代码收藏家技术教程 2025-02-12

STMicroelectronics 系列：STM32WB 系列_（7）.STM32WB系列无线通信技术

STM32WB系列无线通信技术

无线通信概述

无线通信技术在现代物联网（IoT）应用中扮演着至关重要的角色。STM32WB系列单片机集成了多种无线通信协议，包括Bluetooth Low Energy (BLE) 和802.15.4（包括Zigbee和Thread）。这一节将详细介绍STM32WB系列单片机的无线通信功能，包括其硬件架构、软件栈、配置方法和实际应用示例。

硬件架构

STM32WB系列单片机采用双核架构，包含一个主控核心和一个无线核心。主控核心基于ARM Cortex-M4，负责处理应用层逻辑；无线核心基于ARM Cortex-M0+，专门处理无线通信协议栈。这种架构设计使得无线通信任务和应用任务可以并行处理，提高了系统的整体性能。

主控核心（Cortex-M4）

处理能力：主控核心具有强大的处理能力，支持浮点运算和DSP指令集，适用于复杂的应用逻辑。

外设接口：主控核心支持多种外设接口，包括USB、SPI、I2C、UART等，便于与其他设备进行通信。

内存资源：主控核心拥有丰富的内存资源，包括Flash和SRAM，满足不同应用的需求。

无线核心（Cortex-M0+）

无线协议栈：无线核心集成了Bluetooth Low Energy (BLE) 和802.15.4协议栈，支持多种无线通信协议。

RF模块：RF模块支持2.4GHz频段，具有低功耗和高可靠性特点。

资源隔离：无线核心与主控核心之间通过专用的DMA和中断管理机制进行资源隔离，确保无线通信的稳定性和安全性。

软件栈

STM32WB系列单片机提供了丰富的软件栈，包括STM32CubeMX、STM32CubeFirmwarePackage、STM32CubeIDE和各种中间件，这些工具和库大大简化了无线通信应用的开发过程。

STM32CubeMX

STM32CubeMX是一款图形化配置工具，用于初始化STM32WB的硬件配置。通过STM32CubeMX，开发者可以轻松选择所需的外设和通信协议，并生成初始化代码。

示例：使用STM32CubeMX配置无线通信

打开STM32CubeMX：
启动STM32CubeMX软件，选择STM32WB系列单片机。
配置无线通信：
在“Connectivity”标签下，选择“Bluetooth”和“802.15.4”。
配置所需的参数，如通信模式、数据速率等。
生成代码：
完成配置后，点击“Project” -> “Generate Code”，生成初始化代码。


// STM32CubeMX生成的初始化代码示例

void SystemClock_Config(void) {

    // 配置系统时钟

    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};

    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};



    // 初始化Oscillator

    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;

    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 4;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 168;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;

    if (HAL_RCC_OscInit(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }



    // 初始化Clock

    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;

    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;

    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;

    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;

    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }

}

STM32CubeFirmwarePackage

STM32CubeFirmwarePackage提供了丰富的外设驱动和中间件，支持多种无线通信协议。通过这些库，开发者可以快速实现无线通信功能。

示例：使用STM32CubeFirmwarePackage实现BLE通信

初始化BLE：
使用Ble_Init()函数初始化BLE模块。


// 初始化BLE模块

void Ble_Init(void) {

    // 初始化BLE堆栈

    BLE_InitTypeDef ble_init;

    memset(&ble_init, 0, sizeof(BLE_InitTypeDef));

    ble_init.p_Ble_Config = &ble_config;

    ble_init.p_Ble_Events = &ble_events;

    ble_init.p_Ble_Security = &ble_security;

    if (Ble_Stack_Init(&ble_init) != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }



    // 启动BLE

    if (Ble_Start() != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

配置BLE服务和特征：
使用Ble_Add_Service()和Ble_Add_Characteristic()函数配置BLE服务和特征。


// 配置BLE服务

void Ble_Config_Service(void) {

    BLE_ServiceTypeDef service;

    memset(&service, 0, sizeof(BLE_ServiceTypeDef));

    service.UUID = BLE_UUID_128;

    service.p_UUID = (uint8_t *)my_service_uuid;

    service.p_Service_Name = "MyService";



    if (Ble_Add_Service(&service) != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}



// 配置BLE特征

void Ble_Config_Characteristic(void) {

    BLE_CharacteristicTypeDef characteristic;

    memset(&characteristic, 0, sizeof(BLE_CharacteristicTypeDef));

    characteristic.UUID = BLE_UUID_128;

    characteristic.p_UUID = (uint8_t *)my_characteristic_uuid;

    characteristic.p_Char_Name = "MyCharacteristic";

    characteristic.p_Char_Value = (uint8_t *)my_char_value;

    characteristic.Char_Value_Length = sizeof(my_char_value);

    characteristic.Char_Properties = BLE_CHAR_PROP_NOTIFY | BLE_CHAR_PROP_READ | BLE_CHAR_PROP_WRITE;



    if (Ble_Add_Characteristic(&characteristic) != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

处理BLE事件：
使用Ble_Process_Events()函数处理BLE事件。


// 处理BLE事件

void Ble_Process_Events(void) {

    BLE_EventTypeDef event;

    while (Ble_Get_Event(&event) == BLE_SUCCESS) {

        switch (event.Event_Type) {

            case BLE_EVENT_CONNECTED:

                // 处理连接事件

                break;

            case BLE_EVENT_DISCONNECTED:

                // 处理断开事件

                break;

            case BLE_EVENT_DATA_RECEIVED:

                // 处理接收到的数据

                break;

            case BLE_EVENT_DATA_SENT:

                // 处理发送的数据

                break;

            default:

                break;

        }

    }

}

无线通信配置方法

配置STM32WB系列单片机的无线通信功能需要遵循一定的步骤，包括硬件配置、软件初始化和协议栈配置。

硬件配置

电源管理：
确保单片机的电源稳定，满足无线通信模块的供电要求。
天线连接：
连接合适的天线，确保无线信号的传输和接收。
外部晶振：
配置外部晶振，确保系统的时钟精度。

软件初始化

系统时钟：
配置系统时钟，确保主控核心和无线核心的时钟同步。


// 配置系统时钟

void SystemClock_Config(void) {

    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};

    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};



    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;

    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 4;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 168;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;

    if (HAL_RCC_OscInit(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }



    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;

    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;

    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;

    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;

    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }

}

RF模块：
初始化RF模块，配置无线通信参数。


// 初始化RF模块

void RF_Init(void) {

    RF_ConfigTypeDef rf_config;

    memset(&rf_config, 0, sizeof(RF_ConfigTypeDef));

    rf_config.Channel = 24;

    rf_config.DataRate = RF_DATARATE_1MBPS;

    rf_config.Modulation = RF_MODULATION_GFSK;



    if (RF_Init(&rf_config) != RF_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

协议栈配置

BLE配置：
配置BLE参数，包括广播间隔、连接参数等。


// 配置BLE参数

void Ble_Config(void) {

    BLE_ConfigTypeDef ble_config;

    memset(&ble_config, 0, sizeof(BLE_ConfigTypeDef));

    ble_config.Advertising_Interval = 1000; // 广播间隔1000ms

    ble_config.Connection_Interval = 7.5;   // 连接间隔7.5ms

    ble_config.Connection_Latency = 0;      // 连接延迟0

    ble_config.Supervision_Timeout = 1000;   // 监督超时1000ms



    if (Ble_Config(&ble_config) != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

802.15.4配置：
配置802.15.4参数，包括频道、数据速率等。


// 配置802.15.4参数

void IEEE802154_Config(void) {

    IEEE802154_ConfigTypeDef ieee802154_config;

    memset(&ieee802154_config, 0, sizeof(IEEE802154_ConfigTypeDef));

    ieee802154_config.Channel = 26; // 频道26

    ieee802154_config.DataRate = IEEE802154_DATARATE_250KBPS; // 数据速率250kbps



    if (IEEE802154_Config(&ieee802154_config) != IEEE802154_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

实际应用示例

BLE应用示例

广播数据：
使用Ble_Start_Advertising()函数启动广播。


// 启动广播

void Ble_Start_Advertising(void) {

    if (Ble_Start_Advertising() != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

接收连接请求：
使用Ble_Process_Events()函数处理连接事件。


// 处理连接事件

void Ble_Process_Events(void) {

    BLE_EventTypeDef event;

    while (Ble_Get_Event(&event) == BLE_SUCCESS) {

        switch (event.Event_Type) {

            case BLE_EVENT_CONNECTED:

                // 处理连接事件

                printf("Connected to BLE device\n");

                break;

            case BLE_EVENT_DISCONNECTED:

                // 处理断开事件

                printf("Disconnected from BLE device\n");

                break;

            case BLE_EVENT_DATA_RECEIVED:

                // 处理接收到的数据

                printf("Data received: %s\n", event.p_Data);

                break;

            case BLE_EVENT_DATA_SENT:

                // 处理发送的数据

                printf("Data sent successfully\n");

                break;

            default:

                break;

        }

    }

}

802.15.4应用示例

发送数据：
使用IEEE802154_Send_Data()函数发送数据。


// 发送数据

void IEEE802154_Send_Data(uint8_t *data, uint16_t length) {

    if (IEEE802154_Send_Data(data, length) != IEEE802154_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

接收数据：
使用IEEE802154_Receive_Data()函数接收数据。


// 接收数据

void IEEE802154_Receive_Data(uint8_t *data, uint16_t *length) {

    if (IEEE802154_Receive_Data(data, length) != IEEE802154_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

    printf("Data received: %.*s\n", *length, data);

}

无线通信的调试和测试

调试和测试是确保无线通信功能正常工作的关键步骤。STM32WB系列单片机提供了多种调试工具，如STM32CubeMonitor-RF和BLE Scanner。

使用STM32CubeMonitor-RF

连接设备：
通过USB将STM32WB开发板连接到PC。
打开STM32CubeMonitor-RF软件，选择连接的设备。
监控RF模块：
在软件中选择监控的频道和参数，实时查看RF模块的传输和接收数据。

使用BLE Scanner

安装BLE Scanner：
在智能手机或PC上安装BLE Scanner应用。
扫描设备：
打开BLE Scanner，扫描周围的BLE设备。
选择扫描到的STM32WB设备，查看其广播数据和服务特征。

无线通信的安全性考量

无线通信的安全性是开发过程中不可忽视的问题。STM32WB系列单片机提供了多种安全机制，包括数据加密、身份验证和安全连接。

数据加密

配置加密密钥：
在Ble_Config()函数中配置加密密钥。


// 配置加密密钥

void Ble_Config(void) {

    BLE_ConfigTypeDef ble_config;

    memset(&ble_config, 0, sizeof(BLE_ConfigTypeDef));

    ble_config.Advertising_Interval = 1000; // 广播间隔1000ms

    ble_config.Connection_Interval = 7.5;   // 连接间隔7.5ms

    ble_config.Connection_Latency = 0;      // 连接延迟0

    ble_config.Supervision_Timeout = 1000;   // 监督超时1000ms

    ble_config.p_Encryption_Key = (uint8_t *)encryption_key; // 加密密钥



    if (Ble_Config(&ble_config) != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

启用加密：
使用Ble_Enable_Encryption()函数启用加密。


// 启用加密

void Ble_Enable_Encryption(void) {

    if (Ble_Enable_Encryption() != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

身份验证

配置身份验证参数：
在Ble_Config()函数中配置身份验证参数。


// 配置身份验证参数

void Ble_Config(void) {

    BLE_ConfigTypeDef ble_config;

    memset(&ble_config, 0, sizeof(BLE_ConfigTypeDef));

    ble_config.Advertising_Interval = 1000; // 广播间隔1000ms

    ble_config.Connection_Interval = 7.5;   // 连接间隔7.5ms

    ble_config.Connection_Latency = 0;      // 连接延迟0

    ble_config.Supervision_Timeout = 1000;   // 监督超时1000ms

    ble_config.p_Authentication_Data = (uint8_t *)authentication_data; // 身份验证数据



    if (Ble_Config(&ble_config) != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

启用身份验证：
使用Ble_Enable_Authentication()函数启用身份验证。


// 启用身份验证

void Ble_Enable_Authentication(void) {

    if (Ble_Enable_Authentication() != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

无线通信的功耗管理

功耗管理是无线通信应用中的重要考量因素。STM32WB系列单片机提供了多种低功耗模式，包括睡眠模式、深度睡眠模式和低功耗蓝牙模式。这些模式可以显著降低功耗，延长电池寿命，特别是在电池供电的应用中。

睡眠模式

睡眠模式是一种低功耗模式，其中CPU停止运行，但RAM和其他外设保持运行状态。这种模式适用于需要快速唤醒并继续处理任务的场景。

进入睡眠模式：
使用HAL_PWR_EnterSLEEPMode()函数进入睡眠模式。


// 进入睡眠模式

void Enter_Sleep_Mode(void) {

    HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);

}

唤醒睡眠模式：
使用外部中断或定时器中断唤醒睡眠模式。


// 唤醒睡眠模式

void EXTI1_IRQHandler(void) {

    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_1);

}



void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {

    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_1) {

        // 唤醒处理

        printf("Waking up from sleep mode\n");

    }

}

深度睡眠模式

深度睡眠模式是一种更低功耗的模式，其中CPU和大多数外设都停止运行，只有RTC和某些外设保持运行状态。这种模式适用于长时间不需要处理任务的场景。

进入深度睡眠模式：
使用HAL_PWR_EnterSTOPMode()函数进入深度睡眠模式。


// 进入深度睡眠模式

void Enter_Deep_Sleep_Mode(void) {

    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);

}

唤醒深度睡眠模式：
使用RTC中断或外部中断唤醒深度睡眠模式。


// 唤醒深度睡眠模式

void RTC_IRQHandler(void) {

    HAL_RTCEx_WakeUpTimerIRQHandler(&hrtc);

}



void HAL_RTCEx_WakeUpTimerIRQHandler(RTC_HandleTypeDef *hrtc) {

    HAL_RTCEx_ClearFlags(hrtc, RTC_FLAG_WUTF);

    // 唤醒处理

    printf("Waking up from deep sleep mode\n");

}



void EXTI1_IRQHandler(void) {

    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_1);

}



void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {

    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_1) {

        // 唤醒处理

        printf("Waking up from deep sleep mode\n");

    }

}

低功耗蓝牙模式

低功耗蓝牙（BLE）模式是一种专门针对低功耗应用的无线通信模式。在BLE模式下，设备可以进入低功耗状态，同时保持无线连接。

配置低功耗蓝牙模式：
在Ble_Config()函数中配置低功耗蓝牙参数。


// 配置低功耗蓝牙参数

void Ble_Config(void) {

    BLE_ConfigTypeDef ble_config;

    memset(&ble_config, 0, sizeof(BLE_ConfigTypeDef));

    ble_config.Advertising_Interval = 1000; // 广播间隔1000ms

    ble_config.Connection_Interval = 7.5;   // 连接间隔7.5ms

    ble_config.Connection_Latency = 0;      // 连接延迟0

    ble_config.Supervision_Timeout = 1000;   // 监督超时1000ms

    ble_config.p_Encryption_Key = (uint8_t *)encryption_key; // 加密密钥

    ble_config.p_Authentication_Data = (uint8_t *)authentication_data; // 身份验证数据

    ble_config.Low_Power_Mode = BLE_LOW_POWER_MODE_ON; // 启用低功耗模式



    if (Ble_Config(&ble_config) != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

进入低功耗蓝牙模式：
使用Ble_Enter_Low_Power_Mode()函数进入低功耗蓝牙模式。


// 进入低功耗蓝牙模式

void Ble_Enter_Low_Power_Mode(void) {

    if (Ble_Enter_Low_Power_Mode() != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

无线通信的优化和性能提升

为了提高无线通信的性能和稳定性，开发过程中可以采取一些优化措施。这些措施包括优化代码、选择合适的通信参数、减少功耗等。

优化代码

减少不必要的中断：
优化中断处理函数，减少不必要的中断和处理时间。


// 优化中断处理函数

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {

    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_1) {

        // 响应必要的中断

        printf("Interrupt received\n");

    }

}

使用DMA传输数据：
使用DMA进行数据传输，减少CPU的负担，提高传输效率。


// 使用DMA传输数据

void Send_Data_DMA(uint8_t *data, uint16_t length) {

    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, data, length);

}

选择合适的通信参数

调整广播间隔：
根据应用需求调整广播间隔，平衡功耗和响应时间。


// 调整广播间隔

void Ble_Config(void) {

    BLE_ConfigTypeDef ble_config;

    memset(&ble_config, 0, sizeof(BLE_ConfigTypeDef));

    ble_config.Advertising_Interval = 500; // 广播间隔500ms



    if (Ble_Config(&ble_config) != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

调整连接参数：
根据应用需求调整连接参数，确保连接的稳定性和可靠性。


// 调整连接参数

void Ble_Config(void) {

    BLE_ConfigTypeDef ble_config;

    memset(&ble_config, 0, sizeof(BLE_ConfigTypeDef));

    ble_config.Connection_Interval = 15; // 连接间隔15ms

    ble_config.Connection_Latency = 2;   // 连接延迟2



    if (Ble_Config(&ble_config) != BLE_SUCCESS) {

        Error_Handler();

    }

}

总结

STM32WB系列单片机集成了强大的无线通信功能，支持Bluetooth Low Energy (BLE) 和802.15.4（包括Zigbee和Thread）等多种无线通信协议。通过合理的硬件配置、软件初始化和协议栈配置，开发者可以轻松实现复杂的应用逻辑。此外，STM32WB还提供了多种低功耗模式和安全机制，确保应用的稳定性和安全性。希望本文档能帮助开发者更好地理解和使用STM32WB系列单片机的无线通信功能。

作者：kkchenkx

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