Schnelle Implementierung einer miniaturisierten energiesparenden Bluetooth-Erweiterung über einen integrierten HF-Mikrocontroller

Entwickler sind permanent dem Druck ausgesetzt, batteriebetriebene Bluetooth-Geräte zu konstruieren, die kompakt und zuverlässig sind, einen geringen Stromverbrauch aufweisen und noch dazu preisgünstig sind – und das alles bei immer knapperen Markteinführungszeiten. Angesichts dieses komplexen Geflechts technischer Kompromisse wird die Entwicklungsarbeit zunehmend schwieriger, aber nicht unmöglich: dank innovativer Lösungen von Halbleiteranbietern, die genau auf diese spezielle Problematik zielen.

Eine solche Lösung ist der Mikrocontroller STM32WB55RGV6 von STMicroelectronics, der zusätzlich zum eigentlichen Steuerungsprozessor ein Bluetooth-Modul enthält.

Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Designanforderungen im ständig wachsenden Markt für Bluetooth-Zubehör vor der Einführung des STM32WB55RGV6 und zeigt, wie dessen Einsatz den Designprozess vereinfacht.

Anforderungen an Bluetooth-Zubehör

Für Bluetooth-Zubehör gelten in der Regel hohe Anforderungen für die Batteriebetriebsdauer wie auch für die Größe. Bei den Bluetooth-Verbraucherprodukten ist eine längere Batteriebetriebsdauer gleichbedeutend mit einer hohen Kundenzufriedenheit, daher sollten bei der Auswahl der Komponenten geringe Größe und geringer Stromverbrauch entscheidend sein. Der Ausgangsentwurf sollte immer ausreichend Flexibilität für Substitutionen aufweisen, da es nicht unüblich ist, dass im weiteren Verlauf des Entwicklungsprozesses noch bessere Produkte als die zuvor ausgewählten gefunden werden.

Bluetooth-Designs lassen sich üblicherweise in drei Abschnitte unterteilen: das Bluetooth-Modul, den Anwendungsprozessor mit seinen unterstützenden Komponenten und die Benutzeroberfläche (Tasten, LEDs, Lautsprecher). STMicroelectronics hat das Design nun vereinfacht: durch Integration von Steuerprozessor und Bluetooth-Modul auf demselben Mikrocontroller. Der Mikrocontroller STM32WB55RGV6 gehört zur Mikrocontroller-Baureihe STM32WB von STMicroelectronics. Er enthält einen 64 Megahertz (MHz) Arm®-Cortex®-M4-Prozessor mit FPU (Floating Point Unit) und ein vollständiges Bluetooth-Modul auf einem einzelnen Chip. Sein integrierter Speicher umfasst 1 Megabyte (MB) Flash-Speicher und 256 Kilobyte (KB) SRAM.

Der STM32WB55RGV6 weist drei On-Chip-Spannungsregler auf. Der Hauptregler kommt zum Einsatz, wenn sich der Prozessor im Arbeits- und Ruhemodus befindet. Der Energiesparregler arbeitet in den energiesparenden Betriebs- und Ruhemodi. Der HF-Regler (Hochfrequenz) wird lediglich zur Stromversorgung der Bluetooth- und HF-Subsysteme verwendet.

Doch noch weitere Parameter verweisen darauf, dass der STM32WB55RGV6 von Grund auf für energiesparende Anwendungen konzipiert wurde. Er verfügt über einen 13 Nanoampere (nA) Abschaltmodus, in dem alles bis auf einen geringen Teil des RAM abgeschaltet ist. Wenn im Abschaltmodus nur noch die Echtzeituhr (RTC) in Betrieb ist, verbraucht der gesamte Baustein gerade einmal 315 nA. Bei laufender RTC kann der Microcontroller auch 32 KB RAM nutzen und verbraucht dann nur 600 nA.

