ST新推出的STM32WB无线MCU具有七大优势

发布时间:2018年10月29日 18:10    作者:eechina
关键词: STM32WB , STM32 , 无线MCU
我们知道,意法半导体公司(STMicroelectronics,简称ST)的STM32系列MCU是业内颇具影响力的微控制器。自STM32首颗芯片发布到现在的11年里,该产品线形成了高性能的F系列、低功耗的L系列和低成本的主流系列,如今又新增了无线联网的WB系列。

在10月12日举办的媒体沟通会上,意法半导体中国区微控制器事业部市场及应用总监曹锦东先生说,STM32WB的面世宣告ST正式进入无线的32位领域,让客户更容易渗透以及开发他们的无线物联网应用。会上,意法半导体STM32超低功耗和网络微控制器市场经理Hakim Jaafar先生详细介绍了STM32WB的性能、特色和优势。由于Jaafar的演讲精炼而准确,下面直接引用以供您参考。

以下是Hakim Jaafar先生的发言。



今天我们将介绍的是STM32WB,这是新一代的微控制器系列,是ST首款STM32集成BLE和IEEE802.15.4的射频模块的系统芯片(SOC)。

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我们新发布的STM32WB系列有7个新的产品特性,这些也是STM32一贯保持领先的要素:第一,增加了无线的可能性,STM32WB集成了开放的2.4G射频多协议模块,支持Bluetooth蓝牙5.0以及THREAD和ZigBee的协议栈。第二,这款蓝牙产品支持双核,能够保证全面的控制以及超低的功耗。第三,我们着力打造的是物联网保护,因为物联网的安全非常重要,所以这款产品有很多保护以及安全的性能集成在里面。第四,对中国市场或者全球市场在通信方面的成本来说,我们也有充分的考量,尽量增加集成度(也就是单片机的概念),以减少整个系统的成本。第五,延续STM32的传统,拥有比较丰富的产品种类,覆盖从最小256K内置的闪存到最大的1兆闪存,从最少的48脚的封装到最多100脚封装。第六,也是非常重要的一点,STM32WB可以延续或者共用STM32已经存在的生态系统,降低开发射频应用的门槛,基于我们已经开发的STM32生态系统,如:Cube生态系统,能够更快地上手。最后一点是十年的供货保证,这是长期以来对客户的承诺。

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先看第一点,第一点是无线的可能性,我们最先推出的是蓝牙5.0,通过支持这个协议栈,数据速率可以提高两倍,支持2兆的高速率传输。同时也支持5.0的Mesh技术,从而提高网络的覆盖面。

因为这颗STM32WB的射频也支持802.15.4无线的通信标准,所以我们同时也支持OpenThread的协议栈和ZigBee协议栈,我们可在动静态模式下同时运行蓝牙和OpenThread。

为了让我们的客户有更大的开发灵活性和可能性,我们也支持2.4G开放或者专有的协议栈给客户用于开发。这种专有的协议栈可以支持BLE或者802.15.4,预留一些空间让客户自己去开发。另外刚才提到对于这个产品,功耗也是重要的考量,整个射频的链路的预算会低至到102dB,同时对于成本敏感的应用,我们也有很好的考量,因为它集成度更高,比如,在集成了巴伦(平衡器)后,我们降低了整个物料清单成本。

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因为STM32WB上的2.4G射频可以支持多协议,所以基于+6dBm输出功率和高灵敏度的射频模块和物理层、链路层之上的协议栈,可以做不同的排列组合,比如同时使用ZigBee和蓝牙5.0,或者同时使用蓝牙5.0和Thread,又或是Thread和ZigBee以及同时支持专有协议。

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现在让我们来看一下单核和双核芯片的不同。先看一下单核芯片,如果要做蓝牙或者射频的应用,它必须同时处理用户应用以及射频部分,这样会产生两个部分之间要协调物理上对资源的要求,同时对开发者来说,开发时间和工作量也会增加。在物理层上面的共用也会使得产品有分时的条件,在分时的条件下,会使得任务处理时间长以及功耗增加。对于射频应用来说,功耗提高也是比较头疼的事情。同时由于现在单核的芯片的资源相对来说较少,在做应用的同时,要在外面加上配套的MCU芯片,从而使整个产品的物料清单成本提高。

