Implémenter rapidement un accessoire Bluetooth miniature basse consommation avec un microcontrôleur RF intégré

Les développeurs sont soumis à une pression constante pour concevoir des dispositifs Bluetooth alimentés par batterie, à la fois compacts, fiables, basse consommation et économiques, et ce avec des délais de commercialisation de plus en plus courts. Il s'agit là d'un casse-tête toujours plus compliqué pour les ingénieurs, mais non insurmontable grâce aux solutions innovantes des fournisseurs de semi-conducteurs qui offrent des réponses à ces problèmes spécifiques.

Le microcontrôleur STM32WB55RGV6 de STMicroelectronics, qui intègre un processeur de commande et une radio Bluetooth, fait partie de ces solutions.

Cet article présente les exigences de conception qui s'imposent au marché en constante évolution des accessoires Bluetooth, avant de se concentrer sur le microcontrôleur STM32WB55RGV6 et sur son application.

Exigences relatives aux accessoires Bluetooth

Les accessoires Bluetooth présentent en général les mêmes exigences de taille et de durée de vie des batteries. Pour les produits Bluetooth grand public, une durée de vie plus longue de la batterie est synonyme de satisfaction client. Les composants doivent donc être sélectionnés pour leur taille réduite et leur basse consommation. La conception initiale doit être suffisamment flexible pour prendre en charge des alternatives, car il n'est pas rare de trouver au cours du processus de développement un meilleur produit que celui choisi au départ.

Les conceptions Bluetooth sont généralement divisées en trois sections : la radio Bluetooth, le processeur d'application et les composants de support, et l'interface utilisateur (boutons, LED, haut-parleurs). STMicroelectronics simplifie la conception en intégrant le processeur de commande et la radio Bluetooth dans le même microcontrôleur. Le microcontrôleur STM32WB55RGV6 fait partie de la gamme STM32WB de STMicroelectronics, qui intègre un processeur Arm® Cortex®-M4 de 64 mégahertz (MHz) avec une unité en virgule flottante (FPU) et une radio Bluetooth complète dans une seule puce. La mémoire embarquée inclut 1 méga-octet (Mo) de mémoire Flash et 256 kilo-octets (Ko) de mémoire SRAM.

Le microcontrôleur STM32WB55RGV6 est doté de trois régulateurs de tension intégrés. Le régulateur principal fonctionne lorsque le processeur est en mode d'exécution et en mode de veille. Le régulateur basse consommation est utilisé pendant les modes d'exécution et de veille basse consommation. Le régulateur radiofréquence (RF) est uniquement utilisé pour alimenter la radio Bluetooth et les sous-systèmes RF.

D'autres paramètres indiquent clairement que le microcontrôleur STM32WB55RGV6 a été entièrement conçu pour les applications basse consommation. Il est doté d'un mode d'arrêt de 13 nano-ampères (nA) qui désactive tout sur la puce, à l'exception d'une partie de la RAM. Si l'horloge temps réel (RTC) continue de fonctionner en mode d'arrêt, le dispositif ne consomme que 315 nA. Lorsque l'horloge temps réel fonctionne, le microcontrôleur peut également conserver 32 Ko de RAM tout en ne consommant que 600 nA.

En ce qui concerne la flexibilité, le STM32WB55RGV6 dispose d'un large éventail de périphériques, y compris deux interfaces SPI et deux interfaces I²C (Figure 1). Un port USB 2.0 pleine vitesse (FS) peut être utilisé pour transférer des fichiers entre l'application et un ordinateur. Il peut aussi être utilisé pour charger une batterie sur l'application Bluetooth, avec ou sans prise en charge des transferts de données. Le STM32WB55 est également doté d'un contrôleur pour écran LCD 8 x 40 externe. Un contrôleur tactile est disponible pour activer une interface à écran tactile.

Figure 1 : Le microcontrôleur STM32WB55RGV6 de STMicroelectronics intègre un processeur Arm Cortex-M4 avec une unité en virgule flottante et un sous-système de radio Bluetooth dans une seule puce. (Source de l'image : STMicroelectronics)

La radio Bluetooth du STM32WB55RGV6 est conforme à la dernière spécification Bluetooth v5.0. La radio respecte également la spécification IEEE 802.15.4-2011 pour la couche physique (PHY) et le contrôle d'accès au support (MAC) pour la radio Bluetooth. Pour les applications alimentées par batterie, la radio est conforme à Bluetooth Low Energy (BLE) et prend en charge des débits de données de 1 mégabit par seconde (Mbit/s) et de 2 Mbits/s sur une connexion sécurisée.

La pile BLE et les couches MAC et PHY IEEE 802.15.4 s'exécutent sur un processeur Arm Cortex-M0+ dédié sur le contrôleur STM32WB. Ce processeur Cortex-M0+ sert uniquement à exécuter la pile BLE et ne peut pas être utilisé pour exécuter le code d'application de l'utilisateur.

Le circuit d'entrée RF de la série de microcontrôleurs STM32WB55RGV6 est conçu pour un nombre minimum de composants externes, comme illustré à la Figure 2. Une alimentation à découpage (SMPS) dédiée alimente les circuits RF.

