【技术贴】ST首款蓝牙LE 5.2 SoC产品BlueNRG-LP可支持多达128个连接

意法半导体PDSA 2021-04-20 00:00

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【BlueNRG-LP (STSW-BNRGLP-Mesh)的蓝牙Mesh协议栈目前可供下载。】

BlueNRG-LP：开头第一步

STEVAL-IDB011V1评估板和更新的BlueNRG软件

【STEVAL-IDB011V1】

过程工程团队选择蓝牙SoC的过程往往非常复杂。许多因素可能会影响决策，从成本到过去的经验、性能和易用性。因此，为了帮助团队更快地评估BlueNRG-LP，我们还发布了软件和开发工具的更新。例如，开发人员可以将新的STEVAL-IDB011V1 BlueNRG-LP评估板与BlueNRG Navigator GUI一起使用。该软件可以上传应用示例，从而帮助管理人员了解我们新SoC的功能。

BlueNRG Navigator GUI提供的演示项目数量相当可观。通过这20个左右的应用程序，开发人员可以快速测试SoC连接多达128个器件的能力。他们也可以尝试通过广播八个频道而不是传统的三个频道来扩展广播报文。类似地，其中一个项目可以带来更高的吞吐量，而另一个项目则可以提供更长距离的远程功能。因此，通过这么多应用程序启动程序，工程师们可以大大加快概念验证。

意法半导体还发布了新版BlueNRG电流消耗工具。该实用程序通过展现一个令人信服的图形结果来证明我们新器件的低功耗能力，从而影响决策者。开发人员也可以将在先前BlueNRG SoC上运行的代码移植到新器件上，来对其进行测试。因为这个过程仅仅是从Cortex-M0转移到Cortex-M0+，因此相对比较简单。

【左边是BlueNRG电流消耗工具。右边是实际功率波形，显示了意法半导体工具的精确度。】

了解新的工业和技术挑战

在选择蓝牙SoC时，工程师们会关注影响其行业的最新趋势。工业应用必须能将更多的传感器节点连接到网关。音频处理能力变得越来越重要。而且蓝牙SoC必须能够提供更多的处理能力，同时保持物料的低成本和低功耗。迎接这些挑战绝非易事，它需要在无线收发器和微控制器两个层面上进行优化。事实上，仅一次性连接128台器件这一点在当今世界上已是独一无二的了，但这还不够。我们知道工程师会问两个关键问题：“这些连接有多稳定？”以及“我能用它们来做什么？”答案在于BlueNRG-LP如何实现更大的功率、更好的安全性、更高的效率和更低的成本。

BlueNRG-LP：更强大、更安全、更高效的连接

高速

【BlueNRG Navigator GUI】

从事工业应用的团队必须克服范围或数据速率方面的重大限制。例如，有些系统必须覆盖难以置信的长距离。这种应用程序的一个例子是，可以连接到整个智能工厂中无数个电路板的网关。另一方面，其他器件必须能快速传输大量数据，例如在固件更新期间。新的ST-SoC能同时实现这两个目标。通过LE 2M PHY，BlueNRG LP可以达到2Mbps的数据速率。.相比之下，先前的BlueNRGSoC中的LE 1M PHY只能达到1Mbps的数据速率。能够实现更快的传输，部分原因是数据长度扩展带来的更大的有效负载，正如我们在BlueNRG-2N博文中所解释的，以及蓝牙5.0固有的带宽增加。

远距离

LE 2M PHY的另一大功能是Bluetooth 5.0所带来的更大覆盖范围。遗憾的是，许多工程师往往低估了它的潜力，因为他们忽视了这一远程功能。BlueNRG-LP使用的是LE编码PHY，在不需要额外的功率放大器的情况下，能连接两个距离更大的蓝牙器件。意法半导体在真实世界测试中，使用了现有的开发板和应用程序，达到了1.3公里（0.8英里）的长距离。

能够实现距离的增加，原因在于LE编码PHY使用了前向纠错，它可以向每个数据包添加冗余比特。但是，数据冗余会导致带宽降低（125kbps）。另一个有助于避免干扰的特色是信道选择算法#2 (CSA #2)。CSA#1只能在37个频道之间跳频，而CSA#2有65535个频道可供选择。这么大的选择空间有助于避免干扰和多径衰落效应。无论是附近有很多器件，还是它们之间的距离很远，CSA#2都能提高网络的可靠性。最终，之所以能实现远距离的传输，是因为蓝牙5.0能够更好地处理在远距离传输时不可避免地干扰信号的背景噪声。

链路预算

从事蓝牙应用的工程师往往会进行链路预算分析，这是一种帮助他们预测整体性能的设计辅助工具。简言之，它确保设计者能够预见到具体问题，例如信号强度不足，无法到达接收器。在大多数教材中，链接预算分析使用以下等式：

