STM2F411智能手环设计

最近闲来无事就想制作一款智能手表，为此我直接从网上找到一个开源项目OV-Watch。这里我们就以这个开源项目为例，一步步就讲解，从最初的电路原理图绘制，到PCB打样焊接，到最后的程序编写烧录测试。

由于该开源项目包含了若干个版本，这里我们在复刻的时候以当前最新版本为例，即V2.4版本。

一、需求分析

我们要设计一款智能手环，我们通常需要经历如下几个步骤：

• 市场需求调研，调研市场上销量比较高（受大众欢迎）的产品一般都具备哪些功能；
• 技术方案预言，调研目前智能手环通常采用的硬件设计以及软件设计方案。

1.1 功能需求

设计一款智能手环涉及的功能多种多样，通常涵盖健康监测、运动跟踪、通知提醒、以及与手机的连接等功能。

1.1.1 健康监测功能

• 心率监测：通过光学传感器（PPG，光电容积脉搏波传感器）测量佩戴者的心率；
• 血氧监测：利用光学传感器测量血氧饱和度（SpO2）；
• 睡眠监测：通过加速度计和陀螺仪结合算法来监测睡眠阶段（深睡、浅睡等）；
• 压力监测：通过心率变异性分析来估算压力水平；
• 体温监测：一些高级手环可以监测体温变化；
• 步态监测：检测步伐和运动模式，帮助记录步数、运动量。

1.1.2 运动跟踪

• 运动模式：支持跑步、骑行、游泳、登山等不同运动模式，并能记录运动数据；
• GPS路径记录：使用内置GPS模块记录运动路径，或通过蓝牙与手机共享GPS数据.

1.1.3 通知提醒功能

• 来电、短信、应用通知提醒：通过与手机的蓝牙连接，接收来电、短信、社交应用的提醒；
• 振动提醒：当有通知时，通过内置的振动电机进行提醒。

1.1.4 电池管理

• 低功耗：智能手环通常要求长时间待机，因此需要高效的电池管理系统，确保电池能够支持长时间使用；
• 快速充电：支持快速充电技术，减少充电时间。

1.1.5 用户交互

• 触摸屏：手环通常会有触摸屏，用于显示信息和交互；
• 按键或触控感应：提供一定的物理按键或触摸控制功能；
• 语音助手：部分高端手环可能内置语音助手，支持语音控制。

1.1.6 蓝牙连接

• 手机同步：通过蓝牙与智能手机同步数据，查看运动、健康数据，接收通知等。
• 蓝牙低能耗 (BLE)：为了延长电池使用寿命，智能手环通常会使用BLE协议来降低功耗。

1.2 硬件组成

要实现这些功能，智能手环通常需要以下硬件组件；

1.2.1 MCU/SoC

• 功能：作为智能手环的大脑，处理各种传感器数据，控制其他硬件模块；
• 推荐芯片：低功耗的微控制器（如STMicroelectronics STM32系列、Nordic Semiconductor nRF52系列、Qualcomm Snapdragon Wear系列）或专用的SoC（如高通骁龙Wear系列）。这些芯片支持BLE、低功耗设计，适合穿戴设备；

1.2.2 传感器模块

• 心率监测：光电容积脉搏波传感器（PPG）。常用的芯片如Maxim Integrated的MAX30100/30102，Lando的EM7028、AMS的AS7050等；
• 血氧监测：PPG传感器也用于血氧监测（SpO2）。如前所述的MAX30100、EM7028也可用于血氧检测；
• 温度/测量：用于检测环境的温度和湿度。常见的芯片有 Aosong Electronics的AHT20/AHT21；
• 海拔测量：用于测量大气压。常见的芯片有Sensirion的SPL06、Bosch Sensortec的BMP180；
• 运动跟踪：
  • 加速度计和陀螺仪：用于测量佩戴者的运动和姿势。常见的芯片有：InvenSense的MPU6050（6轴传感器），STMicroelectronics的LSM6DSOX（6轴传感器），Bosch Sensortec的BNO055（9轴传感器）等；
  • GPS模块：对于需要高精度位置追踪的手环，可以使用GPS芯片，如u-blox NEO-M8N或MediaTek 的 MT3333；
  • 压力传感器：例如Bosch Sensortec的BMP280，用于监测气压和压力水平。

