STM32 生态系统 第二期 基于STM32WB的低功耗蓝牙应用

STM32WB生态系统

STM32WB. 技术文档

STM32WB的基础文档，首先是芯片的参考手册。目前STM32WB家族里只有一个55系列，它的参考手册是RM0434。它有1500多页，分章节描述了STM32WB芯片架构、总线、片上RAM、Flash、以及各个外设的功能、寄存器说明。WB主要新增的外设有实现RSA、ECC等非对称加解密功能的PKA单元，即public key accelerator（公钥加速器），用于双核通信的IPCC（inter processor communication controller）和硬件信号量HSEM等。

然后是数据手册，勘误手册。（这三篇是STM32WB的基础技术文档）

这里的5个应用笔记，都和STM32WB的硬件设计使用有关。

• 因为WB集成了一颗支持低功耗蓝牙应用和802.15.4的RF收发器，相比以前的STM32，WB在硬件lay板子的时候，需要额外注意一些问题。【AN5165】是WB做射频应用时硬件开发方面总的指南。

• STM32WB设计的目标之一就是高集成度，在保证优化的射频性能前提下，能让用户尽量减少外部器件的使用，降低BOM成本。【AN5290】就以QFN48引脚封装的WB55芯片为例，并给出了最小系统原理图。“高集成度” 主要体现在WB集成了开关电源，以提高2V以上供电时的电源转换效率。WB使用HSE外部高速晶振给RF模块提供时钟，可通过芯片内部集成的负载电容调节HSE精度，无需用户采用外部电容器件。另外两个应用笔记【AN5042】和【AN5246】就是对这两个特性展开的说明。为了进一步节约成本，还可以使用PCB天线，只要设计得当，它的性能可以和表贴陶瓷天线相当。【AN5129】对其进行了详细指导和说明。

STM32WB的主要应用是低功耗蓝牙应用，低功耗是STM32WB的主要设计目标之二。STM32WB继承了STM32L4的低功耗特性，支持多种低功耗模式，以及每个模式下面的子模式选项；低功耗的模拟外设、BAM（批处理获取模式）、灵活的时钟系统。【AN5071】就是对STM32WB芯片的低功耗特性概览。

STM32WB的双核之一，M0+内核是专门跑射频协议栈的，对用户或者说对M4内核，是一个黑盒子。要更新M0+上运行的协议栈，无论是通过JTAG/SWD、USB/UART这样的近程有线，还是通过BLE空中升级方式，要烧写和更新射频协议栈，必须通过FUS，即firmware update service。这里的firmware，不是指跑在M4内核上的用户应用程序firmware，是专指跑在M0+内核上，对用户不可见的射频协议栈firmware。这是一段芯片出厂就已经固化在STM32WB的secure flash中的一段程序，永远擦除不掉。芯片出厂时，只有预装了FUS，没有任何协议栈。需要用户根据自己的应用，使用无线或者有线方式，来把对应的协议栈通过FUS写进去。然后才可以继续在M4+内核上开发应用程序。【AN5185】就是对FUS的详细说明；【AN5247】是STM32CubeWB固件包里的OTA例程说明文档。里面描述了这个ota样例程序的逻辑，用户使用步骤。这个ota程序，不仅可以空中升级M4上运行的用户应用程序，也可以空中升级M0+上运行的射频协议栈。由于FUS的存在，射频协议栈，一定是被ST公钥签名加密过的。关于FUS和OTA的使用，我们下期，会有更详细的介绍。

BLE Mesh应用，在STM32CubeWB中也有示例程序，这里的三个文档【AN5292】、【UM2180】、【UM2361】，分别是对BLE Mesh例程的说明，以及搭配例程使用的手机app的说明。

【AN5270】和【AN5289】，更偏向于开发者角度，详细列出了ACI层和HCI层的事件，比如连接完成，请求LTK这些LE META事件；比如配对完成、绑定丢失、数值比较这些ACI层的GAP事件；比如notification、server confirmation这样的ACI层GATT/ATT事件。以及所有协议栈使用的，私有的HCI层、GAP、GATT相关命令。

这里的前四个文档，是对三个例程的使用说明，分别是

• 使用STM32WB获取传感器参数，并通过BLE发送给手机

• 使用STM32WB做全双工的音频传输

• 基于STM32WB的SBSFU，即安全启动和安全固件升级。之前在STM32CubeWB固件包里的ota例程，对M4内核上运行的用户应用程序升级，是明文升级。如果对用户应用程序的升级有加密和认证需求，可以参考这个例程的实现。

STM32WB. 评估板

接下来，是ST官方出品的STM32WB55，目前唯一一款评估板：订购号，P-Nucleo-WB55 pack。这个套件里包含两块基于STM32WB55的板子，如图示：一个是Nucleo板，板载QFPN68引脚封装的STM32WB，和STLINKV2；一个是板载QFPN48引脚封装STM32WB的USB dongle板。

STM32CubeWB固件包里包含两个板子上的多个例程。Nucleo板，由于板载了STLINK，因此烧写程序比较方便；USB dongle板只能通过48引脚WB芯片上，系统memory里面集成的bootloader来烧写应用程序。USB dongle板通常搭配STM32CubeMonitor-RF使用。由于需要系统memory启动，USB dongle板引出了拨码开关，方便启动模式的切换。

下期介绍ota例程时，会详细说明。

STM32WB. 固件例程

介绍完了STM32WB的技术文档、评估板，我们接下来看一下，ST目前提供了哪些关于低功耗蓝牙应用的参考例程。

beacon，和几个SIG协会定义的标准profile，例程都有支持。P2P通信基于自定义profile，我们给出了sever，client，router的实现例程。其中蓝色框中的三个例程演示了如何通过ota bootloader，把用户应用从p2p server更新到心跳profile。这个例程，Nucleo板作为OTA server，OTA server可以由手机上的app，ST BLE Sensor或者STM32CubeMonitor-RF来担任。使用后者的时候，需要搭配使用USB dongle板。

