作者：Jens Wallmann

　　無情的競爭給物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備開發(fā)商帶來了壓力，要求他們快速推出新的創(chuàng)新產(chǎn)品，同時降低成本并確保穩(wěn)定、低功耗和安全的通信。傳統(tǒng)的智能物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)包括用于實(shí)現(xiàn)邊緣處理的微控制器單元 (MCU) 和用于連接的無線 IC。當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)缺乏有效解決方案所需的射頻 (RF) 技能時，就會出現(xiàn)問題。

　　為了按時完成、認(rèn)證無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)并將其投入批量生產(chǎn)，開發(fā)人員需要提高開發(fā)流程的效率。提高開發(fā)過程效率的一種方法是使用具有集成藍(lán)牙低功耗 (BLE) 無線接口的低功耗 MCU。

　　本文介紹了意法半導(dǎo)體的超低功耗STM32WBA52 MCU 系列，并展示了開發(fā)人員如何使用 BLE 評估板、開發(fā)工具和應(yīng)用示例來快速啟動和運(yùn)行 BLE 5.3 無線設(shè)計(jì)。其中包括編程和 MCU 接線的簡要介紹。

　　高安全級別省電無線MCU

　　STM32WBA52 MCU 系列經(jīng)過 BLE 5.3 認(rèn)證，是一款經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，使新手開發(fā)人員能夠快速向其設(shè)備添加無線通信。這些微控制器基于具有 100 兆赫 (MHz) 時鐘和 TrustZone 技術(shù)的Arm? Cortex?-M33 內(nèi)核，可提供高水平的安全性、保護(hù)數(shù)據(jù)和知識產(chǎn)權(quán) (IP)，并防止黑客攻擊和設(shè)備克隆。

　　STM32WBA52CEU6無線 MCU 具有 512 KB 閃存和 96 KB 靜態(tài) RAM (SRAM)，而 STM32WBA52CGU6變體則提供 1 兆字節(jié) (Mbyte) 閃存和 128 KB SRAM。圖 1 顯示了采用 48 UFQFN 封裝的 IC 的功能范圍。順便說一句，多達(dá) 20 個電容式觸摸通道可實(shí)現(xiàn)密封設(shè)備的操作(無需機(jī)械按鍵)。

　　圖 1：STM32WBA52 的功能框圖顯示了集成的 BLE 5.3 無線電、閃存和 SRAM 以及安全支持。 (圖片來源：意法半導(dǎo)體)

　　豐富的STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)支持BLE應(yīng)用的實(shí)施和編程。它包括 STM32CubeIDE 開發(fā)環(huán)境，以及 STM32CubeMX 外設(shè)配置器和代碼生成器、STM32CubeMonitorRF 性能測試器以及用于人工智能 (AI) 的 STM32Cube.AI 桌面和云版本等工具。匹配的評估板NUCLEO-WBA52CG通過許多 BLE 示例應(yīng)用程序和免費(fèi)提供的源代碼簡化了原型設(shè)計(jì)并加速了驗(yàn)證。

　　設(shè)備和數(shù)據(jù)安全

　　STM32WBA52 產(chǎn)品線符合 IoT 安全標(biāo)準(zhǔn) Platform Security Arm (PSA) Certified Level 3 和 IoT Platform Assurance Level 3 安全評估標(biāo)準(zhǔn) (SESIP3)?；诎踩綦x、內(nèi)存保護(hù)、篡改保護(hù)和采用 Arm TrustZone 架構(gòu)的 MCU Cortex-M33 的 PSA 安全計(jì)劃增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。 Arm Cortex-M (TF-M) 可信固件符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) PSA 認(rèn)證安全框架，具有 PSA 不可變信任根 (RoT)，包括安全啟動和安全固件更新 (X-CUBE-SBSFU)、加密、安全存儲和運(yùn)行時證明。

　　集成無線電最大限度地減少了 BOM

　　集成的超低功耗無線電模塊以 1 毫瓦 (mW) (dBm) 射頻輸出功率為參考，可提供 +10 分貝的噪聲。它可實(shí)現(xiàn)短距離 (BLE 5.3) 和長距離(長距離)的可靠通信，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 2 兆比特每秒 (Mbps)。當(dāng)無線電通信處于活動狀態(tài)時，深度待機(jī)低功耗模式可降低總體電力。 STM32WBA MCU 最多可支持 20 個同時連接。

　　無線電模塊電氣性能特點(diǎn)：

　　支持 BLE 5.3 的 2.4 GHz RF 收發(fā)器

　　RX 靈敏度：-96 dBm(BLE，1 Mbps)