接收电平（dBm）=发射功率（dBm）+增益（dB）−损耗（dB）。

然而，工程师们现在使用的数据表几乎总是给出发射功率（TX）和接收器的灵敏度级别

|链路预算（dB） | = TX功率（dBm）–灵敏度级别（dBm）。

BlueNRG-LP的发射功率可以达到+8 dBm（可编程，单位调整幅度为1 dBm），接收灵敏度在125 kbps时为-104 dBm，在1 Mbps时为-97 dBm。因此，新的STSoC拥有业界最大的链路预算，高达112 dB和105 dB。因此，与链路预算较低的器件相比，工程师可以在相同的功耗下预期得到更好的性能。

阻止黑客

【构建参考应用程序】

安全性是工程师在设计系统时关注的另一个重要方面。消费者对保护隐私和免受威胁的问题更加敏感。因此，构建蓝牙系统的团队会研究保护用户和数据的功能。BlueNRG-LP为这些关键的工程挑战提供了答案。其中之一是安全的引导加载程序，它会在启动固件之前检查固件的签名。这样的措施可以防止rootkit或低级攻击。开发人员还可以通过禁用SWD和UART访问来保护Flash。同样，1KB的内存是一次性可编程的，可保证其完整性。因此，从理论上讲，取得器件访问权限的黑客将无法克隆或修改其内容。

更高的计算吞吐量和更低的功耗

【BlueNRG-LP】

开发人员必须找到能增强性能、准确性和用户体验的方法。为了解决这一挑战，工程师们往往会选择具有更高计算吞吐量的器件。然而，许多蓝牙终端产品必须具有低功耗以保持电池寿命。因此，工程师需要找到一种方法来调和这些看似矛盾的要求。

BlueNRG-LP为这一挑战提供了新的解决方案。由于其更高的频率和更强大的架构，SoC现在支持更复杂的算法。这些基于MEMS和语音库的进程在嵌入式系统中非常普遍。此外，意法半导体还提供了一个免费的经Bluetooth-SIG认证的Mesh协议栈。因此，它能轻易覆盖大面积并连接高达126个跃点或32000个节点。

然而，除了有更高的频率和更多的内存外，BlueNRG LP的特点是比先前的版本拥有更低的功耗。其传输峰值电流为4.3 mA（0dBm），而BlueNRG-2需要8.3mA（-2dBm）。类似地，新器件在RX（灵敏度级别）中的峰值为3.4 mA，而上一代需要7.7 mA。空闲时，功耗的改善也很显著。BlueNRG-LP在能保留RAM全部内容的“深度睡眠”模式下仅需0.6 µA。然而，BlueNRG-2尽管保留了更少的RAM，还需要9.5µA。所有这些改进都证明了我们最新的硅优化和改进的实现。

BlueNRG-LP：更高性价比的设计

降低物料成本

连接到128台器件的能力是独一无二的，BlueNRG-LP解决了许多技术难题。然而，一些工程师更多地关注总体成本。因此，新的SoC必须拥有可以降低物料成本的独特优势。解决这个问题的一种方法是将12位模数转换器（或16位抽样滤波器）与8个输入通道串行。与以前的SoCs相比，精度的提高意味着BlueNRG-LP现在可以有一个可编程增益放大器。PGA将音频信号从0dB放大到30 dB，从而允许使用模拟麦克风。与数字麦克风相比，模拟麦克风性价比更高，从而确保更低的物料成本。

另一种提高系统性价比的方法是减少外部器件的数量。因此，我们将BlueNRG-LP设计成能嵌入更多的元件并简化PCBs。例如，新的SoC现在有6个负载电容。这样，设计师就可以使用高速晶振，而无需将外部电容焊接到PCB上。BlueNRG-LP还集成了射频平衡-不平衡变压器，这意味着工程师不再需要专用的平衡-不平衡变压器。这也意味着新器件只有一个射频单端输出引脚，简化了布局。最后，SoC的SMPS具有更高的时钟。因此，设计师可以使用更小、性价比更高的电感。

合适的价格

当工程师们寻找蓝牙SoC，并证明他们的选择符合需求等级时，较低的单价是至关重要的。为了应对这一挑战并保持BlueNRG-LP的性价比，意法半导体坚持使用256KB的闪存。新器件的蓝牙协议栈通常需要80 KB到100 KB。因此，开发人员有120KB来设计他们的应用程序，这对于大多数用例来说已经足够了。 如果设计需要更大的存储空间，更强大的计算能力，或是专门的外围器件，他们自然会倾向于BlueNRG-2N和专用的主机MCU。

我们进一步优化了我们的定价结构，提供了三种类型的封装。QFN32有20个GPIO，而QFN48和WLCSP49分别有32个和26个。此外，我们还提供了只有一半RAM的BlueNRG-LP型号。因此，只需要32 KB和更少引脚的团队无需支付更多的费用。同样，我们提供了最高可达85ºC的型号，相同型号也可达到105ºC。工业设计更倾向于使用后者，而其他人会选择前者来节省开支。

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