STM32WL czyli mikrokontroler + sub-GHz RF + LoRa w jednej obudowie

W ramach artykułu prezentujemy najważniejsze informacje na temat nowych układów STM32WL i cechy czyniące to rozwiązanie unikalnym na rynku.

STM32: od rodziny F1 do rodziny WL

STM32WL to najnowsza propozycja firmy STMicroelectronics z niezwykle popularnej grupy mikrokontrolerów STM32. Historia tych układów to okres trwający już ponad 10 lat. Jej początek sięga roku 2008, kiedy to firma ARM stworzyła pierwszy rdzeń z rodziny Cortex-M, a więc Cortex-M3. Firma STMicroelectronics widząc duży potencjał tego rozwiązania szybko przystąpiła do projektowania opartych na nim mikrokontrolerów. Na bazie tego rdzenia powstały trzy rodziny układów: STM32F1, STM32L1 i STM32F2. Każda z tych rodzin stała się początkiem osobnej kategorii produktów: mikrokontrolerów ogólnego przeznaczenia, mikrokontrolerów o niskim poborze prądu oraz mikrokontrolerów wysokiej wydajności obliczeniowej.

W następnych latach firma ARM tworzyła kolejne rdzenie i za każdym razem powstawała co najmniej jedna rodzina STM32 rozszerzając wcześniej zdefiniowane trzy kategorie: STM32F0 (z Cortex-M0), STM32L0 i STM32G0 (obie z Cortex-M0+), STM32F4, STM32F3, STM32L4, STM32G4 (wszystkie z Cortex-M4), STM32F7 i STM32H7 (obie z Cortex-M7) oraz STM32L5 (z Cortex-M33).

Tak kształtowała się oferta mikrokontrolerów STM32 do roku 2018, kiedy to nastąpiła znaczna zmiana poprzez wprowadzenie zupełnie nowej, czwartej kategorii: układów SoC, które łączą mikrokontroler z nadajnikiem-odbiornikiem radiowym. W roku 2018 powstało pierwsze takie rozwiązanie – rodzina STM32WB (Cortex-M4 i Cortex-M0+) pozwalająca na komunikację w paśmie 2,4 GHz, sprofilowana głównie pod aplikacje wykorzystujące komunikację Bluetooth. Na początku roku 2020 do oferty trafiło drugie rozwiązanie tego typu – tytułowa rodzina STM32WL (Cortex-M4) umożliwiająca komunikację w tak zwanym paśmie sub-GHz, a cechą wyróżniającą to rozwiązanie jest modulacja LoRa. Na rysunku 1 pokazano zestawienie wszystkich rodzin STM32 z podziałem na kategorie (różne kolory) i z informacją o roku powstania, od rodziny STM32F1 z 2008 r. do STM32WL z 2020r.

Rys. 1. Grafika z osią czasu pokazującą w którym roku powstały rodziny STM32 (kolor niebieski –ogólnego przeznaczenia, kolor zielony – o niskim poborze prądu, kolor różowy – o wysokiej wydajności, kolor fioletowy –SoC radiowy)

LoRa w świecie komunikacji radiowej

Komunikacja bezprzewodowa to technologia, która rozwija się bardzo dynamicznie na przestrzeni wielu już lat. Wskutek tego rozwoju opracowanych i wdrożonych zostało wiele rozwiązań. Najpopularniejsze z istniejących obecnie standardów zebrano na zestawieniu widocznym na rysunku 2, gdzie pogrupowano je w cztery kategorie. Różnią się one od siebie pod względem przepływności danych i odległości komunikacji. LoRa należy do kategorii LPWAN (Low-Power Wide-Area Network). Rozwiązania z tej grupy charakteryzują się niską przepływnością danych i dużą odległością komunikacji, a dodatkową cechą jest niski pobór energii.

Rys. 2. Umiejscowienie LoRy w konstelacji rozwiązań komunikacji bezprzewodowej

LoRa to skrót od słów Long Range. Rozwiązanie to zostało stworzone przez francuską firmę Cycleo, która następnie została wchłonięta przez firmę Semtech, obecnego właściciela tej technologii oraz producenta układów ją wykorzystujących. Pod hasłem LoRa kryje się rodzaj modulacji typu CSS (Chirp Spread Spectrum), używanej w paśmie poniżej 1 GHz. Wspomniana już odległość transmisji informacji jest kluczowym atutem tej modulacji, ponieważ umożliwia ona w dogodnych warunkach skomunikowanie dwóch punktów odległych od siebie nawet o kilkanaście kilometrów.

LoRa to rozwiązanie mieszczące się w najniższej (pierwszej, fizycznej) warstwie modelu OSI. Dzięki temu wyższe warstwy mogą być definiowane pod kątem konkretnych zastosowań. Możliwość zdefiniowania tych warstw tworzy przestrzeń do kreowania standardów rynkowych. Najbardziej znanym standardem zdefiniowanym dla modulacji LoRa jest LoRaWAN. Jest to protokół komunikacyjny wykorzystujący warstwę MAC (drugą) modelu OSI. Topologią sieciową w LoRaWAN jest gwiazda, w której przewidziano dwa typy urządzeń: bramkę (gateway) oraz węzeł (end node). Węzeł ma z kolei trzy kategorie, zwane klasami: A, B oraz C. Różnią się one między sobą profilem w kontekście częstości i długości okresów nadawania i odbierania w paśmie radiowym.

