Micro:bitのハードウエア解説

Post Time: 2018-09-06 18:09:23 Category: Micro:bit Basic Tutorial

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SKU:2018007400

概要

micro:bitのハードウェアをはじめよう

micro:bitのハードウェアは、ARM-mbedプラットフォームがベースになっています。オンチップのペリフェラルを多数搭載したアプリケーションプロセッサを備えています。このチップにはオフチップのペリフェラルも接続されています。アプリケーション・プロセッサに接続されたインターフェース・プロセッサは、USB上の通信を管理し、ドラッグ＆ドロップでコードをフラッシュするプロセスをサポートするのが仕事です。インターフェイスプロセッサーは、micro:bitのペリフェラルには一切接続しません。

micro:bitの内部を理解するのに役立つ2つの重要な情報があります：

回路図：デバイスの詳細なコンポーネントデータと接続性を示しています。
リファレンスデザインは、互換性のあるmicro:bitの完全なモジュールデザインで、micro:bitを理解し、独自のバリエーションを設計することに興味がある人の出発点となるよう設計されています。

ハードウェアの説明

NRF51アプリケーション・プロセッサー

nRF51アプリケーション・プロセッサは、ユーザー・プログラムを実行する場所です。ユーザーコード、ランタイムコード、ブルートゥーススタックを含む単一の完全なアプリケーションは、オンチップフラッシュメモリから直接ロードして実行します。ユーザーがアクセスできるすべてのGPIOピンは、このプロセッサによって提供されます。オンボード2.4GHzラジオエンジンがあり、オフチップ空中線経由でBluetooth機能を提供するために使用されます。

アイテム	詳細
モデル	Nordic nRF51822-QFAA-R rev 3
コアバリアント	ARM Cortex-M0 32 bit processor
フラッシュROM	256KB
RAM	16KB
スピード	16MHz
Debug	SWD, jlink/OB
詳しくは	こちら

Bluetooth 無線通信

オンボードの2.4GHzトランシーバーは、完全修飾されたBluetooth low energyスタックを提供するNordic S110 SoftDeviceを介したBluetooth通信をサポートしています。これにより、micro:bitは、スマートフォンやタブレットを含む幅広いBluetoothデバイスと通信することができます。

アイテム	詳細
スタック	Bluetooth 4.1とBluetooth low energy
バンド	2.4GHz ISM（産業・科学・医療） 2.4GHz…2.41GHz
チャンネル数	50 2MHzチャンネル、40のみ使用（0～39）、広告3チャンネル（37、38、39）
感度	93dBm（Bluetooth low energyモード時
Tx Power	20dBM～4dBm（4 dBステップ）
役割	GAP ペリフェラル
輻輳回避	アダプティブ周波数ホッピング
プロフィール	BBC micro:bit プロフィール
詳細は	こちら

低レベル無線通信

オンボードの2.4GHzトランシーバーは、独自のNordic Gazellプロトコルを含む、他の多くの無線通信規格をサポートしています。このプロトコルは、他のmicro:bitデバイスなど、この独自プロトコルをサポートする他のデバイス間で、非常にシンプルなスモールパケット放送の無線インターフェイスを提供します。micro:bitの多くの言語に登場する「ラジオ」インターフェースは、このGazellプロトコルの上に構築されています。さらに、micro:bitランタイムソフトウェアは、各データペイロードに「グループコード」を追加し、ユーザーが管理する簡単なデバイスのアドレッシングとフィルタリングを行うことができるようにします。

アイテム	詳細
プロトコル	Nordic Gazell
周波数帯域	2.4GHz
チャンネルレート	1Mbps または 2Mbps
暗号化	None
チャンネル	101 (0..100)
グループコード	255
Tx power	0（-30dbm）～7（+4dbm）の範囲で8種類のユーザー設定が可能です
ペイロードサイズ	32（標準） 255（再設定した場合）
詳細は	こちら

ボタン

micro:bitの前面にある2つのボタンと、背面にある1つのボタンは、タクティカルモーメンタリプッシュトゥメイクボタンになっています。背面のボタンは、KL26インターフェースプロセッサと、システムリセット目的でnRF51プロセッサに接続されています。つまり、USBからの電源供給かバッテリーからの電源供給かに関係なく、アプリケーションはリセットされることになります。

フロントボタンAおよびBは、任意の目的のためにユーザーアプリケーションでプログラムすることができます。AおよびBはソフトウェアによってデバウンスされ、短押し、長押し、および「A+B両方」押しの検出も含まれます。ボタンは典型的な反転電気モードで動作し、プルアップ抵抗により、ボタンが離されたときに論理「1」、ボタンが押されたときに論理「0」を保証します。AボタンとBボタンの両方は、micro:bitエッジコネクタでもアクセス可能なGPIOピンに接続されています。

アイテム	詳細
タイプ	2触覚ユーザーボタン、1触覚システムボタン
デバウンス	（A、B）ソフトウェアデバウンス、54ms周期
プルアップ	（A、B）外部4K7、（システム）10K

ディスプレイ

ディスプレイはLEDの5×5配列です。micro:bitには3×9のマトリックスとして接続されています。ランタイムソフトウェアは、このマトリックスを高速で繰り返し更新し、ユーザーの視覚の持続範囲に収まるようにし、フリッカーを検出しないようにしています。このLEDマトリックスは、LED駆動ピンの一部を繰り返し入力に切り替え、周囲光レベルにほぼ比例する電圧減衰時間をサンプリングすることで、周囲光を感知するためにも使用されます。

アイテム	詳細
タイプ	小型表面実装赤色LED
物理構造	5×5マトリックス
電気構造	3×9
インテンシティコントロール	10段階
強度範囲	TBC
感知	ソフトウェアアルゴリズムによるセンシング環境光推定
検知範囲	TBC、オフからフルオンまで10段階
色感度	赤中心、赤は700nm

アクセルメータ

加速度センサーは、3軸のセンシングを行う別チップです。また、ハードウェアで一部のオンボードジェスチャー検知（転倒検知など）、ソフトウェアアルゴリズムによる追加ジェスチャー検知（ロゴアップ、ロゴダウン、シェイクなど）も備えています。I2Cバス経由でアプリケーションプロセッサーに接続されています。

項目	内容
モデル	Freescale MMA8653FC
特徴	3軸、2/4/8gレンジ
解像度	10ビット(0..1023)
最大出力データレート	800Hz
オンボードジェスチャー	‘freefall’
その他のジェスチャー	ランタイムのソフトウェアアルゴリズムによって実装される

マグネトメーター

磁力計は、磁場強度のセンシングを提供する別個のチップです。標準ランタイムのソフトウェアアルゴリズムは、オンボードの加速度計を使用して、これらの読み取り値をボード方向に依存しないコンパスの読み取り値に変換します。コンパスは使用前に較正する必要があり、較正プロセスはランタイムソフトウェアによって自動的に開始されます。このデバイスは、I2Cバスを介してアプリケーションプロセッサに接続されています。

項目	内容
モデル	Freescale MAG3110
最大更新レート	80Hz
フルスケール範囲	1000uT
感度	0.10uT

温度センサー

nRF51アプリケーション・プロセッサは、オンボードのコア温度センサを搭載しています。これは、標準ランタイムソフトウェアを介して公開され、周囲温度の推定値を提供します。

項目	内容
タイプ	on-core nRF51
検出範囲	-25C .. 75C
分解能	0.25C steps
精度	+/-4C (未校正)
詳しくは	こちら

汎用入出力端子

エッジコネクタは、アプリケーションプロセッサの多くのGPIO回路を引き出しています。これらの回路の一部はmicro:bitの他の機能と共有されていますが、一部のソフトウェア機能をオフにすれば、これらの余分な回路の多くは汎用的な用途に再割り当てすることができます。注：nRF51のデータシートでは、GPIOピンは標準駆動（0.5mA）および高駆動（5mA）モードにすることができ、一度に最大3つのピンが高駆動モードになると記載されています。

項目	詳細
リング	大型IOリング3個、大型パワーリング2個、4mmプラグ、クロコダイルクリップ対応
GPIO機能	19個のGPIOピンが割り当て可能
	2がオンボードI2Cインターフェースに割り当てられる
	6個は表示または光検知機能に使用されます。
	2はオンボードボタン検出用に使用
	1はアクセシビリティインタフェースのために予約されています
	19は、デジタル入力またはデジタル出力として割り当てることができます。
	19は最大3つの同時PWMチャンネルに割り当てることができます。
	19は、1つのシリアル送信チャンネルと1つのシリアル受信チャンネルに割り当てることができます
	6をアナログ入力端子として割り当てることができます
	3はオプションのSPI通信インターフェースに割り当てることができる
	3つのタッチセンシング入力は同時に3つまで割り当てることができます
ADC分解能	10ビット（0…1023）
Edge Connector	エッジコネクターデータシート
ピッチ	1.27mm、80ウェイ両面
パッド	パッド5枚、4mmホール付き
詳しくは	こちら

電源

micro:bitへの電源供給は、USB接続、インターフェースチップ（オンボードレギュレータを搭載）、または上部のコネクタに接続されたバッテリーから行うことができます。また、底面の3Vパッドからmicro:bitに電源を供給することも可能です（注意が必要です）。底面の3Vパッドは、外部回路に少量の電力を供給するために使用することができます。

項目	詳細
動作範囲	1.8V .. 3.6V
USB電流	120mA 以下
オンボードペリフェラルバジェット	30mA
バッテリーコネクター	JST X2B-PH-SM4-TB
バッテリー電流	TBC
エッジコネクタから供給される最大電流	90mA
詳しくは	こちら

インターフェイス

インターフェースチップはUSB接続を処理し、micro:bitに新しいコードをフラッシュしたり、メインコンピューターとシリアルデータを送受信するために使用されます。

項目	詳細
モデル	Freescale MKL26Z128VFM4
コアバリアント	ARM Cortex-M0+
Flash ROM	128KB
RAM	16KB
スピード	16MHz
デバッグ機能	SWD
詳細は	こちら

USBコミュニケーションズ

micro:bitは、インターフェースチップのファームウェアに組み込まれたオンボードUSB通信スタックを搭載しています。このスタックにより、アプリケーションプロセッサにコードをロードするために、MICROBITドライブにファイルをドラッグ＆ドロップする機能が提供されます。また、micro:bitアプリケーションプロセッサと外部ホストコンピュータとの間でUSBを介してシリアルデータをストリーミングすることができ、アプリケーションプログラムのホストデバッグのためのCMSIS-DAPプロトコルをサポートしています。

項目	詳細
コネクタ	USBマイクロ、MOLEX_47346-0001
USBバージョン	1.1フルスピードデバイス
速度	12Mbit/sec
対応USBクラスマスストレージクラス	Mass Storage Class (MSC)
	Communications Device Class (CDC)
詳しくは	こちら

デバッギング

インターフェイスプロセッサーは、アプリケーションプロセッサー上で実行されているコードをデバッグするために、特別なホストツールと共に使用することができます。これは、4本の信号線を介してアプリケーションプロセッサに接続されます。KL26インタフェース・プロセッサのコードは、内蔵のSWDソフトウェア・デバッグ・インタフェースを介してデバッグすることもできます。例えば、製造時にこのプロセッサに初期ブートローダ・コードをロードしたり、失われたブートローダを回復したりするために使用します。