Micro:bit 硬件架構介紹


Micro:bit做為當紅的少兒編程工具,這兩年在編程教育領域越來越火。今天就從硬件架構開始,分享Micro:bit的相關主題。

Microbit 硬件設計是根據ARM mbed技術所開發的應用IC及相干周邊功能所設計出來的!另外有一顆接口IC 用來處理USB 接口及拖拉式核心軟件更新法.這接口IC 並未用來鏈接任何周邊.

兩部分關鍵信息可以一窺Microbit 的內部設計:

·        線路圖(schematics,http://tech.microbit.org/hardware/schematic/ ), 可以看到主要零件的鏈接方式及設計.

·        參考設計及相關模塊數據(referencedesign,

http://tech.microbit.org/hardware/reference-design/ ), 這部分的數據可以幫助進一步了解Microbit 的設計及變動性

 

硬件相關說明

nRF51 應用處理器IC

 nRF51 應用處理器IC是讓使用者作主要程控的處理器,完整的程序包含了用戶客制及中介層(runtime) 及藍芽協議層(Stack),(譯者注:瀏覽器編譯環境會在用戶程序寫完同時,將這三部分整合完成) 一旦用戶將完整程序(HEX 文件)放在USB 閃存根目錄上,處理器便會直接執行程序代碼。使用者也可對連接在這處理器上的GPIO去做控制. 也可透過2.4GHz 無線去做相關周邊的控制.

項目

說明

Model

Nordic nRF51822-QFAA-R rev 3

Core variant

ARM Cortex-M0 32 bit processor

Flash ROM

256KB

RAM

16KB

Speed

16MHz

Debug

SWD, jlink/OB

More Info

http://tech.microbit.org/software/

 

藍芽通訊

板子上2.4G無線相關設計提供了對手機平板的藍芽通訊功能

項目

說明

Stack

Bluetooth 4.1 with Bluetooth low energy

Band

2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and  Medical) 2.4GHz..2.41GHz

Channels

50 2MHz channels, only 40 used (0 to 39),  3 advertising channels (37,38,39)

Sensitivity

-93dBm in Bluetooth low energy mode

Tx Power

-20dBM to 4dBm in 4 dB steps

Role

GAP Peripheral

Congestion avoidance

Adaptive Frequency Hopping

Profiles

https://lancaster-university.github.io/microbit-docs/ble/profile/

More Info

http://tech.microbit.org/bluetooth/

 

無線通信

板子上2.4G無線相關設計提供另外的無線通信協議(Nordic Gazell),這通訊協議已經在不同的程序語言環境可以直接使用,並且可以在多個microbit 裝置中互相傳遞並且群組化(group code ).

項目

說明

Protocol

Nordic Gazell

Freq band

2.4GHz

Channel rate

1Mbps or 2Mbps

Encryption

None

Channels

101 (0..100)

Group codes

255

Tx power

Eight user configurable settings from  0(-30dbm) to 7 (+4dbm)

Payload size

32 (standard) 255 (if reconfigured)

More Info

https://lancaster-university.github.io/microbit-docs/ubit/radio/

 

按鍵

Microbit 正面有兩個按鈕,背面有一個。背面的按鍵連接至KL26 接口IC及 nRF51 處理器做系統重制用(reset)

正面的按鍵A 、 B 是可以由使用者去做程控包括了短壓、長壓或是A、B同時按,按鍵A、B 均連接至金手指(edge connector)上的GPIO ,加上電路設計可以做logic 0 或 1值的操作.

項目

說明

Type

2 tactile user buttons, 1 tactile system  button

Debounce

(A & B) software debounced, 54ms  period

Pullup

(A & B) external 4K7, (System) 10K

 

顯示

在板子上有5x5 數組LEDs.做為顯示屏,microbit  是以3x9 數組電路去控制它.並用很高的速度去刷新它。

項目

說明

Type

minature surface mount red LED

Physical structure

5x5 matrix

Electrical structure

3x9

Intensity control

10 steps

Intensity range

TBC

Sensing

ambient light estimation via software  algorithm

Sensing Range

TBC, 10 levels from off to full on

Colour sensitivity

red centric, red is 700nm

 

重力傳感器(加速度傳感器)

重力傳感器是經由I2C 跟處理器連結,並提供了三軸的感應數據並包含了手勢感測的算法 (like : fall detection, logo-up, logo-down, shake)

項目

說明

Model

Freescale MMA8653FC

Features

3 axis, 2/4/8g ranges

Resolution

10 bits (0..1023)

Max output data rate

800Hz

On board gestures

‘freefall’

Other gestures

Other gestures are implemented by  software algorithms in the runtime.