Przykłady zastosowania technologii

Przedstawianie technologii warto zakończyć kilkoma przykładami zastosowania. Są to różnego rodzaju aplikacje, gdzie występuje potrzeba wysłania na dużą odległość niewielkiej ilości danych, raz na jakiś czas. Jednym z najlepszych przykładów aplikacji są wodomierze, gazomierze i inne liczniki mediów, które wykorzystują komunikację radiową do przesyłania danych do koncentratorów (zdalny odczyt). Innym dobrym przykładem aplikacji są różnego rodzaju czujniki z bezprzewodową transmisją danych: czujniki przemysłowe (np. poziomu cieczy w zbiornikach), czujniki w systemach inteligentnego budynku (np. temperatury/wilgotności), czujniki zajętości miejsc na parkingach, czujniki monitorujące stan zdrowia zwierząt hodowlanych, a także czujniki w obszarze rolnictwa (wilgotność gleby, nasłonecznienia).

STMicroelectronics: od zera do lidera rozwiązań dla LoRy

Firma Semtech sprawiła, że LoRa zyskała uznanie i rozpoznawalność na skalę światową. Technologia z rozwiązania niszowego stała się jednym ze standardów LPWAN, a układy Semtech znalazły zastosowanie w licznych aplikacjach. Atuty LoRy i jej rosnąca popularność stały się argumentami, które zaważyły na decyzji STMicroelectronics o zainwestowanie w to rozwiązanie. Na przestrzeni kilku ostatnich lat firma podjęła szereg kroków w tym zakresie, dzięki czemu obecnie zamiast podążać za trendami związanymi z LoRą, sama je wyznacza. Przyjrzyjmy się najważniejszym osiągnięciom.

Firma STMicroelectronics nawiązała współpracę z firmą Murata w celu stworzenia modułu komunikacyjnego z LoRą. Moduł ten (CMWX1ZZABZ) wykorzystuje mikrokontroler z rodziny STM32L0 oraz nadajnik-odbiornik radiowy firmy Semtech. Układy te wraz z elementami toru radiowego umieszczone są na płytce PCB o małych wymiarach. Co istotne, moduł ten jest otwarty, co należy rozumieć jako możliwość nie tylko sterowania modułem poprzez komendy, ale też pisania aplikacji na mikrokontroler znajdujący się w module. W celu umożliwienia łatwego rozpoczęcia pracy z modułem Muraty, firma STMicroelectronics stworzyła dedykowaną platformę sprzętową – płytkę B-L072Z-LRWAN1. Składa się ona z modułu, złącz sygnałowych z wyprowadzeniami pinów modułu, programatora/debugera ST-Link i gniazda antenowego.

Stos LoRaWAN dla STM32

Kluczowym elementem ekosystemu narzędzi dla LoRy jest stos protokołu LoRaWAN. Takie rozwiązanie jest oferowane przez firmę STMicroelectronics. Pakiet oprogramowania nosi nazwę I-CUBE-LRWAN. Warto podkreślić dwie cechy świadczące o elastyczności i uniwersalności tego rozwiązania. Po pierwsze stos dostępny jest w formie kodu źródłowego, a nie skompilowanego pliku binarnego, dzięki czemu programista ma wgląd w implementację i jeśli jest taka potrzeba, może dokonać debugowania i edycji kodu. Po drugie stos jest kompatybilny z różnymi seriami mikrokontrolerów STM32 i układów radiowych Semtech, zatem niezależnie do wybranej pary STM32 + Semtech (bądź też modułu Muraty, który przecież też jest takim połączeniem) stos LoRaWAN z pakietu I-CUBE-LRWAN zawsze będzie możliwy do użycia.

W przypadku użycia stosu LoRaWAN, węzeł LoRa komunikuje się z gateway-em. Podczas prac rozwojowych nie zawsze istnieje możliwość użycia urządzenia komercyjnego, gdyż mimo różnych poziomów cenowych w zależności od funkcjonalności, koszt takiego rozwiązania ciągle jest znaczący. Stąd pomysł firmy STMicroelectronics na realizację prostego i taniego geteway-a z myślą o pracach rozwojowych. Powstały dwa takie urządzenia oparte na płytce Nucleo z mikrokontrolerem STM32 oraz płytce rozszerzeniowej z częścią radiową: gateway P-NUCLEO-LRWAN2 pracujący w paśmie 868/915/923MHz oraz gateway P-NUCLEO-LRWAN3 pracujący w paśmie 433/470 MHz.