1.2.3 显示屏

• OLED显示屏：许多智能手环使用OLED显示屏，因为它们能提供清晰、节能的显示效果；
• 屏幕控制芯片：例如，SSD1306控制器，用于驱动OLED显示器。

1.2.4 电池和充电管理

• 锂电池：大多数智能手环使用小型锂电池，容量一般在100mAh到300mAh之间，具体视续航需求而定；
• 充电管理IC：如Texas Instruments的BQ24195、南京拓微的TP4056M，用于电池充电和管理；
• 低功耗设计：优化电池的续航，利用低功耗MCU、屏幕和传感器设计，以及高效的电源管理模块。

1.2.5 振动电机

• 功能：用于振动提醒功能；
• 推荐：使用小型的LRA（线性振动执行器）或ERM（偏心旋转质量振动执行器）。

1.2.6 蓝牙模块

• 功能：支持蓝牙低能耗（BLE）协议，进行数据同步、通知提醒等功能；
• 推荐芯片：如Nordic Semiconductor的nRF52840、Broadcom的BCM43438、Keen High Electronics的KT6368A 。

1.2.7 外壳与传感器窗口

• 功能：提供坚固的外壳保护，同时确保传感器的有效工作（如心率传感器需要透光设计）；
• 材料：常用的外壳材料有塑料、铝合金、陶瓷等，传感器窗口通常使用透明的塑料或玻璃。

二、OV-Watch简介

OV-Watch项目制作的是一个基于STM32F411CUE6和FreeRTOS和LVGL的低成本的超多功能的STM32智能手表。

其实现了日历、计算器、秒表、NFC、蓝牙无线升级、与手机传信息、抬腕亮屏、心率检测、环境温湿度检测、指南针、海拔测量等功能。

1. 电源部分：手表使用的是3.7V锂电池，通过TPS63020（升压-降压转换器）提供3V3电源，V2.2版本之后，充电口留了两个焊盘，用来接触磁吸充电口；
   • 特别注意，V2.0版本使用的无线充电，使用了芯片T3168，但是用无线充电的话，加上线圈和多的器件，体积就非常大了，同时还有散热问题；
2. 蓝牙部分：
   • V2.2用的是HC-04（邮票孔封装）；
   • V2.3版本改成了用国产芯片KT6328A；
   • V2.4换成了KT6368A；
3. NFC部分：
   • V2.0版本的IC卡复制器模块介绍详见：https://oshwhub.com/no_chicken/ICka-fu-zhi-qi；
   • V2.2版本为了精简减小体积，仅有UID卡，可以被外部读卡器读写。而在V2.0版本中，用的是RC522和一张UID卡组成的，可以自行复制外部IC卡，然后也可以被外部读卡器读写如下图所示：

2.1 系统组成

系统框图如下所示：

其中：

• 主控使用STM32F411CEU6；
• 操作系统使用FreeRTOS；
• 图形库使用的LVGL；
• 传感器部分：手势识别使用6轴MPU6050；
• 心率血氧使用的是EM7028；
• 海拔测量用的气压计SPL06-001；
• 电子指南针使用LSM303DLHC；
• 蓝牙芯片换成了KT6368A（V2.4版本），有SPP功能，支持无线升级。

2.2 软件框架

智能手表的软件架构如下所示：

三、电路原理图设计

电路原理图分为两部分，核心板和背板，我们首先放上完整的原理图：

注意：这里没有KT6368电路原理图，这个下面我们单独介绍。

3.1 供电部分

3.1.1 TPS63020介绍

供电部分使用了TPS63020， TPS63020设备为由双电池或三电池碱性、镍镉或镍氢电池、单电池锂离子或锂聚合物电池、超级电容器或其他供电轨供电的产品提供电源解决方案；

