使用整合式 RF 微控制器，快速實作微型低功率藍牙配件

在打造電池供電式藍牙裝置時，開發人員持續面臨壓力：裝置既要小巧、可靠、低功率和低成本，還要在更短的時間內快速上市。這個工藝上的權衡矩陣困難度越來越高，但憑藉半導體供應商的創新解決方案，要解決這些難題不會辦不到。

其中一項解決方案是 STMicroelectronics 推出的 STM32WB55RGV6 微控制器，同時整合了控制處理器和藍牙無線電。

本文將針對持續成長的藍牙配件市場說明其相關設計要求，然後會介紹 STM32WB55RGV6 及其應用方式。

藍牙配件的要求

藍牙配件對電池續航力和尺寸的要求通常相同。針對消費性藍牙產品，較長的電池續航力與客戶滿意度直接相關，因此應該選擇小尺寸和低功耗的元件。初期設計應具備足夠的彈性以便進行替換，因為隨著開發進展，找到比原本所選產品更優秀的也相當常見。

藍牙設計通常可分為三部分：藍牙無線電、應用處理器和支援元件，以及使用者介面 (按鈕、LED、喇叭)。STMicroelectronics 已經將設計簡化，在同一個微控制器上整合了控制處理器和藍牙無線電。STM32WB55RGV6 微控制器隸屬於 STMicroelectronics 的 STM32WB 微處理器系列，在單一晶片上整合了 64 MHz Arm® Cortex®-M4，以及浮點單元 (FPU) 處理器和完整的藍牙無線電。板載記憶體包括 1 MB 的快閃記憶體和 256 KB 的 SRAM。

STM32WB55RGV6 有三個晶片上穩壓器。處理器處於「執行」和「睡眠」模式時，主要穩壓器會運作。在「低功率執行」和「低功率睡眠」模式時，則會使用低功率穩壓器。無線射頻 (RF) 穩壓器只會用來供電給藍牙無線電和 RF 子系統。

此外，還有其他參數可清楚說明 STM32WB55RGV6 是專為低功率應用而從零開始打造的產品。此產品具有 13 nA 關機模式，會將晶片上除了部分 RAM 之外的所有功能都關閉。如果即時時脈 (RTC) 在關機模式下仍保持運作，裝置也只會消耗 315 nA 電流。在 RTC 運作情況下，微控制器還可以保留 32 KB 的 RAM，同時僅消耗 600 nA 電流。

在彈性方面，STM32WB55RGV6 配備有完整的周邊裝置，包括兩個序列周邊裝置介面 (SPI) 和兩個 I²C 介面 (圖 1)。USB 2.0 全速 (FS) 連接埠可在應用和個人電腦之間傳輸檔案，且無論藍牙應用是否支援資料傳輸功能，皆可用來對電池充電。此外，STM32WB55 還有一個控制器，可用於外部 8 x 40 LCD。也具有觸控感應控制器，可達到觸控螢幕介面。

圖 1：STMicroelectronics 的 STM32WB55RGV6 微控制器，在單一晶片上整合 Arm Cortex-M4 與 FPU，還有藍牙無線電子系統。(圖片來源：STMicroelectronics)

STM32WB55RGV6 的藍牙無線電符合最新的藍牙規範 v5.0。此無線電還符合 IEEE 802.15.4-2011 規範中有關藍牙無線電實體層 (PHY) 和媒體存取控制器 (MAC) 的要求。針對電池供電式應用，此無線電符合低功耗藍牙 (BLE) 標準，並可透過安全連線支援 1 Mbit/s 與 2 Mbit/s 的數據傳輸率。

BLE 堆疊以及 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 層，可在 STM32WB 的專屬 Arm Cortex-M0 + CPU 上運作。這個 Cortex-M0+ 專門用於執行 BLE 堆疊，不能用來執行使用者應用程式碼。

STM32WB55RGV6 微控制器系列的 RF 前端，是以使用最少的外部元件進行設計，如圖 2 所示。此元件具有專屬的切換式電源供應器 (SMPS)，可供電給 RF 電路。

