Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Lernen Sie das BBC Micro: Bit kennen

Schauen Sie sich das micro: bit an, ein ziemlich beeindruckendes kleines Gerät, und sehen Sie, was sich auf seiner kleinen Oberfläche (4,5 × 5 cm) befindet - es wird von der BBC in etwa halb so groß wie eine Kreditkarte berechnet ). Normalerweise führe ich neue Benutzer mit einem solchen Gerät ein, indem ich jede Komponente einzeln nacheinander prüfe und im Uhrzeigersinn um die Platine gehe. Dies scheint ein durchaus vernünftiger Weg zu sein. Ich bezeichne die Seite des micro: bit mit dem USB-Stromanschluss und dem micro: bit-Logo als Rückseite und die Seite mit den LEDs und den beiden Drucktasten als Vorderseite (Abbildungen A und B).

Beginnen wir mit der Rückseite

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Beitrag wurde von Wolf Donats neuem Make: book übernommen, Erste Schritte mit dem micro: bit.

An der Rückseite (12-Uhr-Position) auf der Rückseite befindet sich ein Standard-USB-Micro-Port (kein USB-Mini-Port). Wenn Sie das micro: bit an Ihren Computer anschließen, wird der Port sowohl für die Stromversorgung der Karte als auch für die Datenübertragung von Ihrem Computer verwendet. Die Karte benötigt zum Betrieb 3,3V. USB bietet eine Spannung von ca. 5V, sodass die Eingangsspannung mit einem Regler auf einen Pegel abgesenkt wird, den die Karte verwenden kann, wenn sie von Ihrem Computer mit Strom versorgt wird.

Beachten Sie jedoch, dass dieser Port weder für die Stromversorgung noch für die Datenübertragung erforderlich ist. Sie können das micro: bit mit einem Akku betreiben, und Sie können Programme über Bluetooth und ein Bluetooth-fähiges Gerät wie ein Smartphone oder einen Laptop auf die Karte laden (auch als Blinken der Karte bezeichnet). Dies kann sich als nützlich erweisen, wenn Sie Ihr micro: bit an einem unzugänglichen Ort installieren, wie z. B. einer Projektbox, oder tief in einer Elektronik- und Verkabelungsladung stecken. Sie können das Board mit einem neuen Programm blinken lassen, indem Sie nur wenige Meter davon kommen.

Die LEDs

Direkt neben dem USB-Anschluss befindet sich vor dem Druckknopf eine kleine gelbe LED, die Sie wahrscheinlich erst bemerken würden, wenn Sie das Gerät an den Computer anschließen. Es handelt sich um eine Status-LED, deren Zweck es ist, den Benutzer lediglich darüber zu informieren, dass das micro: bit etwas tut, egal ob es ein Programm lädt oder Daten sendet.

Neben dem USB-Anschluss und der Status-LED befindet sich eine Drucktaste, die als Reset-Taste dient. Wenn die Karte ein Programm an Bord hat und ausgeführt wird, wird sie durch Drücken dieser Taste auf den Start des Programms zurückgesetzt, als ob die Karte aus- und wieder eingeschaltet worden wäre. Diese Schaltfläche kann vom Benutzer nicht programmiert werden. es ist nur als Reset-Taste fest codiert. Wenn Sie mit einem Arduino herumgespielt haben, sind Sie mit dem Konzept dieser Schaltfläche und ihrer Verwendung vertraut. Es ist hilfreich, wenn Ihre Karte einfriert, wenn Sie ein Programm aus irgendeinem Grund neu starten müssen oder wenn Sie die Karte nur auf die zuletzt als bekannt bekannte Konfiguration zurücksetzen müssen.

Konnektivität

Neben der Reset-Taste befindet sich ein weiterer Stromanschluss. Dieser Anschluss verfügt über zwei Pins, an denen Sie eine externe Stromquelle anschließen, wenn Sie das Gerät nicht über USB mit Strom versorgen. Das Basisgerät wird mit einem Akku geliefert, der zwei AAA-Batterien enthält. Die Molex-Buchse dieses Packs wird in die Steckerstifte dieses Steckers eingesteckt.

Wenn Sie im Uhrzeigersinn vorgehen, sehen Sie einen kleinen schwarzen integrierten Schaltkreis (IC), der etwas von der Kante der Platine zurückgesetzt ist (Abbildung C). Dies ist der USB-Controller, über den die CPU mit dem USB-Port kommunizieren kann. Es ist ein ARM Cortex-M0 + -Chip, der nicht nur die USB-Kommunikation ermöglicht, sondern auch die 5-V-Stromversorgung vom USB-Anschluss bis hinunter zu 3,3 V regelt, die das micro: bit betreiben muss. Der Regleranteil des Chips ist nicht erforderlich oder wird verwendet, wenn Sie Ihr Board mit Batterien versorgen.

