Az STM32WL5M – az első LoRaWAN-tanúsított ST modul
Az STM32WL5M az ST első LoRaWAN-tanúsított modulja és a legújabb fejezet a szub-GHz-es demokratizálási történetben. Az ST valóban az STM32WLE-vel kezdte, az első beágyazott multimodulációs rádióval rendelkező vezeték nélküli MCU-val. A kétmagos megoldásban, az STM32WL5-ben az egyik magot a vezeték nélküli stacknek szentelték, optimalizálva ezzel a GHz alatti alkalmazások létrehozását. Most megjelent egy olyan modul, amely ezeket az alkatrészeket egyetlen tokba integrálja.
Az STM32WL5M az STMicroelectronics első LoRaWAN-tanúsított modulja, és az első, amely két kimeneti teljesítményt támogat a két teljesítményerősítőjének köszönhetően. Ezért az STM32WL5x által támogatott széles frekvenciatartományával párosulva a modul Európában, Amerikában és Ázsiában is működhet. Mindezek ellenére az eszköz 10 × 10 mm-es méretével még mindig az egyik legkisebb. Következésképpen a modul sokkal praktikusabbá teszi egy szub-GHz-es alkalmazás tervezését, mivel lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy egy kis méretben élvezhessék az átfogó megoldást anélkül, hogy a létrehozás bonyolultságával kellene foglalkozniuk.
Gyakorlati megoldás
Az ST arra törekedett, hogy az STM32WL5M-et még praktikusabbá tegye a kisebb gyártási célú termékek számára. A modul kétrétegű NYÁK-ra illeszkedik, nem igényel külső passzív alkatrészeket a funkciók engedélyezéséhez, és már tartalmaz egy belső SMPS-t. Ez nagymértékben leegyszerűsíti az anyagjegyzéket, a NYÁK-kiosztást, és segít jelentősen csökkenteni a piacra kerülési időt, ami egy kisebb sorozatszámú készülék gyártásakor elengedhetetlen. Egyes változatok (az S-re végződő cikkszámokkal) még STSAFE biztonsági elemet is tartalmaznak, hogy a kritikus biztonsági követelményekkel rendelkező vállalatok számára praktikusabbá tegyék.
Tanúsítás
Ahogyan az egy szub-GHz-es modul esetében hagyományosan lenni szokott, a mérnököknek csak a külső antennára és a szoftvercsomagra kell összpontosítaniuk. Az ilyen frekvenciasávokhoz kapcsolódó vezeték nélküli követelmények miatt nem valósítható meg az antenna beépítése a csomagba, mint az STM32WB modulok esetében. A cél azonban továbbra is az, hogy az STM32WL5M praktikusabb legyen, mint a konkurens megoldások. Ennek eredményeképpen a gyártó egy referenciatervet és dokumentációt kínál, megkönnyítve a hardveres NYÁK-tervezés elkezdését – ráadásul az antennaillesztő szűrők már a modulban vannak. Továbbá az STM32CubeWL firmware csomag tartalmaz egy hitelesített stacket és példakódot, ami egyszerűbbé teszi a végső tanúsítási folyamatot.
Miért LoRaWAN®?
A 2017-es International Symposium on Signals, Circuits, and Systems nemzetközi szimpóziumon bemutatott felmérésben a kutatók megállapították, hogy a LoRa® megoldhatja azokat a jelentős kihívásokat, amelyek az IoT-eszközök széles körű elterjedését nehezítik. A gigahertz alatti frekvenciák használata és a Chirp Spread Spectrum modulációs technika lehetővé teszi kis csomagok nagy távolságokra történő átvitelét, miközben ellenállóbbá és összességében robusztusabbá teszi a zavarokkal szemben. Azóta a LoRaWAN-t a Nemzetközi Távközlési Unió hivatalosan is a „tárgyak internete és az intelligens városok és közösségek” kommunikációs szabványává nyilvánította. A LoRa Alliance szerint 2022 márciusában több mint 225 millió LoRa/LoRaWAN végcsomópont volt.
Egy másik, az International Journal of Electrical Power & Energy Systems című folyóiratban megjelent tanulmányban tajvani egyetemek tudósai kimutatták, hogy a LoRa modulációja ellenáll az elektromos hálózatokból származó interferenciáknak, és módszertant kínál az intelligens mérőórák megvalósításának optimalizálására. Arra is rámutatnak, hogy az intelligens hálózatok nagyszerű eszközt jelentenek az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentésére és az Európai Unió által meghatározott szabványok teljesítésére. A rádió beágyazásával az STM32WL5 alapvető lépéssé válik a nagy hatótávolságú (LoRa) technológia demokratizálása és a fenntarthatóbb energiafogyasztás elfogadása felé.