• 输入电压：1.8V-5.5V；
• 可调整的输出电压1.2V-5.5V；
• 输出电流：当输入电压大于2.5V时，输出电压为3.3V时，电流2A；
• 转换效率高：工作静态电流：25µA ，带模式选择的节能模式；
• 平均电流模式buck-boost转换：模式之间的自动转换；
• 安全可靠的操作特性：具有过热、过压保护，停机期间断开负载回路。

TPS63020一共14个引脚：

• EN使能引脚（12）：启用输入（1启用，0禁用）不能为悬空状态
• FB可调版本的电压反馈（3）：必须连接到固定输出电压版本的VOUT；
• GND（2）：控制逻辑接地；
• L1（8、9）：电感器连接；
• L2（6、7）：电感器连接；
• PG（14）：输出功率良好（1良好，0故障；漏极开路），可以保持打开状态；
• PGND（15）：电源接地；
• PS/SYNC（13）：启用/禁用省电模式（1禁用，0启用，同步时钟信号）不能为悬空状态；
• VIN（10、11）：输入电压；
• VINA（1）：控制级电源电压；
• VOUT（4、5）：buck-boost变换器输出。

3.1.2 电路原理图

输入端接到3.7V锂电池，使能端TPS_EN接到MCU的PA3(POWER_EN)， 用于MCU控制使能, 软件控制供电。

同时Bat电池端接到开关， 即可以按键按下让供电芯片使能， 这个按键也复用为KEY2， PA4(WAKE)为高的时候代表按键按下；

TPS63020输出电压由外部电阻分压器设置。电阻分压器必须连接在VOUT、FB和GND之间。反馈电压VFB为500 mV标准值
，低压侧电阻器R13（FB和GND之间）必须保持在200k的范围内；

\[VOUT = (\frac{R_{12}}{R_{13}} + 1) \times VFB \]

由于R12为1MΩ，R13为v180KΩ，所以VOUT=3.3V，所以电路原理图中VOUT输出连接到3.3V。

3.2 充电部分（TP4056M）

充电部分使用TP4056M， 用于给标准3.7V锂电池充电， 输入为5V，接口通过过孔连接到Back的两个焊盘, 对应2.84mm磁吸线的两个触点， 一个+5V一个GND， 该芯片具体的外围电路设计可以详见手册；

VIN输入电压为5V，经过A7整流二极管，它的正向导通电压通常在0.7V左右，则到VBUS电压大概为4.3V.

VBUS连接到TP4056M的VCC（4）引脚，用于给该芯片供电。

右侧连接的两个发光二极管为充电状态指示灯；

• CHRG（7）连接的指示灯通常为红色，表示正处于充电状态；
• STDBY（6）连接的指示灯通常为绿色，表示充电完成。

BAT（5）引脚为输出引脚，连接锂电池正极。

3.3 LCD

3.3.1 电路原理图

核心板可以外接SPI通信的LCD屏；

这里我们将MCU侧的引脚列出来：

STM32F411CEU6	AFC01-S18FCA-00
PA15	TP_RST
PB4	TP_SDA
PB6	TP_SCL
PB7	LCD_RST
PB5	LCD_MOSI
PB3	LCD_CLK
PB8	LCD_CS
PB9	LCD_DC
PB0	LCD_BLK

3.3.2 P169H002-CT

比如这里可以外接P169H002-CTP电容触摸屏；

引脚定义如下：

需要注意的是：LCD引脚和电路原理图中的引脚顺序是反过来的。

3.4 EEPROM（BL24C02F）

BL24C02F提供2048比特串行电可擦写存储器，组成256个字节，每页16个字节，共16页，其采用I2C通信；

这里我们将MCU侧的引脚列出来：

STM32F411CEU6	BL24C02F
PA12	PROM_SCL
PA11	PROM_SDA

3.5 背板I2C总线

背板原理图上使用了大量的传感器模块，主要通过I2C总线与各个I2C传感器通信；

3.5.1 MPU6050

MPU6050是一个6轴姿态传感器（3轴加速度计和3轴陀螺仪传感器），可以测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角度参数，通过数据融合，可以得到姿态角。其在四轴飞行器中使用的较多，这里我们需要使用该传感器进行运动检测；