Abbildung C. Der USB-Mikrocontroller

Nun kommen wir zum unteren Rand des Boards und dessen schlüsselförmigem Aussehen. Jeder dieser fünfundzwanzig einzelnen metallisierten „Streifen“ ist ein allgemeiner GPIO-Anschluss (Input / Output), auf den der Benutzer zugreifen kann. Es kann schwierig sein, wenn Sie keinen Randanschluss haben, aber die mit 0, 1, 2, 3V und GND (auf der Vorderseite der Platine) gekennzeichneten Pins sind leicht mit einem kleinen Krokodilklemme oder mit einem Stift zu erreichen ein Bananenstecker (Abbildung D).

Abbildung D. Einfache Verbindungen

Immer noch im Uhrzeigersinn, befindet sich direkt über den Stiften links der erste der Onboard-Sensoren, der Beschleunigungssensor. Bei diesem winzigen schwarzen IC handelt es sich um einen vollwertigen dreiachsigen Beschleunigungssensor von MMA8652 von Freescale, der mit dem Prozessor über das I2C-Protokoll kommuniziert. Es verfügt über eine Auflösung von 12 Bit und kommuniziert mit Datenraten von 1,56 Hz bis 800 Hz. Dies ist abhängig von Ihren Anforderungen und Ihrem Projekt. Nein, es ist keine professionelle neunachsige Inertial Measurement Unit (IMU), wie Sie sie zum Beispiel in vielen Drohnen-Autopiloten finden werden, aber drei Achsen sollten für die meisten einfachen micro: bit-Projekte ausreichend sein. Sie haben immer die Möglichkeit, über die GPIO-Pins einen leistungsstärkeren Sensor aufzurüsten und anzuschließen, falls Ihr Projekt dies erfordert.

Neben dem Beschleunigungsmesser befindet sich der andere Bordsensor, der Kompass / Magnetometer. Ähnlich wie der Beschleunigungssensor ist dieser IC ein dreiachsiges digitales Magnetometer von Freescale MAG3110. Es kann als Kompass oder Metalldetektor verwendet werden und kommuniziert wie der Beschleunigungssensor mit der CPU über den I2C-Bus. Es misst Magnetfelder mit einer Ausgangsdatenrate von bis zu 80 Hz und hat eine Empfindlichkeit von 0,1 Mikroteslas.

Das I2C-Protokoll

I2C (oder I squared C oder IIC) steht für Inter-Integrated Circuit und ist ein Kommunikationsprotokoll, das von Philips Semiconductor entwickelt und 1982 veröffentlicht wurde. Es ist ein Multi-Master-, Multislave-Protokoll, mit dem mehrere Geräte miteinander kommunizieren können über typischerweise kurze Strecken. I2C ist ein serieller Bus, der häufig mit Mikrocontrollern, Sensoren (wie auf der micro: bit board) und kleinen eingebetteten Geräten verwendet wird. Die meisten Einplatinencomputer wie der Raspberry Pi und viele, viele Sensoren, von Barometern über GPS-Module über Magnetometer bis hin zu Thermometern und anderen, verfügen über eine native Unterstützung für das I2C-Protokoll, und es ist nach wie vor eine der einfachsten und einfachsten Kommunikationsmethoden externe Geräte und Sensoren von einer zentralen CPU.

Der Prozessor

Nach diesen beiden Sensoren kommen wir zum Herzen und zum Gehirn des Ganzen - des Prozessors (Abbildung E). Dieses kleine schwarze Quadrat ist ein 32-Bit-ARM-Cortex-M0-Prozessor mit 256 KB Flash-Speicher und 16 KB RAM mit 16 MHz. Es ist Bluetooth-fähig und verfügt über einen 2,4-GHz-Bluetooth-Transceiver mit niedrigem Energieverbrauch.