　　可編程輸出功率，高達(dá) +10 dBm，步長為 1 dB

　　集成巴倫

　　由于高效的能源管理，電池更小

　　STM32WBA52 MCU 具有多種節(jié)能技術(shù)，包括 STMicroElectronics 的低功耗直接內(nèi)存訪問 (LPDMA) 和具有快速喚醒時間的靈活節(jié)能狀態(tài)。這些功能加在一起可將 MCU 功耗降低高達(dá) 90%，這意味著電池容量明顯更小或電池壽命更長。

　　FlexPowerControl的電氣性能特點(diǎn)：

　　1.71 至 3.6 伏電源

　　140 納安 (nA) 待機(jī)模式(16 個喚醒引腳)

　　具有實(shí)時時鐘 (RTC) 的 200 nA 待機(jī)模式

　　2.4 微安 (μA) 待機(jī)模式，帶 64 KB SRAM

　　16.3 μA 停止模式，帶 64 KB SRAM

　　3.3V 時運(yùn)行模式為 45μA/MHz

　　無線電：Rx 7.4 毫安 (mA) / Tx @ 0 dBm 10.6 mA

　　此外，藍(lán)牙 5.3 可以在低占空比和高占空比之間更快地切換，使其比以前的版本更加節(jié)能。

　　藍(lán)牙堆棧和數(shù)據(jù)包的架構(gòu)

　　STM32WBA52 中的單核 Arm Cortex-M33 MCU 專為開發(fā)應(yīng)用固件而設(shè)計(jì)，包括 BLE 堆棧(控制器和主機(jī))上的配置文件和服務(wù)。 MCU 處理從最低物理層 (PHY) 的集成 RF 模塊到通用屬性配置文件 (GATT) 和通用訪問配置文件 (GAP) 的數(shù)據(jù)流(圖 2)。 GAP 定義和管理廣告和連接，而 GATT 定義和管理輸入/輸出數(shù)據(jù)交換。

　　圖 2：MCU 處理從無線電 PHY 到 GATT 和 GAP 的數(shù)據(jù)流。 (圖片來源：意法半導(dǎo)體)

　　BLE 發(fā)送的數(shù)據(jù)包被定義為比特序列的固定幀結(jié)構(gòu)。用戶數(shù)據(jù)區(qū)域的長度可以在 27 到 251 字節(jié)之間動態(tài)變化。

　　BLE應(yīng)用示例

　　在線百科全書STMicro-Wiki for STM32WBA MCU 包含多個不同藍(lán)牙角色的應(yīng)用示例，包括：

　　廣告：BLE_Beacon

　　傳感器：BLE_HealthThermometer、BLE_HeartRate

　　橋：BLE_SerialCom

　　路由器：BLE_p2pRouter

　　數(shù)據(jù)：BLE_DataThroughput、BLE_p2pServer 和多從設(shè)備 BLE_p2pClient

　　RF 監(jiān)視器：BLE_TransparentMode，

　　無線固件更新：BLE_Fuota

　　與自己的 BLE 項(xiàng)目相匹配，設(shè)備設(shè)計(jì)人員和程序員可以將編譯后的二進(jìn)制文件從相應(yīng)的 GitHub 項(xiàng)目目錄閃存到 NUCLEO 板，并啟動與智能手機(jī)或臺式電腦的藍(lán)牙連接。所需的編程器軟件STM32CubeProg通過調(diào)試接口和引導(dǎo)加載程序接口提供器件存儲器的讀取、寫入和驗(yàn)證。

　　運(yùn)行 BLE 示例“健康溫度計(jì)傳感器”

　　健康溫度計(jì)配置文件 (HTP) 是藍(lán)牙特別興趣組 (SIG) 定義的基于 GAP 的低能耗配置文件。它結(jié)合了健康溫度計(jì)收集器和健康溫度計(jì)傳感器，可在不同的應(yīng)用程序中連接和交換數(shù)據(jù)(圖 3)。

　　圖 3：作為傳感器/服務(wù)器的 NUCLEO 板與作為收集器/客戶端的智能手機(jī)之間的 BLE 通信。 (圖片來源：意法半導(dǎo)體)

　　健康溫度計(jì)傳感器：

　　測量溫度并通過健康溫度計(jì)服務(wù)公開

　　包含遠(yuǎn)程設(shè)備要識別的設(shè)備信息服務(wù)