对于双核的芯片,特别是STM32WB来讲,它的巧妙之处在于我们将应用以及射频两部分分开。应用部分是由内置的M4的内核处理,射频的协议栈由内置的M0内核处理。无论是应用端还是射频端,我们都提供了更大的自由度给用户。除了自由度以外,它的优点还包括相较于之前提到的两颗配套芯片的成本,单颗双核芯片的成本在整个系统成本上有所降低,同时可以加速客户开发面市的时间。

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现在仔细看一下STM32WB内置模块,第一个模块是射频模块,射频域是基于M0+内核,32MHz主频,它支持2.4G的射频收发器,可以支持BLE5.0以及802.15.4协议同时运行。上面是M4内核,他们是独立于M0+内核的,能够专注于让客户去开发用户程序,M4也是沿用之前ST的生态系统,基于STM32L4的IP。再来看看外面的外设,像无晶体的USB2.0在STM32其他的产品线上也看到过,它还支持低功耗的串口以及4线的SPI以及SAI。同时还有安全模块,有这些安全的模块的同时又保证两个内核的域是相对独立的,因此可以防止STM32被破解。我们还有非常丰富的模拟外设,比如12位ADC,两个比较器,这都是STM32固有的成熟IP,同时我们还支持ART Accelerator,使我们在Flash上的执行不会因为闪存等待周期而降低性能。两个内核同时能够访问Flash,从而达到最高效率。

下面再让我们仔细看一下几个重点,第一,超低功耗。在停止模式下,射频待机,保持256K的RAM条件下,能达到1.8个微安(µA),这是在业界相当低的功耗。它在关闭模式下功耗小于50个纳安(nA)。外设方面,有一个重点是SAI,我们集成了SAI,可以提供在蓝牙应用中支持音频需求,这一需求在市场上也越来越多。另外我们也集成了QSPI的接口,实现了闪存扩展的可能性,客户可以接外置的闪存,来增加系统的闪存容量。从工作电压来讲,STM32WB是宽电压产品,从1.7到3.6伏,工作温度最低至零下40度,最高可以到105度。

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现在我们具体来看一下双核处理器的好处,刚才也提到了射频端是由M0+内核域处理的,这块可以相对于应用独立出来,专门是做连接相关的工作,比如说数据上传以及用空中下载技术(OTA)来更新射频的协议栈。独立的的M0+处理网络任务时可以让负责用户应用的M4的域处于休眠状态,从而降低功耗。

那功耗能降到多低呢?在节能模式下,我们可以保持RAM和RTC运行,这时功耗可以降到1.8个µA,但是在睡眠或者低功耗模式下,它仍然能保持很快的唤醒时间,这个唤醒时间会在5个微秒(µs)。

唤醒之后,就可以用主处理器,基于M4内核的CPU,去做用户的应用。可以是传感器融合的工作,也可以是处理或者控制系统的工作。这样会比较灵活,同时我们也支持批处理模式,批处理模式也能够让我们的闪存和CPU在关闭条件下降低功耗,同时能够完成相应的工作。

两个内核也是可以同时运行的,如果同时运行的话,我们的功耗也仅有50µA/MHz。在同时运行条件下,也能保证性能。

在有些不需要一直工作的应用场景中,我们还有超级节能的模式,相较于节能模式,它会关闭更多的外设,达到更低的功耗,最低可以达到小于50nA,以节省电池的电量。

这里有一张图,绿色的代表双核产品在整个周期中的功耗的大小。对应1、2、3、4、5不同的状态,功耗也是浮动的,根据不同的应用场景,我们可以在某些条件下功耗很低,在某些条件下功耗稍高一些,你看到其他蓝色或者深色的部分,就是同一应用场景下单核产品的功耗,这些产品是没有办法关断某一些外设的,它必须是长时间一直在运行,你可以看到它维持在较高的水平甚至有些更高,所以在动态条件,双核会带来更好的功耗表现。

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下面看一下STM32WB一些应用(场景)。对于一些产品线需要在线升级,我们可以运用STM32WB的蓝牙5.0或者双协议同时运行的模式,在此模式下用OTA来远程升级设备。受益于双核的优势,这个设备的升级可以达到比较安全的固件升级等级。