Abbildung E. Die ARM-CPU

Was bedeutet das alles im Zusammenhang mit Fähigkeiten und Leistung? Zunächst einmal handelt es sich um eine 32-Bit-Maschine, daher ist sie nicht so schnell oder leistungsfähig wie die 64-Bit-Prozessoren, an die wir uns alle gewöhnen. Für so eine winzige Maschine ist es jedoch mehr als schnell genug. Die 256 KB großen Flash-Speicher beziehen sich auf den Speicher, der bei fehlender Stromversorgung erhalten bleibt. Wenn Sie also das micro: bit von Ihrem Computer oder seinem Akku trennen, bleibt der Inhalt des Flash-Speichers erhalten, ähnlich wie die Festplatte Ihres Computers oder Laptops. Hier werden Ihre Hex-Dateien gespeichert. Deshalb wird das Programm jedes Mal wiederholt, wenn Sie das Gerät einschalten. Nun, 256 KB scheinen nicht viel Arbeitsspeicher zu sein (die meisten JPEG-Dateien sind beispielsweise größer als die), aber die Hex-Dateien, in denen Ihre Programme gespeichert sind, sind winzig. Eine 256-KB-Hex-Datei wäre ein recht umfangreiches Programm.

Der Inhalt des 16-KB-RAMs verschwindet dagegen bei jedem Stromausfall des Geräts, genau wie beim RAM in Ihrem Computer. In diesem Speicherstapel führt das micro: bit Berechnungen durch. Er verschiebt Daten aus den Registern in den RAM-Speicher, erledigt das, was er braucht, und verschiebt sie dann wieder heraus. Da 16 KB nicht viel Platz beanspruchen, schränkt dies die Möglichkeiten von micro: bit ein, aber das Board wurde nie für rechenintensives Heben konzipiert. Stattdessen ist es sinnvoller, Berechnungen und Berechnungen auf einem anderen, leistungsfähigeren Gerät (z. B. Smartphone) durchzuführen und lediglich das micro: bit zum Sammeln und Anzeigen von Daten zu verwenden. Es ist hilfreich zu wissen, dass das micro: bit, wie andere IoT-Plattformen, notwendigerweise ein Gerät mit sehr geringem Stromverbrauch ist und eine leistungsfähigere Onboard-CPU für den Betrieb ungesunde Mengen an Energie benötigt. Es ist beeindruckend, dass der ARM-Chip genauso leistungsfähig ist wie seine verbrauchte Leistung - höchstens 0,03 Watt oder etwa ein Hundertstel eines Standard-Nachtlichts.

Bluetooth-Antenne mit niedrigem Energieverbrauch

Um unsere Reise um die Rückseite der Platine abzuschließen, kommen wir schließlich zu der fast unsichtbaren Bluetooth-Antenne mit niedrigem Energieverbrauch (BLE) direkt über dem Prozessor. Wenn Sie das micro: bit genau im Licht neigen, können Sie das rechteckförmige Design in der Platine in der oberen linken Ecke sehen. Diese Antenne ermöglicht der Karte die Kommunikation mit anderen Bluetooth-fähigen Objekten aus weniger als 100 Metern Entfernung gemäß den veröffentlichten Spezifikationen. Das BLE, auch Bluetooth-Smart-Protokoll genannt, ermöglicht eine Datenrate von 1 bis 3 Megabit pro Sekunde über die Luft, wobei weniger als 15 Milliampere benötigt werden. Auf diese Weise können Sie Ihre Karte nicht nur mit einem Laptop oder Smartphone fernsteuern, sondern auch Sensordaten von der Karte an ein anderes Gerät senden, ohne sich um das Entladen der Batterien sorgen zu müssen. BLE soll es Ihnen ermöglichen, Ihr Gerät für Wochen oder sogar Monate mit nur einer Knopfzellenbatterie zu betreiben.

Was ist der Bereich der BLE?

Obwohl die veröffentlichten Spezifikationen für Bluetooth Low-Energy eine Reichweite von 100 Metern aufweisen, hatten mein Redakteur und ich Zweifel, was die tatsächliche Reichweite dieser Geräte ist. Daher habe ich mich dazu entschlossen, einige informelle Tests durchzuführen. Für beide Tests habe ich eine Anwendung "Find my phone" verwendet, bei der das micro: bit mit dem Telefon gekoppelt werden muss. Die Anwendung lädt ein Skript auf die Platine, in dem Sie aufgefordert werden, die linke Taste (A) zu drücken. Wenn Sie das tun, sendet es ein Bluetooth-Signal an das Telefon, und das Telefon stöbert „Yoo-hoo! Hier bin ich! “Bis Sie eine Bestätigungstaste drücken. Für den ersten Test habe ich mich mit meinem Board zusammengetan und bin dann durch mein Haus gelaufen, um zu sehen, wie weit ich weg bin, bevor das Telefon nicht mehr antworten würde. Das Ergebnis war zumindest enttäuschend: In einer klaren Sichtlinie verlor das Telefon das Signal in einer Entfernung von ca. 8 Metern. Als ich um eine Ecke bog, verlor ich sofort das Signal und das Telefon trennte sich vom micro: bit.