　　是 GATT 服務(wù)器

　　健康溫度計(jì)收集器：

　　訪問健康溫度計(jì)傳感器公開的信息，并將其顯示給最終用戶或?qū)⑵浯鎯υ诜且资源鎯ζ魃弦怨┮院蠓治?/span>

　　是 GATT 客戶端

　　將健康溫度計(jì)二進(jìn)制文件閃存到 NUCLEO 的 MCU 中后，開發(fā)人員需要按照以下步驟運(yùn)行 BLE 應(yīng)用示例：

　　使用智能手機(jī)應(yīng)用程序

　　在智能手機(jī)上安裝ST BLE Toolbox 。該應(yīng)用程序用于與 ST BLE 設(shè)備交互并進(jìn)行調(diào)試。

　　打開 STM32WBA NUCLEO 板的電源，并閃現(xiàn)健康溫度計(jì)應(yīng)用程序。

　　打開智能手機(jī)藍(lán)牙 (BT) 并掃描應(yīng)用程序中可用的 BT 設(shè)備。選擇健康溫度計(jì)并連接。

　　使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器界面

　　確保瀏覽器兼容性：

　　在臺式計(jì)算機(jī)上：Chrome、Edge 或 Opera

　　在智能手機(jī)設(shè)備上：Chrome Android

　　打開 STM32WBA NUCLEO 板的電源，并閃現(xiàn)健康溫度計(jì)應(yīng)用程序。

　　激活計(jì)算機(jī)上的藍(lán)牙。

　　在瀏覽器中打開網(wǎng)頁https://applible.github.io/Web_Bluetooth_App_WBA/ 。

　　點(diǎn)擊網(wǎng)頁頂部的連接按鈕，然后在設(shè)備列表中選擇HT_xx并點(diǎn)擊配對。設(shè)備現(xiàn)已連接。

　　點(diǎn)擊健康溫度計(jì)，顯示界面。

　　健康溫度傳感器的服務(wù)結(jié)構(gòu)如表1所示。 128位長的通用唯一標(biāo)識符(UUID)區(qū)分個體特征和服務(wù)。

　　服務(wù)特征財(cái)產(chǎn)通用唯一標(biāo)識符尺寸

　　健康體溫計(jì)服務(wù)0X1809

　　溫度測量表明0x2A1C13

　　溫度型讀0x2A1D1

　　中間溫度通知0x2A1E13

　　測量間隔讀、寫、指示0x2A212

　　設(shè)備信息服務(wù)0X180A

　　制造商名稱字符串讀0x2A2932

　　型號字符串讀0x2A2432

　　系統(tǒng)ID讀0x2A238

　　表 1：“健康溫度計(jì)傳感器”GAP 的 GATT 服務(wù)及其 UUID。 (圖片來源：意法半導(dǎo)體)

　　以下來自GitHub的 JavaScript 序列顯示了 Web 瀏覽器界面如何過濾不同的 GATT 數(shù)據(jù)吞吐量特征(清單 1)。

　　復(fù)制

　　[...]

　　// Filtering the different datathroughput characteristics

　　props.allCharacteristics.map(element => {

　　switch (element.characteristic.uuid) {

　　case "00002a1c-0000-1000-8000-00805f9b34fb":

　　IndicateCharacteristic = element; // Temperature Measurement (TEMM)

　　IndicateCharacteristic.characteristic.startNotifications();

　　IndicateCharacteristic.characteristic.oncharacteristicvaluechanged =

　　temperatureMeasurement;

　　break;

　　case "00002a1d-0000-1000-8000-00805f9b34fb":

　　ReadCharacteristic = element; // Temperature Type

　　readTemperatureType();

　　break;

　　case "00002a1e-0000-1000-8000-00805f9b34fb":

　　NotifyCharacteristic = element; //Immediate Temperature

　　NotifyCharacteristic.characteristic.startNotifications();

　　NotifyCharacteristic.characteristic.oncharacteristicvaluechanged = notifHandler;

　　break;

　　case "00002a21-0000-1000-8000-00805f9b34fb":

　　ReadWriteIndicateCharacteristic = element; // Measurement Interval

　　readMeasurementInterval();

　　break;

　　default:

　　console.log("# No characteristics found..");

　　}

　　});

　　[...]

