STM32WL=LoRa i MCU w jednym chipie

| Technika

STM32WL to nowy mikrokontroler w ofercie firmy ST Microelectronics i pierwszy na świecie MCU ze zintegrowanym transceiverem radiowym w standardzie LoRa. Jest to ważne osiągnięcie dla branży elektroniki, ponieważ komunikacja wąskopasmowa na dużą odległość szybko zyskuje popularność, a do tej pory aplikacje musiały być budowane w oparciu o wielochipowe rozwiązania dyskretne lub jako droższy w produkcji układ typu SiP (System in Package). Zintegrowana konstrukcja, a więc mikrokontroler i transceiver komunikacyjny na jednej strukturze półprzewodnikowej, zapewnia prostszą realizację, bardziej energooszczędną platformę, a także zajmuje mniej miejsca na PCB i jest tańsza.

STM32WL=LoRa i MCU w jednym chipie

LoRa dla IoT

Komunikacja radiowa w standardzie LoRa jest zapowiadana jako remedium na wiele problemów, jakie napotykają projektanci aplikacji IoT i postrzegana jako technologia, która może przyspieszyć rozwój tego segmentu rynku. Wykorzystanie częstotliwości subgigahercowych wraz z modulacją z rozpraszaniem widma umożliwia transmisję małych pakietów danych na duże odległości, czyniąc komunikację odporniejszą na zakłócenia i ogólnie bardziej niezawodną. Są też przykłady, w których LoRa użyta została z powodzeniem do obsługi liczników mediów i zarządzania siecią energetyczną smart grid, co przekonuje, że nie tylko chodzi w niej wyłącznie o aplikacje IoT. Mikrokontroler STM32WL jest zatem niezbędnym elementem w kierunku upowszechnienia technologii LoRa (Long Range) na rynku elektroniki.

Radio z certyfikatem

 
Fot. 1. Zestaw projektowy NUCLEO-WL55JC1

Nowy chip zawiera specjalnie zaprojektowaną część radiową opartą na IP core SX126x firmy Semtech, dzięki czemu część radiowa jest wypróbowaną i certyfikowaną konstrukcją, która może pracować w dowolnej lokalizacji na świecie.

Czułość odbiornika sięga –148 dBm, a nadajnik ma dwa wbudowane wzmacniacze mocy w.cz.: jeden o mocy 15 dBm, a drugi 22 dBm. Dodatkowo, ponieważ transceiver pracuje w zakresie częstotliwości od 150 MHz do 960 MHz, możliwe jest wykorzystanie STM32WL w każdym regionie na świecie. Na przykład normy europejskie wymagają, aby systemy LoRa wykorzystywały niższą moc wyjściową i częstotliwość 868 MHz, podczas gdy w Ameryce Północnej moc może wzrosnąć do 22 dBm i wymaga się pracy w paśmie 915 MHz. Dzięki temu można programowo dostosowywać urządzenia bazujące na STM32WL do regionu i optymalizować ich wydajność (czas pracy na baterii i zasięg).
Uniwersalne i elastyczne.

 
Rys. 2. STM32WL to produkt spójny koncepcyjnie z wprowadzonym na rynek wcześniej w 2019 roku MCU STM32WB ze zintegrowanym modułem Bluetooth. Producent gwarantuje jego dostępność na rynku przez minimum 10 lat

STM32WL jest zgodny ze schematem modulacji LoRa, ale także (G)FSK, (G)MSK i BPSK. To istotna funkcjonalność, która oznacza, że mikrokontroler może obsługiwać zarówno stos LoRaWAN i nadawać z użyciem modulacji LoRa, jak i stos sieci Sigfox dzięki obsłudze modulacji BPSK (Binary Phase Shift Keying). Producenci nie muszą już wybierać między jednym a drugim. Zgodność z (G)FSK i (G)MSK oraz BPSK oznacza, że STM32WL będzie również można używać z protokołami własnościowymi należącymi do organizacji i dużych firm, w tym między innymi z ETSI EN 300 220, FCC CFR 47 część 15, chińskimi wymogami regulacyjnymi i japońskim ARIB T-108. Praca w dowolnej częstotliwości od 150 do 960 MHz umożliwia obsługę wszystkich głównych pasm ISM, a zatem jedna platforma hardware’owa będzie się nadawać do kilku wersji produktu.