Prototípusgyártás
A legtöbb fejlesztői csapat számára az első kihívás a koncepció bizonyításának gyors kidolgozása. Az STM32WL5 két magja használatának bemutatása kulcsfontosságú lesz a vezetők meggyőzésében. Ennek megfelelően az ST piacra dobta a NUCLEO-WL55JC3-at, az első STM32WL55JC-vel ellátott fejlesztőkártyát. A külső antennával ellátott eszköz már a dobozból is képes az alkalmazások futtatására. A fejlesztőknek egyszerűen csak be kell tölteniük azokat az ST-LINK segítségével az USB porton keresztül.
A szoftveres oldalon az STM32CubeWL legújabb verziója alkalmazási példákat tartalmaz erre az új Nucleo lapkára a fejlesztések felgyorsítása érdekében. Egy referenciasablon segít a két magot használó szoftverek készítésében. Emellett az STM32CubeMX frissítést kapott, amely lehetővé teszi a LoRaWAN és Sigfox stackek konfigurálását közvetlenül a segédprogramból. Az ST olyan demonstrációs programokat is kínál, amelyekkel az érzékelőadatok egy átjáróra vagy „koncentrátorra” küldhetők. Ezen a Nucleo lapkán futó demóalkalmazás a leggyorsabb mód annak demonstrálására, hogy miért nyújt nagyobb rugalmasságot és biztonságot a projektek számára az STM32WL5 kétmagos változata.
Az STM32WL55JC
STM32WL5x – miért jó a kétmagos architektúra?
A 2020 januárjában bemutatott STM32WLE egyetlen Cortex-M4-gyel rendelkezett, amely mindent működtetett. Azok a mérnökök, akiknek nem kell gyakran frissíteniük az alkalmazásaikat, az egyszerűség miatt inkább az ilyen architektúrát részesítik előnyben. Néhány csapat számára azonban, akiknek szigorúbb korlátozásokkal kell szembenézniük, ez szinte csapdának tűnhet, különösen, ha a termék gyakori frissítéseket igényel. Ha a hálózati és az alkalmazási stackek ugyanazon a magon vannak, bármelyiknek a módosítása arra kényszeríti a csapatokat, hogy újra tanúsítsák a kommunikációs protokollt. Az STM32WL5x kétmagos architektúrájának köszönhetően a fejlesztők kikerülhetik ezt a problémát azzal, hogy a hálózati stacket a Cortex-M0+, az alkalmazást pedig a Cortex-M4 magra helyezik.
Ultraalacsony fogyasztású multi-modulációs vezeték nélküli STM32WL5x mikrokontroller
2 mag a többszörös minősítés elkerülése érdekében
Egy másik kihívás az alkatrészek minősítésének szükségességéből adódik. Egy IoT-projekten dolgozó kis startup hajlamos a legegyszerűbb megközelítést előnyben részesíteni. Ebben a tekintetben az STM32WLE és annak egymagos architektúrája nagyszerű választás, például egy automatizált gumigyűjtő rendszer, az MCU használata a riasztások felhőbe küldésére. Egy intelligens mezőgazdasági rendszer az STM32WLE-t használta, és a LoRa-ra támaszkodva segített a gazdáknak optimalizálni a műveleteiket. A rendszer népszerű és nagy mennyiségben gyártott termék, mivel a mikrokontroller integrált jellege megkönnyítette a proof-of-concept kifejlesztését.
Ha azonban egy nagyvállalat számtalan projekten dolgozik, és többféle protokollt támogat, egy eszköz használata az összeshez óriási előnyt jelent. Valójában az, hogy csak egyetlen alkatrészt kell minősíteni, nagyobb megtérülést és gyorsabb piacra jutást eredményez. Az STM32WL5x segítségével a csapatok a Cortex-M4 és a Cortex-M0+ számos szub-gigahertzes protokolljára is létrehozhatnak egy-egy alkalmazást az igényeiknek megfelelően, amely lehetővé teszi számukra továbbá, hogy könnyebben tesztelhessék a különböző protokollokat.
STM32WL5 – kettős kimeneti teljesítmény és több moduláció
Minden STM32WL5/E eszközbe egy speciálisan kifejlesztett, a Semtech SX126x-en alapuló rádiót építettek be, amely kétféle kimeneti teljesítményt kínál: 15 dBm-ig, illetve 22 dBm-ig. Továbbá, mivel az adó-vevő 150 MHz és 960 MHz közötti lineáris frekvenciatartományban működik, az STM32WL a világ minden régiójában használható. Az európai szabványok például megkövetelik, hogy a LoRa-rendszerek az alacsonyabb kimenetet és a 868 MHz-es frekvenciát használják, míg Észak-Amerikában a kimenet akár 22 dBm is lehet és 915 MHz frekvenciát igényel. Így a fejlesztők az STM32WL sorozatot a saját régiójukra szabhatják, optimalizálhatják a teljesítményét, és könnyen megnyithatják rendszerüket más országok számára.
