STM32WB: новый перспективный мультисистемный чип BLE/ZigBee/Thread/802.15.4

16 апреля 2019

Новинка от STMicroelectronics, объединяющая в одной системе-на-кристалле (СнК) ядро для прикладных задач Cortex®‐M4 и ядро радиоконтроллера Cortex®‐M0+, претендует на роль базового изделия растущего рынка компонентов для интернета вещей.

Микроконтроллеры STMicroelectronics отличает хорошее соотношение цены, производительности, набора периферийных устройств и потребляемой мощности.

STMicroelectronics предлагает надежные и экономичные беспроводные решения для подключения интеллектуальных объектов к локальной сети и облаку, то есть для интернета вещей.

Линейка поставок компании включает в себя трансиверы, сетевые процессоры и модули как для субгигагерцевого диапазона (6LowPan, WMBUS, SigFox и  LoRaWAN), так и для диапазона 2,4 ГГц (Bluetooth Smart®, Thread). Разработчикам доступны также программные библиотеки, стеки протоколов, отладочные платы.

Реалии вариантов применения интернета вещей (Internet of Thihgs, IoT) и ближайшие перспективы его развития требуют от некоторых устройств, включенных в его работу, достаточно сложного функционална. В частности – одновременной работы в нескольких сетях, возможности работы напрямую с пользовательскими устройствами, переключения режимов работы в зависимости от действий пользователя, времени суток или иных условий.

Все это ставит перед разработчиками IoT-устройств задачу по обеспечению требуемого функционала устройств в условиях ограниченных размеров, энергообеспечения и быстрых сроков выпуска продукции на рынок.

Новинка на рынке IoT – серия STM32WB

Компания STMicroelectronics выпускает новое решение для IoT-устройств – беспроводные системы на кристалле (СнК) серии STM32WB [1, 2].

В отличие от конкурирующих решений STM32WB содержит два производительных ядра ARM-Cortex:

• ядро ARM® Cortex®‐M4 (прикладное), работающее на частотах до 64 МГц, для пользовательских задач имеется модуль управления памятью, модуль плавающей точки, инструкции ЦОС (цифровой обработки сигналов), графический ускоритель (ART accelerator);
• ядро ARM® Cortex®‐M0+ (радиоконтроллер) с тактовой частотой 32 МГц, управляющее радиотрактом и реализующее низкоуровневые функции сетевых протоколов.

Архитектура STM32WB оптимизирована по производительности, энергопотреблению и даже по списку компонентов (BOM). Идеологически данная серия является развитием серии ультрамалопотребляющих контроллеров STM32L и имеет аналогичный набор аналоговой и цифровой периферии.

Структура СНК STM32WB представлена на рисунке 1 [3].

Рис. 1. Структура СнК серии STM32WB

Основные характеристики (таблица 1):

• типовое энергопотребление 50 мкА/МГц (при напряжении питания 3 В);
• потребление в режиме останова 1,8 мкА (радиочасть в режиме ожидания (standby));
• потребление в выключенном состоянии (Shutdown) менее 50 нА;
• диапазон допустимых напряжений питания 1,7…3,6 В (встроенный DC/DC–преобразователь и LDO-стабилизатор);
• рабочий температурный диапазон -40…105°С.

Периферийные устройства:

• I²C (2);
• USART;
• LP-UART;
• SPI (2);
• USB0 FS с поддержкой обнаружения зарядки;
• аудиоинтерфейс SAI;
• Q-SPI (XIP);
• шесть 16-битных таймеров, включая таймеры с ультрамалым потреблением);
• выход тактовой частоты 32 кГц;
• контроллер емкостного сенсора;
• АЦП (12/16 бит);
• бустер для ЖК-дисплея.

Более того, в STM32WB встроены согласующий фильтр радиотракта (RF balun) и USB интерфейс.