Seine Flexibilität erhält der STM32WB55RGV6 durch eine umfangreiche Palette an Peripheriekomponenten, wozu zwei serielle periphere Schnittstellen (SPIs) und zwei I²C-Schnittstellen zählen (Abbildung 1). Ein Port für USB 2.0 Full Speed (FS) kann verwendet werden, um Dateien zwischen der Anwendung und einem PC zu übertragen. Er kann auch zum Aufladen eines Akkus der Bluetooth-Anwendung genutzt werden, mit oder ohne Unterstützung von Datenübertragungen. Der STM32WB55 verfügt auch über einen Controller für ein externes 8 x 40 LCD. Ein Touch-Sensing-Controller steht zur Verfügung, um eine Benutzeroberfläche mit Touchscreen zu implementieren.

Abbildung 1: Der Mikrocontroller STM32WB55RGV6 von STMicroelectronics integriert einen Arm-Cortex-M4 mit FPU und ein Bluetooth-Subsystem auf einem einzigen Chip. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Das Bluetooth-Modul des STM32WB55RGV6 ist kompatibel mit der neuesten Bluetooth-Spezifikation v5.0. Es ist ebenso kompatibel mit der Spezifikation IEEE 802.15.4-2011, welche die untersten beiden Schichten des OSI-Modells, die physische Schicht (PHY) und die MAC-Schicht, definiert. Für batteriebetriebene Anwendungen ist das Modul auch BLE-kompatibel (Bluetooth Low Energy) und unterstützt über eine sichere Verbindung Datenübertragungsraten von 1 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) und 2 Mbit/s.

Der BLE-Stack und die PHY- und MAC-Schichten gemäß IEEE 802.15.4 werden auf einer dedizierten ARM-Cortex-M0+-CPU des STM32WB ausgeführt. Dieser Cortex-M0+-Bereich ist nur für die Ausführung des BLE-Stacks vorgesehen und kann nicht zur Ausführung von Benutzeranwendungscode genutzt werden.

Das HF-Frontend der STM32WB55RGV6-Mikrocontrollerserie ist so konzipiert, dass es mit einem Minimum an externen Komponenten auskommt, wie Abbildung 2 zeigt. Es verfügt über ein dediziertes Schaltnetzteil (SMPS) zur Versorgung der HF-Schaltungen.

Das SMPS ist ein gutes Beispiel, wie sich Probleme mit integrierten Lösungen lösen lassen. Um Interferenzen mit den HF-Schaltungen zu minimieren, arbeitet das Schaltnetzteil mit der gleichen Taktfrequenz, die auch zur Taktung des HF-Teils des Cortex-M0+-Mikrocontrollers verwendet wird, was entweder 4 oder 8 MHz sind. Zur weiteren Verringerung von Interferenzen kann eine automatische Verstärkungsregelung (Automatic Gain Control, AGC) die HF- und ZF-Verstärkung automatisch reduzieren. Durch Firmware kann die AGC auch manuell justiert werden.

Abbildung 2: Das HF-Frontend des Bluetooth-Mikrocontrollers STM32WB umfasst einen Cortex-M0+-BLE-Controller, eine AGC zur Rauschminderung und drei Spannungsregler. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Der HF-Teil erfordert einige wenige externe Komponenten. Zu diesem Zweck verfügt das HF-Frontend bereits über integrierte benutzerprogrammierbare Kondensatoren, so dass für den externen 32-MHz-Quarz keine externen Justierkondensatoren erforderlich sind. Das HF-Frontend reduziert die Komponentenanzahl auch dadurch, dass es ein vollständiges Bandpass-Symmetrierglied enthält, dargestellt beim Antennen-Pin (RF1) (wiederum Abbildung 2).

Der RF1-Pin muss über einen Filter mit einem Tiefpassanpassungsnetz mit einer kompatiblen Bluetooth-Antenne für 2,4 Gigahertz (GHz) verbunden werden. Schließlich sind Entkopplungskondensatoren zwischen der Stromversorgung des HF-Teils und Masse erforderlich. Als Werte sind hier 100 Nanofarad (nF) und 100 Picofarad (pF) empfohlen, die parallel geschaltet sind.

