통합된 RF 마이크로 컨트롤러를 사용하여 소형 저전력 Bluetooth 부속품을 신속하게 구축

개발자는 출시 시간을 단축하면서 작고 안정적인 저전력 저비용 배터리 구동 Bluetooth 장치를 제작해야 한다는 지속적인 압박에 시달리고 있습니다. 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 되는 반도체 제공업체의 혁신적인 솔루션 덕택에 점점 더 어려워지지만 불가능하지는 않은 것이 엔지니어링 트레이드 오프 매트릭스입니다.

그런 솔루션으로 제어 프로세서와 Bluetooth 무선 통신을 모두 통합하는 STMicroelectronics의 STM32WB55RGV6 마이크로 컨트롤러가 있습니다.

이 기사에서는 지속적으로 성장하는 Bluetooth 부속품 시장에 대한 설계 요구 사항을 설명한 후 STM32WB55RGV6를 소개하고 그 적용 방법을 알아보겠습니다.

Bluetooth 부속품 수요

Bluetooth 부속품은 일반적으로 배터리 수명 및 크기와 동일한 요구 사항을 가집니다. 소비자 Bluetooth 제품의 경우 긴 배터리 수명은 소비자 만족도와 직접적인 관련이 있으므로 크기와 전력 소비가 작은 부품을 선택해야 합니다. 개발 공정을 진행하면서 이미 선택한 것보다 더 나은 제품을 찾게 되는 경우가 있으므로 초기 설계 단계에서는 유연한 대체가 가능해야 합니다.

Bluetooth 설계는 일반적으로 Bluetooth 무선 통신, 응용 프로세서 및 지원 부품, 사용자 인터페이스(버튼, LED, 스피커)의 세 가지 섹션으로 분류됩니다. STMicroelectronics는 제어 프로세서와 Bluetooth 무선 통신을 동일한 마이크로 컨트롤러에서 통합하여 설계를 간소화했습니다. STM32WB55RGV6 마이크로 컨트롤러는 STMicroelectronics STM32WB 마이크로 컨트롤러 제품군의 일부이며, 단일 칩에서 64MHz Arm® Cortex®-M4를 부동 소수점 처리 장치(FPU) 프로세서 및 완성된 Bluetooth 무선 통신과 통합합니다. 기판 실장 메모리는 1Mb 플래시 메모리와 256Kb SRAM을 포함합니다.

STM32WB55RGV6에는 세 개의 온칩 전압 조정기가 있습니다. 메인 조정기는 프로세서가 실행 모드 및 절전 모드에 있을 때 작동합니다. 저전력 조정기는 저전력 실행 모드 및 저전력 절전 모드에서 사용됩니다. 무선 주파수(RF) 조정기는 Bluetooth 무선 통신 및 RF 서브 시스템을 구동하는 데에만 사용됩니다.

STM32WB55RGV6가 처음부터 저전력 응용 분야를 위해 제작되었음을 보여주는 다른 파라미터가 있습니다. 일부 RAM을 제외하고 칩의 모든 기능을 끄는 13nA 전원차단 모드가 있습니다. 전원을 차단할 때 실시간 클록(RTC)이 실행 중인 상태로 유지될 경우 장치는 315nA만 소비합니다. 또한 RTC가 실행 중인 상태에서 이 마이크로 컨트롤러는 600nA만 소비하면서 32Kb RAM을 유지할 수 있습니다.

유연성을 위해 STM32WB55RGV6에는 두 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)와 두 I²C 인터페이스를 비롯한 전체 주변 장치가 있습니다(그림 1). USB 2.0 FS(Full Speed) 포트를 사용하여 응용 제품과 PC 간에 파일을 전송할 수 있습니다. 데이터 전송을 지원하는지 여부에 상관없이 이 포트를 사용하여 Bluetooth 응용 제품의 배터리를 충전할 수도 있습니다. 또한 STM32WB55에는 외부 8 x 40 LCD를 위한 컨트롤러가 있습니다. 접촉 감지 컨트롤러를 사용하여 터치스크린 인터페이스를 활성화할 수 있습니다.

그림 1: STMicroelectronics의 STM32WB55RGV6 마이크로 컨트롤러는 Arm Cortex-M4를 FPU 및 Bluetooth 무선 통신 서브 시스템과 단일 칩에서 통합합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

STM32WB55RGV6의 Bluetooth 무선 통신은 최신 Bluetooth v5.0 사양을 준수합니다. 또한 무선 통신은 Bluetooth 무선 통신용 물리층(PHY) 및 미디어 액세스 컨트롤러(MAC)를 위한 IEEE 802.15.4-2011 사양을 준수합니다. 배터리 구동 응용 분야의 경우, 무선 통신은 Bluetooth 저에너지(BLE) 규격을 준수하고 보안 연결을 통해 1Mbit/s 및 2Mbits/s 데이터 전송률을 지원합니다.

BLE 스택과 IEEE 802.15.4 PHY 및 MAC 계층은 STM32WB의 전용 Arm Cortex-M0+ CPU에서 실행됩니다. 이 Cortex-M0+는 BLE 스택 실행을 전담하며 사용자 응용 코드를 실행하는 데 사용될 수 없습니다.

STM32WB55RGV6 마이크로 컨트롤러 계열의 RF 프런트 엔드는 그림 2에 표시된 대로 최소한의 외부 부품에 사용하도록 설계되었습니다. RF 회로망에 전원을 공급하는 전용 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)가 있습니다.