Доступные для разработчика бесплатные программные продукты:

• стек BLE 5;
• стек OpenThread;
• MAC уровень 802.14.5;
• в 2019 году планируется выход стека ZigBee;
• драйверы HCI;
• библиотека STM32CubeMX;
• утилита тестирования работы радиоканала STM32CubeMonitor-RF;
• среды разработки (IDE ) – Atollic, AC6: SW4STM

Таблица 1. Основные характеристики контроллеров серии STM32WB [1]

Особое внимание в серии STM32WB было уделено внедрению функций аппаратного обеспечения безопасности, таких как 256-битные AES, PCROP, JTAG Fuse, PKA и Root Secure Services (RSS). RSS позволяет аутентифицировать прошивку при загрузке «по воздуху» независимо от радиостека или приложения.

Трансивер диапазона 2,4 ГГц, управляемый ядром Cortex-M0+, потребляет 3,8 мА в режиме приема и всего 5,5 мА в режиме передачи (при выходной мощности 0 дБм). Максимальная выходная мощность может достигать +6 дБм, а полный бюджет радиоканала составляет 104 дБ.

Радиоконтроллер содержит сертифицированные стеки протоколов, включая стеки OpenThread и Bluetooth 5 с поддержкой Mesh 1.0 (рисунки 2 и 3). Общий уровень доступа HCI и Media Access Control (MAC) радиоприемника дает разработчикам гибкость в использовании стека Bluetooth Low Energy (BLE) или стеков стандарта 802.15.4 от сторонних производителей.

Рис. 2. Распределение ролей процессорных ядер в СнК STM32WB

Распределение памяти в STM32WB изображено на рисунке 3:

Рис. 3. Пример распределения памяти в STM32WB

• голубой цвет обозначает встроенные/вшитые протоколы;
• синий – предварительно скомпилированные бинарные файлы;
• зеленый – доступное в виде исходных текстов;
• серый – возможность добавления собственных протоколов или протоколов от сторонних производителей.

Приятным моментом для поклонников разработки беспроводных решений на базе STM32WB станет большой объем оперативной и Flash-памяти (рисунок 4):

Рис. 4. Объемы памяти и типы корпусов СнК серии STM32WB55

• оперативная память – 128…256 кбайт;
• Flash-память – 256 кбайт…1 Мбайт.

Новая опция, дающая солидное конкурентное преимущество – это возможность работы с двумя стеками протоколов одновременно (фактически можно работать/присутствовать сразу в двух беспроводных сетях). В частности, в STM32WB реализована взаимная работа BLE и протоколов на базе стандарта 802.15.4 (пример параллельной работы с Thread показан на рисунке 5). Это позволяет легко наладить взаимодействие с пользовательскими устройствами – смартфонами, планшетами, ноутбуками, – или интегрироваться в общую сеть дома или предприятия.

Рис. 5. Одновременная работа в сетях BLE и Thread

Заключение

Новая серия мультипротокольных беспроводных систем на кристалле STM32WB является перспективным решением для IoT. Технические параметры STM32WB делают эти микроконтроллеры одними из лучших в своем классе благодаря малому потреблению и высокой чувствительности радиотракта.

Отличительной особенностью является поддержка параллельной работы в сетях BLE и 802.15.4. Большой объем постоянной и оперативной памяти позволяет применять в разрабатываемых изделиях достаточно сложные и ресурсоемкие протоколы без опасения, что прикладной задаче не хватит памяти (особенно оперативной). Увеличенный объем памяти позволит поддерживать и маршрутизировать достаточно большие и разветвленные сети. Наличие таких периферийных устройств как USB и LCD-драйвер позволяет применять STM32WB в IoT-устройствах различного класса – от небольших автономных изделий до устройств, непосредственно взаимодействующих с пользователем.

Литература

1. STM32WB Series — Wireless Microcontrollers (MCUs). STMicroelectronics
2. STM32_ The Best Goes Wireless with STM32WB
3. New STM32WB Series MCU with Built-in BLE 5 and IEEE 802.15.4