L'alimentation à découpage illustre bien la manière dont les solutions intégrées peuvent résoudre les problèmes. Pour réduire les interférences avec les circuits RF, l'alimentation à découpage utilise la même fréquence d'horloge utilisée pour cadencer la section RF que le microcontrôleur Cortex-M0+, qui est de 4 ou 8 MHz. Pour réduire encore plus les interférences, une commande automatique de gain (CAG) peut réduire automatiquement le gain RF et IF. Un micrologiciel permet aussi d'ajuster manuellement la commande automatique de gain.

Figure 2 : Le circuit d'entrée RF du microcontrôleur Bluetooth STM32WB inclut un contrôleur Cortex-M0+ BLE, une commande automatique de gain pour réduire le bruit et trois régulateurs de tension. (Source de l'image : STMicroelectronics)

La section RF requiert peu de composants externes. Le circuit d'entrée RF est doté de condensateurs intégrés programmables par l'utilisateur, de sorte que le quartz de 32 MHz externe ne nécessite pas de condensateurs ajustables externes. Le circuit d'entrée RF réduit également le nombre de composants en incluant un symétriseur passe-bande complet, situé près de la broche d'antenne (RF1) (Figure 2).

La broche RF1 doit être connectée à une antenne Bluetooth 2,4 gigahertz (GHz) compatible via un filtre avec un réseau d'adaptation passe-bas. Enfin, des condensateurs de découplage sont nécessaires entre l'alimentation de la section RF et la masse. Les valeurs recommandées sont de 100 nanofarads (nF) et 100 picofarads (pF), pour la connexion en parallèle.

Comme dans toutes les applications radio, la conception RF et la sélection des composants affectent directement les performances de la radio Bluetooth. L'utilisation de composants haute précision renforce la fiabilité de la radio Bluetooth. Pour le concepteur, l'essentiel du travail pour la section RF a déjà été effectué. Il incombe au développeur de concevoir le système de sorte qu'il n'y ait aucune obstruction du trajet entre l'antenne Bluetooth externe et le dispositif appairé.

Pour accélérer le développement avec le STM32WB55RGV6, STMicroelectronics fournit la carte de développement Nucleo P-NUCLEO-WB55 (Figure 3). La carte est fournie avec une clé USB qui inclut également un microcontrôleur STM32WB.

Figure 3 : La carte Nucleo de STMicroelectronics pour la gamme STM32WB communique avec la clé Bluetooth pour prendre en charge le développement de projets basés sur le STM32WB. (Source de l'image : STMicroelectronics)

La carte Nucleo est dotée de connecteurs d'extension Arduino™, ce qui permet aux développeurs d'améliorer leurs projets avec des shields compatibles Arduino Uno. Un développeur peut rapidement assembler un prototype matériel avec la carte Nucleo. L'application Nucleo est programmée et déboguée en reliant un PC au connecteur USB de la carte. La carte Nucleo programmée peut alors communiquer avec la clé Bluetooth fournie ou avec un PC doté de la technologie Bluetooth.

Sécurité des applications

La sécurité des applications sans fil est devenue l'une des principales préoccupations des développeurs. Les entreprises doivent protéger leurs données et leurs micrologiciels contre les attaques et les contrefaçons non autorisées. Un bloc de cryptage matériel AES-256 est disponible sur le microcontrôleur STM32WB55RGV6 pour crypter et décrypter les transmissions Bluetooth. Cette méthode empêche les acteurs malveillants d'espionner les transmissions Bluetooth et de capturer des données.

Les applications sont souvent mises à jour via Bluetooth. Or, cela peut constituer un point d'attaque pour les hackers qui pourraient installer de fausses mises à jour micrologicielles. Le microcontrôleur STM32WB55RGV6 assure une protection contre les installations de faux micrologiciels grâce à un processus d'installation de micrologiciels sécurisée (SFI). Il s'agit d'un système à clés publique/privée qui transmet un fichier micrologiciel crypté au microcontrôleur STM32WB55RGV6. Le STM32WB55RGV6 décrypte le fichier micrologiciel au moyen d'une clé privée stockée dans son bloc de stockage sécurisé et d'une clé publique accessible en lecture et signée par STMicroelectronics. Cela garantit que seuls les systèmes avec des informations d'identification autorisées sont habilités à mettre à jour le micrologiciel.

Chaque microcontrôleur STM32WB55RGV6 a également un identifiant (ID) 96 bits unique et un identifiant 64 bits unique. Ceux-ci peuvent être utilisés pour identifier différents microcontrôleurs STM32WB55RGV6 pour une sécurité accrue, ou même pour activer différentes fonctionnalités dans le micrologiciel pour différents systèmes sur le terrain.

Conclusion

Le développement de dispositifs Bluetooth requiert un contrôle rigoureux de la consommation, de la taille, des coûts et de la fiabilité. La sélection de composants hautement intégrés tels que le microcontrôleur STM32WB55RGV6 peut considérablement simplifier la tâche des concepteurs et réduire le temps de développement.