MPU6050同样采用的I2C通信；

STM32F411CEU6	MPU6050
PB12	MPU6050_INT
PB14	MPU6050_SCL
PB13	MPU6050_SDA

3.5.2 SPL06-001

SPL06-001是一款小型的数字压力传感器，分辨率可达0.06pa；

SPL06-001同样采用的I2C通信；

STM32F411CEU6	SPL06-001
PB14	SPL_SCL
PB13	SPL_SDA

3.5.3 AHT21

AHT21是一款小型温湿度传感器；

AHT21同样采用的I2C通信；

STM32F411CEU6	AHT21
PB14	AHT_SCL
PB13	AHT_SDA

3.5.4 LSM303DLHC

LSM303DLHC是一款由意法半导体（STMicroelectronics）推出的三轴加速度计和三轴磁力计组合传感器。它可以同时测量加速度和地磁场，因此常用于运动追踪、导航、地理定位等应用。

LSM303DLHC同样采用的I2C通信；

STM32F411CEU6	LSM303DLHC
PB14	LSM_SCL
PB13	LSM_SDA

3.5.5 EM7028

EM7028是一款低功耗心率传感器，通过光学检测来监测心率。它包括16位ADC、可调增益和分辨率，以及接口模块，包括心率传感器（HRS）和带有2个绿色LED的内部LED电流驱动器

EM7028同样采用的I2C通信；

STM32F411CEU6	EM7028
PB14	EM7028_SCL
PB13	EM7028_SDA
PB15	LED_EN

3.6 KT6368A

KT6368A芯片是一款支持蓝牙双模的纯数据芯片，蓝牙5.1版本。芯片的亮点在超小尺寸SOP8封装，性价高。以及简单明了的透传和串口AT控制功能。大大降低了嵌入蓝牙在其它产品的开发难度和成本同时支持SPP和BLE 。但是只能任选其中一个协议使用。

KT6368A采用串口通信；

STM32F411CEU6	KT6368A
PA10（USART1_RX）	BLE_TX
PA9（USART1_TX）	BLE_RX
PA8	BLE_EN

四、PCB打样焊接

4.1 PCB打样

既然要从头开始，那我首页我们就需要有一块PCB电路板，我们打开链接智能手表OV-Watch，找到PCB小节，然后点击在编译集中打开；选中智能手表OV-Watch项目，选择菜单栏【下单】中的【嘉立创-PCB/SMT】。

往我这里仅仅是打印了十块板子，大概花费了我50大洋，耐心等待两到三天，就可以收到寄过来的PCB板子。

4.2 硬件材料准备

这里我们需要购买电路原理图中的电子元件，涉及到二极管、发光二极管、三极管、贴片电阻、贴片电容、各种芯片、按键、排针等；

第一张图片为核心板的BOM清单，第二张图为背板的BOM清单；这些元件可以直接从立创商城购买；

不过还有部分元件立创商场可能购买不到，或者价格过于昂贵，因此我还从淘宝购买了部分元件；

除此之外，我们还需要从淘宝购买:

五、OTA升级

V2.4版本以后的手表的代码分为Bootloader和APP了，为的是方便用户戴在手上进行不用拆解的升级，BOOT区后面划分了一个Flag区，用于记录是否是完整的APP，这个位置是APP传输完成后才记录的，为的是保证程序完整性。

参考文章

[1] 立创硬件开源

[2] 油炸鸡开源硬件手册网站

[3] github仓库: https://github.com/No-Chicken/OV-Watch

[4] gitee仓库: https://gitee.com/kingham/OV-Watch