W układzie dokonano wielu pozornie drobnych usprawnień, niemniej prowadzą one do prostszej realizacji, co w przypadku aplikacji IoT jest bardzo istotne. Przykładem jest kwarc do zegara. Tradycyjnie potrzebne są dwa rezonatory: jeden, do taktowania MCU Cortex-M4, a drugi dla transceivera LoRa. W omawianym przypadku wystarczy jeden.

Zoptymalizowano też zarządzanie energią zasilającą, integrując zasilacz impulsowy i stabilizator LDO, aby skrócić czas wybudzania STM32WL z dowolnego trybu niskiego poboru mocy. Zazwyczaj ustalenie warunków pracy zasilacza impulsowego zajmuje około 60 μs, ale dzięki obecności wbudowanego LDO, MCU może wybudzić się w ciągu 5 μs lub mniej, nawet jeśli SMPS nie jest jeszcze gotowy (stabilny). Podczas wychodzenia STM32WL ze stanu uśpienia, zatrzymania lub gotowości system najpierw korzysta z LDO i może rozpocząć realizację programu w oczekiwaniu na stabilizację pracy zasilacza SMPS.

 
Rys. 3. Nowe jednostki wchodzące w skład rodziny STM32WL

Mikrokontroler będzie produkowany w wersjach o trzech wielkościach pamięci Flash: 64 KB (STM32WLE5J8), 128 KB (STM32WLE5JB) i 256 KB (STM-32WLE5JC) w małej (5×5 mm) 73-pinowej obudowie UFBGA z rastrem 0,5 mm, aby pomóc w optymalizacji kosztów projektu. Można zatem napisać firmware na większym modelu, nie martwiąc się o brak zasobów, a następnie poświęcić czas na zoptymalizowanie swojego kodu, aby zajmował mniej pamięci.

Projektanci, którzy chcą zacząć projekt bez czekania na dostępność STM32WL, mogą rozpocząć pracę, używając płytki STM32L4 Nucleo i dołączając do niej moduły rozszerzeń Semtech, takie jak SX1262DV-K1DAS, SX1262DVK1CAS lub SX126-2DVK1BAS.

Znany mikrokontroler

Mikrokontroler STM32L4 jest zbliżony funkcjonalnie do Cortex-M4 obecnego w STM32WL, stąd przeniesienie kodu do STM32WL będzie wymagało zmian, ale będą to jedynie drobne poprawki. Peryferia są też identyczne jak w STM32L4, a więc jest 12-bitowy ADC, 12-bitowy DAC, 2 komparatory o ultraniskiej mocy, 2× USART (ISO 7816, IrDA, SPI), LPUART (low-power), 2× SPI, 3× I2C, 43 linie GPIO tolerujące 5 V. Inne wybrane szczegóły to zasilanie: 1,8–3,6V, zakres temperatur pracy –40…+85ºC. MCU oferuje technologie o bardzo niskim zużyciu energii, w tym dynamiczne skalowanie napięcia i adaptacyjny ART działający w czasie rzeczywistym, umożliwiający natychmiastowe wykonanie kodu z Flash. Pobór prądu w trybie shutdown 31 nA (VDD = 3 V), tryb gotowości (+ RTC): 360 nA (VDD = 3 V), tryb Stop2 (+RTC): 1,07 μA (VDD = 3 V), MCU w trybie aktywnym: <72 μA/MHz (CoreMark), RX w trybie aktywnym: 5,4 mA, TX w trybie aktywnym: 15 mA przy 10 dBm i 87 mA przy 20 dBm (LoRa 125 kHz).

Jako jednostki kierowane do aplikacji IoT mikrokontrolery STM32WL mają wbudowane bloki sprzętowe zapewniające sprzętowe szyfrowanie danych AES 128/256, generator liczb losowych (TRNG), ochronę przed odczytem/zapisem PCROP oraz wspierają kryptografię w oparciu o klucz publiczny (PKA) z silnikiem szyfrowania na krzywych eliptycznych. Jest także kalkulator sum CRC, unikatowy identyfikator urządzenia (64-bitowy UID zgodny ze standardem IEEE 802-2001), 96-bitowy unikalny identyfikator chipa.

Mikrokontroler jest w pełni zintegrowany ze sprawdzonym na rynku środowiskiem STM32, w tym obsługą oprogramowania STM32CubeM, a stos LoRaWAN jest dostępny jako kod źródłowy.

 


STMicroelectronics SA oddział w Polsce
Nowogrodzka 11 , Warszawa
tel. +48 22 5290529, www.st.com, stm.warsaw@st.com

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie