Posted By 陸向陽 on 2 月 11, 2018 in Micro:bit, 綜論, 開放硬體, 開發主板 | 4 comments

作者：陸向陽

老實說，Micro:bit系統板的硬體相對簡單，Micro:bit的主要技術含量多數在軟體層面，這點與ESP8266晶片的系統板相類似，兩者均因為硬體的相對簡單化、平價化，許多人入手硬體後，開始為它們貢獻各種高度包裝、簡化的軟體開發法，因而走紅。

Micro:bit硬體元件組成（圖片來源）

雖然如此，但許多人還是可能好奇Micro:bit的硬體層面，為了滿足這樣的好奇，筆者也就嘗試這樣的探索，並把探索心得在此文中分享。

主控晶片

Micro:bit的主控晶片是挪威Nordic Semiconductor公司的nRF51822，其實是顆低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy, BLE）的無線通訊收發器晶片，在一般的系統設計上這顆晶片多是扮演從屬（slave）的角色，將無線收發訊息傳遞給系統上的主控晶片（host），但在Micro:bit上它就是個主控晶片，有點「蜀中無大將，廖化當先鋒」的感覺。

nRF51822晶片只有16KB的RAM、128KB的ROM，官方的資料顯示，此晶片的主要想定應用是藍牙滑鼠/鍵盤/觸控板、遊戲或家電遙控器、智慧手環、Beacon等。nRF51822在Micro:bit上至少要執行三件事，一是藍牙的通訊協定堆疊，二是作業系統程式（根基於ARM主導的mbed OS），三是使用者（user/developer）開發並載入的應用程式。

nRF51822晶片本身也有GPIO、PWM、I2C、ADC等功能，其中Micro:bit上的加速度感測器、磁阻感測器即是透過I2C介面與nRF51822晶片連接。

從屬晶片

Micro:bit有一個真正扮演從屬角色的晶片，是美國Freescale（已由荷蘭NXP購併）的Kinetis KL26微控制器晶片，這顆晶片受nRF51822所控管，而它提供整個Micro:bit系統板兩個主要作用，一是運作電壓調節，另一是USB介面傳輸的仲介。

Micro:bit是透過Micro USB連接器取得運作電力，但電壓為5V，主控晶片nRF51822最高只能承受3.6V，無福消受5V，所以是由KL26充當電壓調節器，透過KL26轉成3.3V，再供系統板上各部位取用電力，最大可供應120mA電流，這一供電線路上也有裝設瞬態電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor, TVS）以好避免靜電放電（ElectroStatic Discharge, ESD）可能造成的破壞與影響。

嚴格來說，Micro:bit有三處取得電力的來源，Micro USB是一處，也可透過電池連接器（battery connector）或端緣接腳連接器（edge connector，Micro:bit上的特有詞，因為Micro:bit系統板在電路板的邊緣設置一排接腳，這個邊緣就稱之為edge）來取得，且透過二極體對供電來源進行切換，避免某一處供電來源對其他供電來源進行供電，避免錯誤。

另一功用是傳輸仲介，Micro:bit接上電腦後，在電腦上開發好的程式要傳到Micro:bit上，是先透過Micro USB連接器連到KL26，而後KL26再將程式傳給nRF51822，反之亦然。

在Micro:bit的官方網頁上，主控晶片也稱為應用程式處理器，因為使用者/開發者開發出的應用程式是由主控晶片所執行（多數系統均如此設計），而從屬的KL26也因其作用而被稱為介面處理器，此處所言的介面正是指USB/Micro USB介面。

有趣的是，通常系統板上是以運算力最強的晶片充當主控晶片，因為該晶片最有效能餘裕掌控與協調系統全局，但在Micro:bit上卻不是，KL26無論在核心、核心頻率、記憶體資源等各方面都高過nRF51822，但卻只用來供電與USB介面仲介，KL26的GPIO與相關週邊電路均沒派上用場。

另外，KL26支援USB 2.0與OTG（On-The-Go），而且支援USB Mass Storage Device的類別（class），所以接上電腦後可以在「我的電腦」裡看到一個新加入的USB隨身碟，其實就是指Micro:bit系統板。

三個按鈕

Micro:bit上有三個按鈕，兩個可讓使用者/開發者自行定義（A鈕、B鈕），還有一個是重新開機的重置（Reset, RST）鈕，這點比樹莓派（Raspberry Pi, RPi）有誠意，樹莓派設計者受訪時曾表示，為了節省空間、成本，沒給樹莓派設計重新開機按鈕，想重新開機必須「自己拔除電源後再重新接上電源」，一律是冷開機（重新供電）而非暖開機（持續供電只要求軟體層面重新開機）。

5×5 LED

Micro:bit硬體規格簡單，無法連接高解析度、繽紛色彩的顯示器，只有5×5矩陣發光二極體（Light-Emitting diode, LED）充當顯示器。不過Micro:bit在實際電路上並不是用5×5的方式來驅動顯示，而是用9×3（9行x3列），其中第二列的第八行、第九行沒有使用。

5×5顯示是由nRF51822以軟體執行方式，不斷對接腳進行多工操作來實現的，而5×5所用及的接腳，其實也可以在邊緣連接器上找到，若期望動用這些接腳，本來的5×5顯示功能就必須關閉才行。

更厲害的是，Micro:bit系統板上並沒有設置專屬的亮度感測器，而是由5×5驅動的軟體來達到近接光感測的效果，這一神奇作法可參考此處的說明：https://lancaster-university.github.io/microbit-docs/extras/light-sensing/

類似的，Micro:bit也沒有設置專屬的溫度感測器，也是用特殊手法實現，網址如下：https://www.microbit.co.uk/functions/temperature

慣性感測器

慣性感測器泛指加速度感測器、陀螺儀、磁阻感測器（也稱地磁感測器或數位指南針），Micro:bit沒有陀螺儀，所以角加速度的感測比較缺乏，但另兩項仍是有的，加速度感測器使用NXP的3軸MMA8653，磁阻感測器則是NXP的3軸MAG3110。

磁阻感測器一般用來偵測南北極方位，這也是今日「各位手機打開地圖App後，左轉右轉手機，地圖也就跟著左轉右轉方位」的道理所在，不過磁阻感測器也常受環境影響，碰到附近有大電力的馬達、高壓電塔等就會偏差，所以需要時時校正，但也因為這個敏感的特性，Micro:bit強調它有金屬感測能力，金屬東西靠近Micro:bit時可以得知。

Micro:bit的邊緣接腳圖。（圖片來源：Microbit.org）

其他

其他就相當細碎了，前述的TVS其實是Nexperia（NXP在2017年2月分立出的公司）的PRTR5V0U2F/K，另也用上Infineon的BAT60A蕭特基二極體（即前述避免供電來源錯誤的設置），連接電池供電的連接器，是使用JST（Japan Solderless Terminals）公司的S2B-PH-SM4-TB等。

（責任編輯：葉于甄）

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陸向陽

從電子科系畢業後，即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色，並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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