　　列表 1：此 JavaScript 序列過濾表 1 中的不同 GATT 數(shù)據(jù)吞吐量特征。(列表來源：GitHub、STMicroElectronics)

　　跟蹤 BLE 堆棧進(jìn)程

　　NUCLEO-WBA52CG 嵌入 ST-LINK/V3 在線調(diào)試器和編程器，支持 STM32 虛擬 COM 端口驅(qū)動程序，通過串行接口與 PC 進(jìn)行通信。任何軟件終端都可以打開該串行通信端口來顯示函數(shù)APP_DBG_MSG在代碼中生成的短文本消息。

　　項(xiàng)目內(nèi)的跟蹤需要在文件 app_conf.h 中啟用

　　#定義CFG_DEBUG_APP_TRACE (1)

　　或者，智能手機(jī)應(yīng)用程序“SE BLE Toolbox”在選項(xiàng)卡 <應(yīng)用程序日志> 上提供跟蹤功能。

　　BLE 5.3 應(yīng)用程序編程

　　為了對 STM32WBA52 MCU 進(jìn)行編程，STM 整合了STM32CubeWBA 包，其中包括硬件抽象層 (HAL)、低層應(yīng)用程序編程接口 (API) 和 CMSIS、文件系統(tǒng)、RTOS、BLE/802.15.4、線程和Zigbee 堆棧以及在 STMicroelectronics 板上運(yùn)行的示例。

　　每個NUCLEO-WBA52CG BLE 應(yīng)用示例 中都包含所有三種開發(fā)環(huán)境 (IDE) 的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)置，例如 IAR Embedded Workbench for Arm (EWARM)、Keil MDK-ARM 和 STM32CubeIDE 。

　　在健康溫度計(jì)示例中，只有項(xiàng)目目錄樹(圖 4 左側(cè)的框架)中的特定文件生成 GATT 服務(wù)。表 1 中的兩個例程“健康溫度計(jì)服務(wù)”(hts) 和“設(shè)備信息服務(wù)”(dis) 并行運(yùn)行(圖 4 的右下角)。

　　圖4：程序員可以將自己的GATT內(nèi)容添加到框架代碼文件中(左);這些文件生成 GATT 服務(wù)(右)。 (圖片來源：意法半導(dǎo)體)

　　程序員可以將源代碼用于自己的項(xiàng)目，并在標(biāo)有 USER CODE BEGIN / USER CODE END 的區(qū)域中使用 GATT 內(nèi)容對其進(jìn)行擴(kuò)展(清單 2)。文件 hts.c 中的初始化序列生成攜帶 UUID 0x2A1C 的 GATT 特性溫度測量 (TEMM)。

　　復(fù)制

　　[...]

　　void HTS_Init(void)

　　{

　　[...]

　　/* TEMM, Temperature Measurement */

　　uuid.Char_UUID_16 = 0x2a1c;

　　ret = aci_gatt_add_char(HTS_Context.HtsSvcHdle,

　　UUID_TYPE_16,

　　(Char_UUID_t *) &uuid,

　　SizeTemm,

　　CHAR_PROP_INDICATE,

　　ATTR_PERMISSION_NONE,

　　GATT_DONT_NOTIFY_EVENTS,

　　0x10,

　　CHAR_VALUE_LEN_VARIABLE,

　　&(HTS_Context.TemmCharHdle));

　　if (ret != BLE_STATUS_SUCCESS)

　　{

　　APP_DBG_MSG(" Fail : aci_gatt_add_char command : TEMM, error code: 0x%2X ", ret);

　　}

　　else

　　{

　　APP_DBG_MSG(" Success: aci_gatt_add_char command : TEMM ");

　　}

　　/* USER CODE BEGIN SVCCTL_InitService2Char1 */

　　/* USER CODE END SVCCTL_InitService2Char1 */

　　[...]

　　}

　　[...]

　　列表 2：文件 hts.c 中的初始化序列生成 GATT 特征 TEMM。 (圖片來源：GitHub、意法半導(dǎo)體)

　　外部元件要求

　　STM32WBA52 無線 MCU 只需幾個外部組件即可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能的基本操作。其中包括電源電容器、晶體振蕩器、具有阻抗匹配的印刷電路板 (PC 板) 天線以及諧波濾波器。

　　結(jié)論

　　無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)人員需要縮短設(shè)計(jì)周期并降低成本，以便在快速發(fā)展的市場中競爭。然而，射頻設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。 STM32WBA52 MCU 具有集成的 BLE 5.3 接口，使開發(fā)人員能夠快速且經(jīng)濟(jì)高效地進(jìn)入市場。預(yù)編程的 BLE 堆棧和多個 BLE 應(yīng)用示例構(gòu)成了自定義項(xiàng)目的編程模板，可輕松插入 GATT 內(nèi)容。