第二个应用场景就是健身和医疗或者可穿戴上的应用,在现实的生活中我们可能会用蓝牙连接多个设备。目前STM32WB最多可以连接8个设备,很好的应用了5.0多点连接的优点。我们可以看到,在可穿戴或者便携式医疗以及健身方面,对尺寸的要求越来越小,我们有一个CSP100的微型封装,可以保证在设计上把整个产品的尺寸尽量做到更小。另外一个是功耗,刚才提到STM32WB有双核,同时它能大幅降低动态功耗,非常适合电池供电且需要长时间待机的应用,而可穿戴的应用正好也需要这种性能。我们即使在长时间的双核共同运行的条件下,也是能够达到50 µA/MHz的动态功耗性能。

刚才提到扩展的闪存容量,如今需要记录的数据越来越多,比如说可穿戴设备的应用。我们可以在STM32WB的外部通过QSPI去接更多外置Flash以扩展容量,同时我们为了减少成本,也集成了USB2.0设备,不需要外接外部的晶体。

另外一个应用场景是家庭安保以及音频或者智能家居相关的应用,由于STM32WB的灵敏度相对来说很高,有-100dBm的灵敏度,可以覆盖比较大的区域,如覆盖整个家庭范围。另外它里面还集成了客户密钥存储(CKS),如果是出于安全的考虑,在升级的时候可以把这些东西放在我们的安全域里面,在升级时可以保证你的应用是可信的,授信的,再更新你的固件。

另外是蓝牙信标(Beaconing),Beaconing现在也是蓝牙的趋势之一,现在STM32WB是支持蓝牙Beaconing的,同时由于STM32WB的集成度比较高,把成本降到了更低,使用户有更低的门槛做Beaconing的应用。我们的电流也是非常低的,在低功耗条件下,可以延长在Beaconing下电池的使用寿命。

下面一个应用就是工业设备,在工业领域,对蓝牙的需求与日俱增,这是因为蓝牙是很方便的连接方式,可以通过不同的平板、手机来控制不同的工业设备。我们的STM32WB是工业级的,工作温度最高可以达到105度,非常适合工业设备的应用。另外由于功耗比较低,可以很好的支持低功耗的工业设备,同时它唤醒时间非常短,只有5 µs。而工业设备非常讲究安全性,STM32WB具有很好的安全性优势,能够满足工业应用的需求。同时它集成了一些功能可以降低整个工业产品的成本。

还有一个庞大的应用领域是照明,在照明方面,以前很常用的无线连接方式是ZigBee或者是THREAD。现在由于蓝牙具有很好的易用性以及连接性,特别是对手机而言,大家对蓝牙的需求越来越多,但是又需要兼容原先已有的一些协议,比如说ZigBee和THREAD,我们就需要蓝牙和ZigBee、THREAD同时应用,这也是我们为什么在STM32WB上面能够同时支持这三种协议,而且能够在应用场景中能够支持这种应用的一个原因。所以在这方面,我们也把BLE5和Mesh做到芯片当中,来覆盖以前在ZigBee  Mesh上的功能。

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最开始我们提到了STM32WB的安全性,现在仔细看一下这个安全性是怎样实现的,请看这个框图,最左边的框图是M0+封闭的子系统,是安全的域,蓝色的部分是M4的内核,下面的实心深蓝色是内置的闪存空间。

这个应用场景是远程固件升级,首先客户会将自己的客户密钥存储在最左边的安全区域里,这是封闭的子系统,如果有新的固件包,我们先会把新的固件2.0放在闪存空间当中,由M4来处理。M4首先会检测到新的2.0固件,告诉我们有一个新的固件来了。我们的应用处理器M4内核会先把固件里面的签名和密钥发给M0+的子系统做验证。如果说我们验证的签名和密钥和我们内部子系统里的是一致的,那更新就会继续下去,如果发现它是不对的,那会停止这个更新过程。如果说密钥是一致的,那系统会通过安全域的通道(灰色通道),然后再烧写代码,所以安全性得到了保证,整个过程都是有监控的。

