160 кбайт/ОЗУ 24 кбайт Cortex-M0, 32 МГц: Flash 256 кбайт/ОЗУ 24 кбайт Cortex-M0+, 64 МГц: Flash 256 кбайт/ОЗУ 32…64 кбайт
Исполнение QFN32, WLCSP34 QFN32, WLCSP34 QFN32, WLCSP34 QFN32, QFN48, WLCSP34 QFN32, QFN48, WLCSP49
* Средняя потребляемая мощность BLE-маячков: рассылка оповещений 31 байт, 3 с, +5 дБм.

Помимо перечисленных, компания STMicroelectronics представляет двухъядерные мультипротокольные микроконтроллеры STM32WB для поддержки BLE 5.0, Zigbee и Thread. В этих микроконтроллерах основным процессором является Cortex-M4 (64 МГц), а в качестве сетевого сопроцессора используется ядро Cortex-M0+ (32 МГц).

Технические характеристики

Микросхема BlueNRG-LP имеет следующие основные параметры:

  • чувствительность приемника -97 дБм при 1 Мбит/с, -104 дБм при 125 кбит/с (в режиме Long Range);
  • программируемая выходная мощность до +8 дБм;
  • ток при передаче 4,3 мА;
  • ток при приеме 3,4 мА;
  • скорость передачи данных 2 Мбит/с, 1 Мбит/с, 500 кбит/с и 125 кбит/с;
  • до 128 физических подключений;
  • встроенный балун;
  • напряжение питания 1,7…3,6 В;
  • рабочая температура -40…105ºC;
  • корпуса QFN32 (20 GPIO), QFN48 (32 GPIO), WLCSP49 (26 GPIO).

На рисунке 1 представлена блок-схема структуры BlueNRG-LP.

Рис. 1. Внутренняя структура BlueNRG-LP

Рис. 1. Внутренняя структура BlueNRG-LP

Для пользователя доступны 256 кбайт Flash-памяти, 1 кбайт одноразово программируемой памяти (OTP) и 32 или 64 кбайт оперативной памяти. Прямая передача данных между памятью и периферийными устройствами, а также передача из памяти в память поддерживаются с помощью 8 каналов DMA. В BlueNRG-LP встроен 12-разрядный АЦП, позволяющий измерять данные со внешних (до восьми) и внутренних источников (до трех), включая мониторинг батареи питания и датчик температуры. Кроме этого, микросхема имеет счетчик реального времени (RTC) и один 16-битный таймер с расширенной функциональностью. BlueNRG-LP также поддерживает множество интерфейсов: 1xSPI, 2xSPI/I2S, 2xI2C (SMBus/PMBus), 1xPDM, 1xUART и 1xUSART. Для задания тактовой частоты можно использовать внешний кварц до 32 МГц и внутренний RC-генератор 64 МГц.

BlueNRG-LP имеет программируемый понижающий преобразователь SMPS с высоким КПД и монитор питания, который контролирует питание относительно запрограммированного порога или внешнего аналогового сигнала. Кроме этого, при включении и выключении питания, когда напряжение ниже фиксированных пороговых значений (~1,65 В), будет генерироваться сброс микросхемы.

Есть три способа использования микросхемы BlueNRG-LP:

В качестве сетевого сопроцессора.

В случае, когда основной код приложения работает на другом микроконтроллере, и нужно добавить поддержку BLE, микросхему BlueNRG-LP с предварительно запрограммированным стеком BLE можно использовать как сетевой сопроцессор. Для этого на стороне основного процессора необходимо добавить драйвер BlueNRG-LP и промежуточное ПО (рисунок 2).

Рис. 2. Использование BlueNRG-LP в качестве сетевого сопроцессора

Рис. 2. Использование BlueNRG-LP в качестве сетевого сопроцессора

Для перекачки данных по BLE в режиме прозрачного канала (Data Pump).

В некоторых применениях требуется передавать и извлекать данные через BLE, независимо от типа данных, используемого профиля или конечного приложения. Для этого достаточно добавить программную поддержку UART/SPI на стороне BlueNRG-LP (рисунок 3).

Рис. 3. Использование BlueNRG-LP для перекачки данных по BLE

Рис. 3. Использование BlueNRG-LP для перекачки данных по BLE

 

В качестве основного процессора.

Использование BlueNRG-LP в качестве основного процессора для запуска кода приложения и обработки стека BLE (рисунок 4) является оптимальным решением, которое легко реализовать с помощью программных инструментов от STMicroelectronics и доступных примеров кода.