SMPS는 통합 솔루션을 통해 문제를 해결하는 방법을 보여주는 좋은 예입니다. RF 회로망과의 전파 방해를 최소화하기 위해 SMPS에서는 RF 섹션을 Cortex-M0+ 마이크로 컨트롤러로 클록 설정하는 데 사용되는 것과 동일한 클록 주파수(4MHz 또는 8MHz)를 사용합니다. 전파 방해를 더 줄이기 위해 자동 이득 제어(AGC)를 통해 RF 및 IF 이득을 자동으로 줄일 수 있습니다. 또한 펌웨어를 통해 AGC를 수동으로 트리밍할 수 있습니다.

그림 2: STM32WB Bluetooth 마이크로 컨트롤러의 RF 프런트 엔드에는 Cortex-M0+ BLE 컨트롤러, 잡음을 줄이기 위한 AGC, 세 개의 전압 조정기가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

RF 섹션에는 몇가지 외부 부품이 필요합니다. 이를 위해 RF 프런트 엔드에는 사용자가 프로그래밍할 수 있는 온칩 커패시터가 있습니다. 따라서 외부 32MHz 수정에는 외부 트리밍 커패시터가 필요하지 않습니다. 또한 RF 프런트 엔드에서는 안테나 핀(RF1) 옆에 표시된 전체 대역 통과 발룬을 포함하여 부품 수를 줄입니다(그림 2).

저역 통과 정합 회로망을 사용하여 필터를 통해 RF1 핀을 호환되는 Bluetooth 2.4GHz 안테나에 연결해야 합니다. 마지막으로 RF 섹션 전력과 접지 사이의 커패시터를 분리해야 합니다. 100nF 값과 100pF 값을 병렬로 연결하여 사용할 것을 권장합니다.

무선 통신 응용 분야와 마찬가지로 RF 설계와 부품 선택은 Bluetooth 무선 통신의 성능에 직접적인 영향을 줍니다. 따라서 정확도가 높은 부품을 사용하면 Bluetooth 무선 통신의 신뢰성이 향상됩니다. 설계자를 위한 RF 섹션 작업이 대부분 이미 수행되어 있습니다. 개발자는 외부 Bluetooth 안테나와 연결된 장치 사이의 경로에 방해되지 않도록 시스템을 설계해야 합니다.

STM32WB55RGV6를 통해 개발 시간을 단축할 수 있도록 STMicroelectronics는 P-NUCLEO-WB55 Nucleo 개발 기판을 공급합니다(그림 3). 또한 이 기판은 STM32WB 마이크로 컨트롤러를 포함하는 USB 동글과 함께 제공됩니다.

그림 3: STM32WB 제품군의 STMicroelectronics Nucleo 기판은 Bluetooth 동글에 연결되어 STM32WB 기반 프로젝트 개발을 지원합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

Nucleo 기판에는 Arduino™ 확장 커넥터가 있습니다. 개발자는 이 커넥터를 사용하여 Arduino Uno 호환 실드를 통해 프로젝트를 개선할 수 있습니다. 개발자는 Nucleo 기판을 기반으로 하드웨어 시제품을 신속하게 제작할 수 있습니다. PC를 기판의 USB 커넥터에 연결하여 Nucleo 응용 제품을 프로그래밍 및 디버깅할 수 있습니다. 그런 다음 프로그래밍된 Nucleo 기판을 통해 공급된 Bluetooth 동글 또는 Bluetooth 지원 PC와 통신할 수 있습니다.

응용 분야 보안

무선 응용 분야 보안은 개발자의 주요 우려 사항입니다. 기업은 데이터 및 펌웨어를 공격 및 무단 복제로부터 보호해야 합니다. STN32WB55RGV6의 AES-256 하드웨어 암호화 블록을 사용하여 Bluetooth 전송을 암호화 및 암호 해독할 수 있습니다. 그러면 악의적인 사용자가 Bluetooth 전송을 염탐하여 데이터를 캡처하지 못하도록 차단할 수 있습니다.

응용 제품은 일반적으로 Bluetooth를 통해 업데이트됩니다. 하지만 그러면 해커가 허위 펌웨어 업데이트를 설치할 수 있는 공격 지점을 제공할 수 있습니다. STM32WB55RGV6는 보안 펌웨어 설치(SFI) 공정을 통해 허위 펌웨어 설치를 차단합니다. 이는 암호화된 펌웨어 파일을 STM32WB55RGV6로 전송하는 공용/개인 키 시스템입니다. STM32WB55RGV6는 보안 스토리지 블록에 저장된 개인 키와 STMicroelectronics에서 서명한 판독 가능한 공용 키를 사용하여 펌웨어 파일을 암호 해독합니다. 따라서 승인된 자격 증명이 있는 시스템에서만 펌웨어를 업데이트할 수 있습니다.

또한 모든 STM32WB55RGV6에는 고유한 96비트 ID와 고유한 64비트 ID가 있습니다. 이러한 ID를 사용하여 보안 강화를 위해 다른 STM32WB55RGV6 마이크로 컨트롤러를 식별하거나, 필드 내 시스템별로 펌웨어의 다른 기능을 활성화할 수 있습니다.

결론

Bluetooth 장치를 개발하려면 전력, 크기, 비용 및 신뢰성을 엄격하게 제어해야 합니다. STM32WB55RGV6와 같이 고집적 부품을 선택하면 설계자의 트레이드 오프 매트릭스를 크게 간소화하고 개발 시간을 최소화할 수 있습니다.