Für den zweiten Test brachte ich das Telefon und das micro: bit zu einem lokalen Fußballfeld, wo ich mich nicht mit lokalen WiFi-Signalen, Wänden, Metall und anderen möglichen Interferenzen befasste, elektromagnetischen oder anderen. Wieder koppelte ich mein Telefon mit dem micro: bit und ging weg, bis das Telefon nicht mehr auf das Gerät reagierte. Die Ergebnisse? So enttäuschend wie drinnen. Das meiste, das ich bekommen konnte, bevor das Telefon nicht mehr antwortete, war wieder 26 Fuß. Einige Variablen wie Telefon- und Mikro-Bit-Positionierung schienen die Ergebnisse zu beeinflussen. Halten Sie das Telefon in eine Richtung, um die Reichweite zu erhöhen, während Sie das micro: bit auf andere Weise halten, was die Kommunikation völlig unmöglich macht. Mehrfachversuche führten zu einer maximalen Kommunikationsentfernung von etwa 8 Metern.

Die BLE-Spezifikationen gelten möglicherweise nur für idealisierte Bedingungen - in einem gepolsterten Raum mit Faraday-Käfig usw. Darüber hinaus können Größe und Form Ihrer Antenne einen großen Unterschied ausmachen und die Antenne des micro: bit ist recht klein . Ich habe online Berichte über Personen mit Reichweiten von mehr als 200 Metern gefunden, konnte diese Ergebnisse jedoch nicht kopieren oder bestätigen. In der Realität scheint es, als würden Sie sich nur dann auf die Bluetooth-Verbindung verlassen können, wenn Sie sich im selben Raum wie Ihr micro: bit befinden. Denken Sie daran, wenn Sie Ihre zukünftigen Anwendungen entwerfen.

Auf die Front

In Ordnung, das ist die Rückseite des Boards, wo alle Action hinter den Kulissen ist. Schauen wir uns die Vorderseite noch einmal an (Abbildung F).

Abbildung F. Ein weiterer Blick auf die Vorderseite des micro: bit

An der Vorderseite des micro: Bits kann es vorkommen, dass die ganze Magie passiert, wenn Sie mit ihr interagieren, aber es ist wirklich nicht viel da. Auf jeder Seite befindet sich eine Drucktaste A und B, die jeweils vom Benutzer programmiert werden können. Dazwischen befindet sich eine fünf mal fünf Matrix aus oberflächenmontierten LEDs mit niedriger Leistung, von denen jede wiederum von Ihnen programmiert werden kann. Mit diesen können Sie Text scrollen, Muster anzeigen, Pfeile zeigen, die in eine bestimmte Richtung zeigen, und fast alles, was Sie sich vorstellen können, mit einem Raster aus fünfundzwanzig kleinen Lichtern.

Am unteren Rand befindet sich die Reihe der GPIO-Pins, die wir zuvor besprochen haben. Hier können Sie die Beschriftungen für die am häufigsten verwendeten Pins sehen. Um auf diese Pins zuzugreifen, erwerben Sie am besten die Breakout-Platine mit Randverbinder. Schieben Sie einfach Ihren micro: bit mit der Vorderseite nach oben in den Steckplatz (siehe Abbildung G). Diese Breakout-Platine zeigt eine doppelte Reihe von Pins Diejenigen, die Sie wahrscheinlich an Ihr Raspberry Pi-Board gewöhnt sind, und Sie können die Header-Drähte verwenden, die Sie wahrscheinlich bereits in Ihrem Toolkit haben. Beachten Sie jedoch, dass die Anzahl der Pins irreführend ist. Die Pins sind doppelt gestapelt, was bedeutet, dass jedes Paar benachbarter Pins zu einem einzelnen GPIO-Pin am micro: bit führt. Sie müssen jedoch keine Verbindung zu beiden Pins herstellen, um mit diesem GPIO-Pin zu interagieren. Der eine oder der andere ist ausreichend.

Abbildung G. micro: Bit in die Breakout-Platine des Kantensteckers eingesetzt

Das ist also eine Tour rund um die kleine micro: bit board. Es ist ein sehr einfaches Gerät, das einfach zu bedienen ist und dennoch leistungsstark genug ist, um interessante Dinge zu tun. Als Gerät für Experimentatoren und Hobbyisten ist es im Vergleich zum Raspberry Pi etwas stromsparend, füllt aber auch eine völlig andere Nische als der Pi und seine Sorte.

Weitere Informationen zu diesem erstaunlichen kleinen Gerät erhalten Sie unter Erste Schritte mit dem micro: bit, das bei allen guten Buchhändlern erhältlich ist.

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