Рис. 4. Использование BlueNRG-LP в качестве основного процессора

Рис. 4. Использование BlueNRG-LP в качестве основного процессора

Что касается энергопотребления, то BlueNRG-LP является одним из лучших решений на рынке. Ток в спящем режиме составляет 1 мкА. Ток передачи не превышает 4,3 мА, а приема – 3,4 мА (рисунок 5). Среднее потребление при рассылке оповещений 31 байт каждые 3 с может достигать 5,8 мкА (питание 3 В, 0 дБм).

Рис. 5. График изменения потребления BlueNRG-LP

Рис. 5. График изменения потребления BlueNRG-LP

Чувствительность приемника на скорости 1 Мбит/с составляет -97 дБм и -104 дБм в режиме максимальной дальности за счет использования кодирования PHY (S = 8) на скорости 125 кбит/с. Максимальная выходная мощность достигает +8 дБм.

На рисунке 6 показана оценка дальности для BlueNRG-LP с помощью инструмента расчета Bluetooth.

Рис. 6. Оценка дальности для BlueNRG-LP на скорости 1 Мбит/с

Рис. 6. Оценка дальности для BlueNRG-LP на скорости 1 Мбит/с

Дальность связи зависит от антенны и окружающей среды. Инженеры STMicroelectronics протестировали дальность связи между двумя платами STEVAL-IDB011V1 (оценочные платы с BlueNRG-LP) с антеннами SMA (всенаправленные, импеданс 50 Ом, максимальное усиление каждой – 1,5 дБм) на открытой местности. Одно из устройств (клиент) изменяло состояние светодиода на удаленном устройстве (сервере) каждые 300 мс. В тестах были достигнуты максимальные расстояния 960 м на скорости 1 Мбит/с и 1300 м в режиме Long Range на скорости 125 кбит/с.

Программная поддержка

Организация стека BlueNRG-LP позволяет оптимизировать размер приложения, в зависимости от требуемой функциональности, за счет использования микросхемы в одном из следующих режимов:

  1. Полнофункциональный режим. В этом режиме потребуется ~100 кбайт Flash-памяти, микросхема может выполнять роль клиента и сервера (ведущего/ведомого). Скорость передачи – 2 Мбит/с, возможна рассылка оповещений и режим Long Range (с кодированием PHY).
  2. Основной режим требует ~62 кбайт, устройство на базе BlueNRG-LP выполняет роль клиента (ведомого) при скорости BLE 1 Мбит/с.
  3. Режимы 2M и Long Range потребуют ~70 кбайт, устройство на базе BlueNRG-LP выполняет роль клиента (ведомого) при скорости BLE 2 Мбит/с с возможностью рассылки оповещений, а также может работать в режиме Long Range.

Прошивку микросхем BLE SoC компании STMicroelectronics можно обновлять по эфиру из приложения ST BLE Sensor, причем для BlueNRG-LP время загрузки составляет всего 5 с. Для защиты памяти программ от копирования и модификации предусмотрены несколько уровней:

  • нулевой уровень защиты: защиты нет, полный доступ к памяти для всех пользователей;
  • первый уровень: устанавливается защита от чтения, которую можно снять только за счет полного стирания (рисунок 7);

Рис. 7. Защита от чтения

Рис. 7. Защита от чтения

  • второй уровень: максимальная защита, необратимый запрет на чтение и запись (рисунок 8).

Рис. 8. Максимальная защита от чтения и записи

Рис. 8. Максимальная защита от чтения и записи

Кроме этого, для безопасной передачи прошивки по эфиру можно воспользоваться аутентификацией прошивки перед ее исполнением и осуществлять проверку подписи прошивки корректным закрытым ключом. Для загрузчика доступна аутентификация на основе асимметричного алгоритма (рисунок 9):

  • наличие пары ключей (открытый, закрытый); RSA-2048, открытый ключ 256 байт;
  • сгенерированный открытый ключ сохраняется в OTP микросхемы;
  • прошивка подписывается владельцем с использованием закрытого ключа, а сгенерированная подпись добавляется к прошивке (цифровая подпись 2048 бит).

Закрытый ключ никогда не передается и не хранится внутри микросхемы.