SMPS 就是整合式解決方案克服難題的良好範例之一。為了將 RF 電路的干擾降至最低，SMPS 使用的時脈頻率，與 Cortex-M0+ 微控制器用來對 RF 區塊進行時脈處理的頻率相同，即 4 或 8 MHz。為了進一步降低干擾，自動增益控制 (AGC) 可以自動降低 RF 和 IF 增益。韌體也可用於手動微調 AGC。

圖 2：STM32WB 藍牙微控制器的 RF 前端包括 Cortex-M0+ BLE 控制器、用於減少雜訊的 AGC，以及三個穩壓器。(圖片來源：STMicroelectronics)

RF 區塊需要少許外部元件。因此，RF 前端具有晶片上電容，可由使用者進行編程，因此外部 32 MHz 晶體不需要外部微調電容。RF 前端更在天線引腳的附近搭載一個完整的帶通平衡不平衡轉換器，因此可減少元件數量 (見圖 2)。

RF1 引腳必須透過具有低通匹配網路的濾波器，連接到相容的藍牙 2.4 GHz 天線。最後，必須在 RF 區塊電源和接地之間使用解耦電容。建議值為並聯的 100 nF 和 100 pF 電容。

與任何無線電應用一樣，RF 設計和元件的選擇會直接影響藍牙無線電的性能。使用高準確度的元件將提高藍牙無線電的可靠度。對於設計人員而言，RF 區塊的工作已大致完成。開發人員可自行決定系統的設計，以避免阻礙外部藍牙天線與配對裝置之間的路徑。

為了協助加快 STM32WB55RGV6 的開發，STMicroelectronics 提供 P-NUCLEO-WB55 Nucleo 開發板 (圖 3)。此開發板還隨附 USB 硬體鎖，其中也配有 STM32WB 微控制器。

圖 3：STMicroelectronics 針對 STM32WB 系列的提供的 Nucleo 開發板，可介接藍牙硬體鎖，可支援開發以 STM32WB 為基礎的專案。(圖片來源：STMicroelectronics)

Nucleo 開發板配有 Arduino™ 擴充連接器，能讓開發人員利用 Arduino Uno 相容的擴充板來增進專案功能。開發人員能以 Nucleo 開發板為基礎快速建構硬體原型。可將個人電腦接到開發板上的 USB 連接器，即可對 Nucleo 應用進行編程和除錯。經過編程的 Nucleo 開發板，可與隨附的藍牙硬體鎖，或支援藍牙的個人電腦進行通訊。

應用安全性

無線應用的安全性已經成為開發人員的主要考量。公司需要保護資料和韌體，以免遭受攻擊和未經授權的仿冒。STN32WB55RGV6 具有 AES-256 硬體加密區塊，可對藍牙傳輸進行加密和解密。如此即可預防惡意人士窺探藍牙傳輸並擷取資料。

應用透過藍牙進行更新相當常見，但這也可能是駭客的攻擊手法之一，會藉此安裝假的韌體更新。STM32WB55RGV6 採用安全韌體安裝 (SFI) 流程，可防止安裝假的韌體。這一套公鑰／私鑰系統可將加密的韌體檔案傳輸至 STM32WB55RGV6。STM32WB55RGV6 會使用儲存在安全儲存區塊中的私鑰，以及 STMicroelectronics 簽章的可讀式公鑰，對韌體檔案進行解密。如此可確保僅有具備授權憑證的系統方能更新韌體。

每個 STM32WB55RGV6 也具有 96 位元唯一識別碼 (ID) 和 64 位元 ID。兩者皆可用於辨識不同的 STM32WB55RGV6 微控制器，進而提高安全性，甚至可針對現場不同的系統，啟用韌體中不同的功能。

結論

藍牙裝置的開發需要嚴格控管功率、尺寸、成本和可靠度。挑選高度整合的元件 (如 STM32WB55RGV6)，可大幅簡化設計人員的權衡矩陣，並將開發時間縮至最短。