Dalszy rozwój LoRy przez STMicroelectronics

Chcąc mieć istotny wpływ na rozwój LoRy firma STMicroelectronics przystąpiła do organizacji LoRa Alliance. Ciało to zrzesza firmy z różnych branż: półprzewodnikowej, telekomunikacyjnej, producentów urządzeń itp. W LoRa Alliance członków łączy wspólny mianownik w postaci protokołu LoRaWAN. Organizacja ta odpowiada za prace nad LoRaWAN i za promowanie tego rozwiązania jako jednego ze standardów LPWAN. STMicroelectronics odgrywa ważną rolę w LoRa Alliance będąc jednym ze sponsorów tej organizacji i pełniąc rolę członka rady nadzorczej.

W końcu nadszedł moment na najbardziej spektakularną z decyzji i w konsekwencji osiągnięć w tym zestawieniu. Firma STMicroelectronics stworzyła rodzinę układów STM32WL, łączącą cechy mikrokontrolerów STM32 i cechy układów radiowych LoRa firmy Semtech.

Rys. 3. Rozwiązania LoRa i LoRaWAN stworzone przez lub z udziałem firmy STMicroelectronics (moduł CMWX1ZZABZ, płytka B-L072Z-LRWAN1, gateway P-NUCLEO-LRWAN2, rodzina STM32WL, pakiet I-CUBE-LRWAN)

Pierwszy LoRa SoC na rynku

W roku 2015 firma STMicroelectronics nawiązała współpracę z firmą Semtech. Podpisane porozumienie zakłądało realizację wspólnego planu. W ramach pierwszego etapu tego planu firmy połączyły siły w promowaniu rozwiązania dwuukładowego. Bazuje ono na istniejących konstrukcjach: mikrokontrolerze STM32 oraz nadajniku-odbiorniku radiowym LoRa SX12xx. Wokół tej pary stworzono ekosystem narzędzi, a więc wspomniane wcześniej: stos LoRaWAN, moduły, zestaw ewaluacyjny itp. W ramach drugiego etapu planu przewidziano stworzenie jednoukładowego rozwiązania, które łączyłoby mikrokontroler STM32 i układ radiowy Semtech. Efektem tych prac jest właśnie STM32WL.

Z technicznego punktu widzenia istnieją dwie możliwości stworzenia jednoukładowego rozwiązania łączącego mikrokontroler i radio. Są to rozwiązanie typu SiP oraz rozwiązanie typu SoC. W układzie SiP (System in Package) występują dwie krzemowe struktury półprzewodnikowe. Jedna to mikrokontroler, druga to radio. Obie struktury wykonane są w różnych procesach technologicznych, a ich połączenie zrealizowane jest za pomocą linii sygnałowych wewnątrz obudowy.

W przeciwieństwie do układu SiP, w układzie SoC (System on Chip) znajduje się jedna struktura półprzewodnikowa łącząca mikrokontroler i radio. STM32WL to układ typu SoC. Zastosowany proces technologiczny to 90 nm. Należy podkreślić, że o ile istnieje na rynku szereg rozwiązań dwuukładowych dla LoRy (mikrokontroler ST lub inny + radio Semtech) oraz o ile istnieje też kilka rozwiązań jednoukładowych SiP dla LoRy, o tyle STM32WL jest pierwszym i jedynym obecnie dostępnym jednoukładowych rozwiązaniem SoC dla LoRy. Rozwiązanie to ma szereg zalet względem dwóch pozostałych: dużo atrakcyjniejsza cena, niższy pobór prądu, większe możliwości miniaturyzacji, mniejszy BOM (Bill of Material) i w konsekwencji prostszy projekt PCB.

Funkcjonalnie STM32WL to połączenie dwóch układów: mikrokontrolera low-power z rodziny STM32L4 oraz nadajnika-odbiornika radiowego SX1261/2 (rysunek 4).

Rys. 4. Uproszczony schemat budowy STM32WL

O autorze

Szymon Panecki

SZYMON PANECKI urodził się 17 lutego 1985 roku w Milanówku. Tytuł inżyniera Elektroniki i Telekomunikacji, a następnie magistra inżyniera na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej uzyskał kolejno w roku 2008 i 2010. Ponadto tytuł inżyniera Informatyki na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej uzyskał w roku 2011.

Szymon Panecki jest doświadczonym elektronikiem-konstruktorem, który w trakcie swojej zawodowej kariery koncentruje się na definiowaniu i projektowaniu (zarówno w warstwie sprzętowej jak i programowej) systemów wbudowanych opartych na mikrokontrolerach z rdzeniem ARM od różnych producentów, w tym przede wszystkim Infineon Technologies (rodzina XMC1000 i XMC4000), STMicroelectronics (STM32 i STR7), Freescale Semiconductor (Kinetis L) oraz Silicon Labs (EFM32 i Precision32). Obszarem jego szczególnego zainteresowania są systemy wykorzystujące czujniki środowiskowe (wilgotności, ciśnienia, temperatury) oraz przemysłowe i motoryzacyjne interfejsy komunikacyjne, głównie CAN.

Szymon Panecki od wielu lat współpracuje z czasopismem “Elektronika Praktyczna” oraz portalem Mikrokontroler.pl, na łamach których publikuje liczne artykuły dotyczące swoich projektów, jak również nowości produktowych firm z branży półprzewodnikowej.