Рис. 9. Аутентификация на основе ассиметричного алгоритма

Рис. 9. Аутентификация на основе ассиметричного алгоритма

Микросхему BlueNRG-LP можно использовать как для BLE, так и для проприетарной связи на частоте 2,4 ГГц. С помощью BlueNRG-LP можно организовать ВЧ-канал со сверхмалой задержкой (~100 мкс) для периферийных устройств ПК и игровых применений. Преимущества BlueNRG-LP при использовании драйвера проприетарного режима на частоте 2,4 ГГц:

  • встроенный механизм подтверждения;
  • скорость передачи данных ~1,6 Мбит/с;
  • небольшой объем памяти (~5 кбайт);
  • функция шифрования.

Другой полезной опцией использования решений BLE от STMicroelectronics является создание сетей Bluetooth Mesh, которые обеспечивают простое подключение бытовых устройств к iOS/Android и незаменимы для создания умного дома. Основной идеей такого подключения является децентрализация внутри сети, за счет которой возможна передача данных от любого узла к нескольким другим узлам. Если два устройства находятся слишком далеко друг от друга, их сигналы могут передаваться через промежуточные узлы. Такая связь не требует высокой выходной мощности радиосигналов для покрытия больших расстояний или работы через стены.

Преимущества использования Bluetooth Mesh:

  • сертифицированная библиотека профилей Bluetooth Mesh 1.0.1, клиент-серверная модель, стек BLE;
  • двухуровневая безопасность (128-битный протокол AES-CCM и 256-битный протокол ECDH);
  • малое потребление и совместимость;
  • организация передачи базы данных узлов между смартфонами через электронную почту и облачное приложение;
  • программные средства для создания приложений для Android и iOS;
  • малые затраты на разработку и быстрый вывод на рынок.

Схемотехника подключения и средства разработки

Микросхема поставляется в трех корпусах с разным количеством выводов. Типовая схема подключения в 32-выводном корпусе представлена на рисунке 10. Для подключения требуются всего несколько дискретных фильтрующих элементов, балун уже встроен в микросхему (несимметричный выход 50 Ом). Для организации питания можно использовать внутренний преобразователь SMPS и стабилизатор LDO. BlueNRG-LP содержит внутренние программируемые емкости, которые можно использовать для настройки частоты кристалла.

Рис. 10. Схема подключения BlueNRG-LP

Рис. 10. Схема подключения BlueNRG-LP

Для быстрого старта работы с BlueNRG-LP предлагаются оценочные платы STEVAL-IDB011V1 (рисунок 11). На плате STEVAL-IDB011V1 установлена микросхема BlueNRG-LP в корпусе QFN48, MEMS-датчики (акселерометр, датчик давления и температуры, микрофон), внешний кварцевый резонатор 8 МГц, преобразователь USB-UART/SPI, выход для подключения антенны. В отличие от предыдущих версий, плата STEVAL-IDB011V1 включает в себя программатор-отладчик CMSIS-DAP.

Рис. 11. Оценочная плата STEVAL-IDB011V1

Рис. 11. Оценочная плата STEVAL-IDB011V1

В качестве основного программного инструмента компания STMicroelectronics предлагает комплект для разработки программного обеспечения – STSW-BNRGLP-DK, который включает в себя широкий набор примеров, готовых к использованию (рисунок 12). Каждый пример содержит весь необходимый исходный код.

Рис. 12. Примеры для BLE в составе STSW-BNRGLP-DK

Рис. 12. Примеры для BLE в составе STSW-BNRGLP-DK

Некоторые из примеров предлагаемого кода:

  • BLE_Thoughput для повышения скорости передачи данных за счет настроек связи (интервала подключения, длины пакета MTU) до 2 Мбит/с;
  • BLE_RC_LongRange для использования кодирования PHY и режима Long Range;
  • BLE_SensorDemo_BlueMSapp для получения данных с датчиков демонстрационной платы и обновления устройства через приложение ST BLE Sensor;
  • BLE_SerialPort – профиль последовательного интерфейса поверх BLE.

Также пакет STSW-BNRGLP-DK содержит полный набор исходников драйверов (рисунок 13) для работы с периферией (PWM, I²C, SPI/I2S, SPI, USART, UART, PDM, АЦП), а также драйвер для создания проприетарного модуля 2,4 ГГц.