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再来看一下针对物联网保护的功能,特别是对于外部攻击的防御措施。攻击会有很多种,比如说非入侵式攻击以及软件攻击,先来看一下软件的攻击,软件的攻击有多种,比如说底层软件验证加密上的攻击和提取密钥,以及有些恶意的软件或者病毒软件,或者说开放一些或者截取你升级权限的攻击。面对这些攻击,我们STM32WB是怎样应对的呢?刚才已经提到CKS,即在M0+内核域的用户密钥存储,同时它延续了以前STM32加密的硬件引擎,比如说真随机数以及加密加速器、读保护、存储单元、96位ID等。

另外一种攻击就是非入侵式的,它会在周边环境做一些篡改,从而得到一些信号或者说注入一些错误信号,得到想要的信息,面对这种情况,STM32WB的内部集成了很多传感器或者检测器,这种检测器会定时的发现不正常的信号,然后做一些报警、奇偶校验或者JTAG读出保护,又或者在某些条件下允许闪存启动,让这些不好的或者说不正常的信号通道尽可能关闭或者做出警示。

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前面提到了STM32WB的众多价值,比如说低功耗、双核、安全性,还有一个很重要一点是我们的成本,成本也不仅仅是指芯片成本,这里还有生态系统的成本。先来看一下芯片的成本,由于STM32WB的集成度比较高,我们把巴伦内置,省掉了外部巴伦(外部的巴伦的费用一般是15美分到20美分),这样系统成本可以减少许多。我们最小系统外部器件最少只需要6个(包括晶体)。 我们外置晶体用得很少,我们可以用单晶体运行。另外保证内部的LCD升压部分也是内置,同时提供电容触控的软件,这样整个电路成本会比较低。另外我们在应用上最少可以做到两层板,这也大大的降低了成本。

从生态系统层面,STM32WB延续了STM32的传统——软件免费,不论是从协议栈端(如射频的BLE5.0  OpenThread)还是通用的802.14.5,这些协议栈都是免费。另外IDE集成开发环境以及STM32Cube这块的软件也都是免费的。

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再来看一下产品线,我们有多款产品给用户做选择,从管脚来看,有从最少的48脚的UQFN的封装到最多100脚的WLCSP的封装,内置闪存会从最少的256K到最多的1兆。

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对于生态系统原型开发,我们也会尽量地为工程师们做到更加方便易用。从硬件角度,首先我们会提供一个套件——NUCLEO套件,它包含一个NUCLEO板和一个USB dongle。一个上电,一个插在电脑的USB口上,就可以实现通讯的演示。我们可以通过STM32CubeMonRF的软件,来监测和计算系统的功耗。

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我们再看看整个软件开发过程中的工具,首先是代码,我们用STM32CubeMX,这是ST自己提供的。在编译和调试的集成开发环境方面,有ST自己提供和合作伙伴提供的多种选择,如AC6是ST自己提供的,atollic现在已经被ST收购了,我们也能提供。arm 的KELL在Cortex-M0+内核上也会免费的提供给用户,另外还有合作伙伴IAR和MBED提供传统的第三方集成开发环境。而射频性能监测会由STM32CubeMonRF来提供。

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当然选型也是比较重要的方面。为了让大家更快的或者更精准地选到我们的产品,我们在不同的平台上,如平板手机、电脑端提供ST MCU Finder这一选型工具,让大家更快地找到合适的产品,并察看技术资料。

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STM32一直是我们的主打产品,每年我们都会保持高价值的投资。大家熟知的三个产品系列,或者说三块产品分区是高性能的、主流的和超低功耗的。现在ST最新引入了无线这条产品线,STM32WB是其中的主打产品,它是支持蓝牙,支持OpenThread,支持ZigBee的芯片,也拓展了STM32在无线上更多的可能性,我们还会持续投资在无线方面,大家可以期待今后有更多的无线的集成的STM32产品面世。目前,现在我们整个的客户数量已经超过五万家了。非常重要的一点是,ST现在致力于覆盖所有的应用,目前市面上从高性能到主流到低功耗以及无线的应用ST基本都能覆盖,对用户来说如果想要做一个应用,STM32一定会给你最好的选择。

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