Wie bei jeder Funkanwendung wirken sich HF-Design und Auswahl der Komponenten direkt auf die Leistung des Bluetooth-Moduls aus. Durch Einsatz von Komponenten mit hoher Genauigkeit lässt sich die Zuverlässigkeit des Bluetooth-Moduls verbessern. Für den Designer ist hiermit der Großteil der Arbeit im HF-Teil bereits erledigt. Es ist nun Aufgabe des Entwicklers, das System so zu gestalten, dass der Pfad zwischen der externen Bluetooth-Antenne und dem gekoppelten Gerät nicht behindert wird.

Zur Beschleunigung der Entwicklungsarbeit mit dem STM32WB55RGV6 bietet STMicroelectronics die P-NUCLEO-WB55 Nucleo-Entwicklungskarte an (Abbildung 3). Zum Lieferumfang der Karte gehört auch ein USB-Dongle, der auch einen STM32WB-Mikrocontroller enthält.

Abbildung 3: Die Nucleo-Karte von STMicroelectronics für die STM32WB-Reihe lässt sich mit dem Bluetooth-Dongle verbinden, um die Entwicklung von Projekten auf Basis des STM32WB zu erleichtern. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Die Nucleo-Karte verfügt über Arduino™-Erweiterungsanschlüsse, wodurch Entwickler ihre Projekte um Arduino-Uno-kompatible Module erweitern können. Für einen Entwickler ist es damit kein Problem, schnell einen Hardware-Prototyp rund um die Nucleo-Karte zusammenzustellen. Programmierung und Debugging der Nucleo-Anwendung erfolgen über einen PC, der über den USB-Anschluss mit der Karte verbunden ist. Die programmierte Nucleo-Karte kann dann mit dem mitgelieferten Bluetooth Dongle oder mit einem Bluetooth-fähigen PC kommunizieren.

Anwendungssicherheit

Die Sicherheit von drahtlosen Anwendungen ist für Entwickler zu einem echten Problem geworden. Unternehmen müssen ihre Daten und ihre Firmware vor Angriffen und Fälschungsversuchen schützen. Ein in den STN32WB55RGV6 integrierter AES-256-Hardware-Verschlüsselungsblock ermöglicht die Ver- und Entschlüsselung der Bluetooth-Übertragungen. Damit wird verhindert, dass böswillige Akteure die Bluetooth-Übertragungen abfangen und Daten „abhören“.

Es gehört mittlerweile zum Standard, Anwendungen über Bluetooth zu aktualisieren. Doch dies kann Hackern auch einen Angriffspunkt zur Installation falscher Firmware-Updates bieten. Der STM32WB55RGV6 bietet durch einen SFI-Prozess (Secure Firmware Installation) Schutz vor falschen Firmware-Installationen. Dabei handelt es sich um ein System aus öffentlichem und privatem Schlüssel, der eine verschlüsselten Firmware-Datei zum STM32WB55RGV6 überträgt. Der STM32WB55RGV6 entschlüsselt die Firmware-Datei mit einem in einem sicheren Speicherblock gespeicherten privaten Schlüssel und einem lesbaren öffentlichen Schlüssel, der die Signatur von STMicroelectronics trägt. Dadurch wird sichergestellt, dass nur Systeme mit autorisierten Anmeldeinformationen die Firmware aktualisieren können.

Jeder STM32WB55RGV6 besitzt auch eine eindeutige 96-Bit-Kennung (ID) sowie eine eindeutige 64-Bit-ID. Anhand dieser IDs lassen sich die verschiedenen STM32WB55RGV6-Mikrocontroller identifizieren, was zusätzliche Sicherheit bietet, oder es können sogar verschiedene Funktionen in der Firmware für unterschiedliche in der Praxis eingesetzte Systeme aktiviert werden.

Fazit

Die Entwicklung von Bluetooth-Geräten erfordert eine strenge Kontrolle von Stromverbrauch, Größe, Kosten und Zuverlässigkeit. Durch die Auswahl von hoch integrierten Komponenten wie dem STM32WB55RGV6 lässt sich die Entwicklungsarbeit angesichts der nötigen Kompromissfindung erheblich vereinfachen und die Entwicklungszeit deutlich verkürzen.