Рис. 13. Периферийные драйверы в составе STSW-BNRGLP-DK

Рис. 13. Периферийные драйверы в составе STSW-BNRGLP-DK

В состав STSW-BNRGLP-DK также входит приложение для ПК BlueNRG-LP Navigator (рисунок 14), которое обеспечивает интерактивный, простой и удобный интерфейс для выбора и запуска всех демонстрационных примеров. BlueNRG-LP Navigator обеспечивает доступ к основным компонентам пакета STSW-BNRGLP-DK, таким как:

  • демонстрационные примеры BLE для BlueNRG-LP;
  • периферийные драйверы BlueNRG-LP (LL, HAL);
  • примеры для проприетарной связи 2,4 ГГц;
  • поддержка оценочных плат на базе BlueNRG-LP.

BlueNRG-LP Navigator позволяет напрямую загрузить и запустить выбранный код на оценочную плату с BlueNRG-LP при ее подключении по USB-порту к ПК. В интерфейсе можно просмотреть все описания и конфигурацию плат, а также исходные коды примеров.

Рис. 14. Окна приложения BlueNRG-LP Navigator

Рис. 14. Окна приложения BlueNRG-LP Navigator

BlueNRG-LP Radio Init Wizard – это приложение для ПК в составе STSW-BNRGLP-DK, которое позволяет определять нужные параметры, необходимые для инициализации BLE на BlueNRG-LP, на основе конкретного сценария пользовательского приложения (рисунок 15). Для выбранных параметров генерируется конфигурационный заголовочный файл, который в дальнейшем можно применять в пользовательском приложении.

Рис. 15. Окно приложения BlueNRG-LP Radio Init Wizard

Рис. 15. Окно приложения BlueNRG-LP Radio Init Wizard

С помощью автономной утилиты BlueNRG-X Flasher для ПК (рисунок 16) можно осуществлять чтение, стирание данных и программирование микросхем BlueNRG-LP. Эта утилита поддерживает доступ к Flash-памяти через интерфейсы UART и SWD с использованием, соответственно, внутреннего загрузчика UART и стандартного интерфейса SWD через инструменты программирования и отладки SWD (CMSIS-DAP, ST-Link/V2, J-Link).

Рис. 16. Окно утилиты BlueNRG-X Flasher

Рис. 16. Окно утилиты BlueNRG-X Flasher

Другим инструментом для оценки возможностей BlueNRG-LP и тестирования связи BLE является программный пакет STSW-BNRGUI (рисунок 17). Этот пакет представляет собой графический интерфейс, позволяющий отправлять и принимать посылки HCI/ACI, а также сохранять историю в файл. В интерфейсе есть вкладка Scripts, где можно загрузить для исполнения один из готовых скриптов на python или создать свой. Интерфейс STSW-BNRGUI позволяет более детально изучать обмен данными по BLE между устройствами.

Рис. 17. Окно графического интерфейса STSW-BNRGUI

Рис. 17. Окно графического интерфейса STSW-BNRGUI

Помимо перечисленных программных инструментов, компания STMicroelectronics выпустила приложение ST BLE Sensor для Android и iOS, с помощью которого можно быстро и удобно экспортировать данные с устройства BLE по протоколу BlueST и, кроме этого, обновить прошивку устройства по эфиру за несколько секунд.

Варианты корпусов

Микросхема BlueNRG-LP сейчас доступна в шести исполнениях с разными корпусами и объемами памяти:

На рисунке 18 представлена расшифровка наименований микросхем для заказа.

Рис. 18. Расшифровка наименований BlueNRG-LP для заказа

Рис. 18. Расшифровка наименований BlueNRG-LP для заказа

Ключевые преимущества BlueNRG-LP

Рассмотренные характеристики позволяют решениям на основе микросхем BlueNRG-LP отвечать большинству требований в подключении Bluetooth-устройств. BlueNRG-LP предлагает лучший на рынке динамический диапазон расстояний, сверхмалое потребление, расширенную защиту данных и хорошую программную поддержку. Все микросхемы SoC для BLE включены в программу гарантированной десятилетней доступности компонентов STMicroelectronics.

Литература

  1. Smart World of IoT – Bluetooth Low Energy – The Swiss Army Knife of Connectivity!
  2. Getting started with BlueNRG-Mesh
  3. User manual. BlueNRG-LP development kits
  4. BlueNRG-1 Demo board intro
  5. Programmable Bluetooth Low Energy Wireless SoC
•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
BLUENRG-355MC (ST)
BLUENRG-355MT (ST)
BLUENRG-345MC (ST)
BLUENRG-345MT (ST)
BLUENRG-355AC (ST)
STEVAL-IDB011V1 (ST)