 

磁力傳感器

磁力傳感器也是透過I2C 跟處理器連結,提供了磁力感測數值,並提供指南針功能,(The compass must be calibrated before use, and the calibrationprocess is automatically initiated by the runtime software –譯者對這段有些疑慮,暫不翻譯)

項目

說明

Model

Freescale MAG3110

Max update rate

80Hz

Full Scale range

1000uT

Sensitivity

0.10uT

 

溫度感測

nRF51 處理器提供了板子上的實時溫度感測(Runtime ambient temperature sensing ).

項目

說明

Type

on-core nRF51

Sensing range

-25C .. 75C

Resolution

0.25C steps

Accuracy

+/-4C (uncalibrated)

More Info

https://lancaster-university.github.io/microbit-docs/ubit/thermometer/

 

數字輸入輸出(GPIO)

金手指 (edge connector) 上有許多 GPIO 。處理器上有許多的多任務訊號針腳(pin define),有些已經設定成GPIO 功能連接至金手指,如何進一步使用這些針腳請參閱 (nRF51 data sheet)

項目

說明

Rings

3 large IO rings and two large power  rings, 4mm plug and crocodile clip compatible

GPIO features

19 assignable GPIO pins

 

2 are assigned to the on board I2C  interface

 

6 are used for display or light sensing  feature

 

2 are used for on board button detection

 

1 is reserved for an accessibility  interface

 

19 may be assigned as digital input or  digital output

 

19 may be assigned for up to 3  simultaneous PWM channels

 

19 may be assigned for 1 serial transmit  and 1 serial receive channel

 

6 may be assigned as analog input pins

 

3 may be assigned to an optional SPI  communications interface

 

3 may be assigned for up to 3 simultaneous  touch sensing inputs

ADC resolution

10 bit (0..1023)

Edge Connector

http://tech.microbit.org/hardware/edgeconnector_ds/

Pitch

1.27mm, 80 way double sided.

Pads

5 pads, with 4mm holes

More Info

http://tech.microbit.org/hardware/edgeconnector/

 

電力供應

給microbit的電力,主要是由接口IC透過USB 提供,亦可由電池盒連接器提供,在金手指上亦有電力供應的功能,需要熟悉電路設計的人操作.

項目

說明

Operating range

1.8V .. 3.6V

USB current

120mA max

Onboard Peripherals budget

30mA

Battery connector

JST X2B-PH-SM4-TB

Battery current

TBC

Max current provided via edge connector

90mA

More Info

http://tech.microbit.org/hardware/powersupply/

 

界面

這接口IC提供USB鏈接功能、拖拉式程序刷新(drag and drop flash program)及跟主計算機做序列通訊(serialcommunication) .

項目

說明

Model

Freescale MKL26Z128VFM4

Core variant:

ARM Cortex-M0+

Flash ROM

32KB

RAM

4KB

Speed

16MHz

Debug capabilities

SWD

More info

http://tech.microbit.org/software/daplink-interface/

 

USB通訊

項目

說明

Connector

USB micro, MOLEX_47346-0001

USB version

1.1 Full Speed device

Speed

12Mbit/sec

USB classes supported

Mass Storage Class (MSC)

 

Communications Device Class (CDC)

 

機構

我們有提供2D 跟3D CAD 圖文件,這些資料可以用來提供3D printing 的生產制造的圖文件數據.

項目

說明

Dimensions

5cm(w) 4cm(h)

Weight

5g

 原文鏈接

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0MTg0ODIzNA==&mid=2247483907&idx=3&sn=bef5bb1d947ac09c6355114c78abadef&chksm=fb22e5c6cc556cd090116d3e53dcea9d99b94d27e5fd1d960bfe50399d782ad685bbc2823093#rd

 


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