Az STM32WL5/E szub-gigahertzes adó-vevője kompatibilis a LoRa, (G)FSK, (G)MSK és BPSK modulációs sémákkal. Dióhéjban ez azt jelenti, hogy az STM32WL5/E a LoRa moduláció révén a LoRaWAN stacket és a Sigfox stacket is képes futtatni a Binary Phase Shift Keying (BPSK) támogatásának köszönhetően. A vállalatoknak többé nem kell választaniuk az egyik vagy a másik között. Emellett a (G)FSK, (G)MSK és BPSK kompatibilitás azt jelenti, hogy az STM32WL az egyedi megoldásokat létrehozni kívánó szervezetek körében népszerű saját protokollokkal is működni fog.
STM32WL5x – Cortex-M0+ a nagyobb biztonságért
A Cortex-M0+ használata melletti döntésnek van két különösen kiemelkedő oka. Először is, a kétmagos megközelítés hasonló teljesítményt és költséghatékonyabb struktúrát kínál a gigahertz alatti alkalmazásokhoz, mint a nagyobb magok. Másodszor, hardveres elszigetelést biztosít az egyes magok és a kulcskezelő szolgáltatás között. Lehetővé teszi továbbá a hitelesség ellenőrzését, az erős adatfejtést és az adatintegritás felügyeletét. A kétmagos STM32WL5x számos STM32Trust funkcióval is rendelkezik, mint például a biztonságos firmware-telepítés és -frissítés. Ezenkívül két egyedi azonosítóval van ellátva (64 és 96 bites), és több védelmi szintet kínál az olvasási és írási műveletekkel szemben.
2 különböző megközelítés a Cortex-M0+-hoz
Az ügyfelek reakciója pozitív és kreatív volt, néhányan váratlan módon használják az STM32WL5-öt. A legtöbb rendszer ugyanis a Cortex-M0+-t használja a szub-gigahertzes protokollhoz, a Cortex-M4-et pedig az alkalmazáshoz. Az implementáció rugalmasságának köszönhetően azonban néhány ST-partner pont az ellenkezőjét tette. Néhány vállalat élvezte a Cortex-M0+ által az érzékeny alkalmazási rétegeik számára nyújtott biztonsági előnyöket, és a rádiós stacket a Cortex-M4-re helyezte. A mérnökök mindig igyekeznek alkalmazkodni az új biztonsági igényekhez, miközben termékeiket elérhetőbbé teszik. Az STM32WL5 kétmagos architektúrája új eszközt kínál számukra céljuk eléréséhez.
Miért fontosak az architekturális optimalizálások?
2 tápegység és 1 kristály
A tervezők optimalizálták az energiagazdálkodást egy kapcsolóüzemű tápegység (SMPS) és egy low-dropout szabályozó (LDO) beépítésével, hogy lerövidítsék az STM32WL-ek bármilyen alacsony fogyasztású üzemmódból való felébredését. Az SMPS készenlétbe helyezése általában körülbelül 60 µs-t vesz igénybe, de az LDO jelenlétének köszönhetően az MCU 5 µs vagy annál rövidebb idő alatt is képes felébredni, ha az SMPS még nem áll készen. Amikor az STM32WL-eket alvó, leállított vagy készenléti állapotból hozzuk ki, a rendszer először az LDO-t használja, és így elkezdheti az információk feldolgozását, miközben az SMPS készenlétbe helyezésére vár.
Az STM32WL5x az STM32WB-n, a Bluetooth-modult is tartalmazó STM32 MCU-n bevezetett optimalizálások előnyeit is élvezheti. A mérnököknek hagyományosan két 32 MHz-es külső kristályra van szükségük: az egyik a Cortex-M4-gyel szinkronizál, a másik pedig a LoRa adó-vevőhöz. Ezeknek az architekturális megvalósításoknak köszönhetően a rendszernek csak egy kristályra van szüksége az MCU és a rádió nagysebességű órajeléhez, ami hozzájárul az anyagszámla csökkentéséhez és a NYÁK-tervezés egyszerűsítéséhez.
Az EBV Elektronik – mint vezető félvezető-forgalmazó Európában – széles gyártói portfóliójából a legújabb alkatrészek és félvezető-megoldások teljes és folyamatos ellátását garantálja. Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy az alkalmazásaihoz az optimális megoldást választhassa!
Több mint disztribúció – EBV Elektronik!
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93. West Irodaház
Tel.: +36 1 436 7229
www.ebv.com