STM32CubeWB固件包里还有大家最关心的BLE Mesh智能照明应用例程，对应的手机App是ST BLE Mesh。例程的使用，以及手机app的使用，都可以参考表格里的文档。

还有一个值得强调的是CKS加密这个例程。这不是BLE应用的标准场景，是STM32WB芯片特有的安全功能。STM32WB提供对用户应用key的安全存储。在安全环境中，用户把应用key放到STM32WB的安全存储区域内，之后M4的应用就可以使用这些key进行加解密运算。key的存储和使用都很安全，用户通过index来操作key，得到的是明文和密文，永远无法或者key本身。key的存储，可以通过M4上的用户存储调用FUS API，也可以通过STM32CubeMonitor-RF来把用户key传递给STM32WB，当然底层也是一样调用的FUS API。这个例子的讲解，也会在下次介绍来展开。

除了BLE协议栈，M0+内核还可以运行OpenThread，以及generic MAC，基于这两个RF协议栈的例程，ST也提供了若干，如表格中所列。

STM32WB. RF协议栈：在STM32CubeWB 固件包中发布

这张图，大家之前一定多次看到。它展示了STM32WB芯片支持的多种RF 协议栈。即可以在M0+内核烧写不同的协议栈，图中蓝色部分；然后在M4+上运行不同类型的用户程序，图中绿色部分。每一列是一个使用场景，但是彼此独立。比如左边第二列，是最常见的应用，就是M0+里运行BLE full stack，然后M4上跑BLE应用，比如mesh啊，比如其他标准或者自定义的profile，service啊。也可以，采用第四列，M0+里运行Thread FTD，Full Thread stack，然后绿色的M4内核部分运行Full thread应用。但是这两种使用场景是不能同时存在的。

目前，6种RF 协议栈都已经支持，并且随STM32CubeWB固件包一起发布。Zigbee协议栈也会马上支持，预计在下一个版本STM32CubeWB 1.3.0中大家可以拿到。

STM32CubeWB 固件包，当前最新版本是1.2.0，在Project目录下，有一个STM32WB coprocessor wireless binaries文件夹，下面就存放了最新版本的各种RF协议栈。

注意：所有随STM32CubeWB 固件包发布的协议栈，都是被ST私钥签名加密过的，必须搭配STM32WB中的FUS才能验签并且解密，然后烧写到M0+内核独享的secure flash中。

表格中前6行是前一页说的目前支持的6种RF 协议栈。后面两个，不是RF 协议栈，一个是FUS本身，一个是用于配合STM32CubeMonitor-RF做STM32WB板射频性能测试使用的。

FUS在芯片出厂时已经固化在STM32WB中，但是版本默认都是0.5.3，要想使用CKS功能，FUS要进行版本升级。现在STM32CubeWB固件包里的FUS是v1.0.1。

STM32WB. 固件例程：STM32Cube 功能扩展固件包

除了STM32CubeWB 固件包里包含的多个低功耗蓝牙和Thread应用的例程，在STM32CubeWB固件包之外，还有不少独立的固件例程，来展示STM32WB芯片的各种使用案例。

• 调整HSE精度以提供STM32WB的射频应用高精度时钟

• 基于STM32WB的SBSFU，即安全启动和安全固件升级。之前在STM32CubeWB固件包里的ota例程，对M4内核上运行的用户应用程序升级，是明文升级。如果对用户应用程序的升级有加密和认证需求，可以参考这个例程的实现

• 使用STM32WB做全双工的音频传输升级。之前在STM32CubeWB固件包里的ota例程，对M4内核上运行的用户应用程序升级，是明文升级。如果对用户应用程序的升级有加密和认证需求，可以参考这个例程的实现

• 使用STM32WB获取传感器参数，并通过BLE发送给手机
  
  

它们分别搭配的说明文档，在之前讲STM32WB的技术文档时，都已经提到过。

STM32WB. 软件工具

我们提供的丰富的基于STM32WB的低功耗蓝牙应用，有的是蓝牙板板子之间的通信，有的是蓝牙板和手机通信。

需要用到的手机端app，源码都公布在st github下；苹果版app在苹果商店可以下载，安卓版app在STM32中文网站可以下载。

在做OTA和FUS更新时候需要用到的STM32Cube PC端工具，也都在表格里列了出来。下期介绍，我们会结合具体使用案例，来展示如何使用。

STM32WB. 本地培训材料

自从2017年推出STM32WB芯片以来，STM32中国支持团队，做了很多技术资料的本地化工作。包括今年中在六个城市的线下培训，由STM32WB技术支持工程师撰写培训材料，并到现场做培训，和客户交流，解决问题。手机扫描胶片里的二维码，可以下载到2019年STM32WB线下培训的课件。

STM32WB. 本地方案

我们还开发了基于STM32WB的智能锁方案。除了STM32WB作为主控芯片，方案里还集成了ST的安全芯片STSafe，直流马达驱动芯片STSPIN240，NFC读卡器芯片ST25，加速度传感器芯片LSM303AGR。通过安卓手机app连接、配置并管理智能锁，包括

智能锁的控制包括

整个方案都是开源的，包括原理图、手机app源码，MCU端固件，详情登陆链接http://club.stmcu.com.cn:8080/smartlock/  （复制链接粘贴到外部浏览器搜索），了解更多信息。