从零开始做一款手表-原理图篇(1)

主控芯片选用ESP32S3R8芯片，此芯片内置8MB PSRAM ,但同时需要注意的是需要占用GPIO33~37， 这五个IO引脚不建议用于其他功能。

下图是从乐鑫官网下载的硬件设计知道手册的最小系统原理图设计， 显示的是四线、3.3 V、封装外 flash/PSRAM 的连接方式 。

1. GPIO
2. 我们先引出所有的IO引脚，在GPIO33~37引脚上放上非连接标识。
3. 天线及其匹配电路
4. 为保证辐射性能，建议天线的输入阻抗为 50 Ω 左右。为保险起见，推荐在靠近天线 位置增加一组 π 型匹配电路，用于调节天线的输入阻抗。如果经过仿真可以确保天线阻抗点为 50 Ω 左右， 并且空间较小，可以不加天线端的匹配电路。下图是参考设计图，本文的设计图未做阻抗匹配设计，L2用0Ω电阻替换，其余未焊接，但保留位置。
5. 外置主晶振时钟源
6. 目前 ESP32-S3 系列芯片固件仅支持 40 MHz 晶振。
7. 根据官方指导手册给出的参考设计图，R4我们选择不接，C1、C4两个电容选择15pF。
8. 串口下载电路
9. 本文的设计图如下所示，GPIO0接按键连接到下拉电阻，GPIO46为悬空状态，RX和TX根据PCB布局引出。
10. UART 下载的过程如下：
11. 烧录前，需要保证芯片或模组的启动模式为 Download Boot，即将 strapping 管脚 GPIO0（默认为高）下拉 到低电平，管脚 GPIO46（默认为低）悬空或者下拉到低电平；若使用无内部合封的 ESP32-S3 芯片，请 按照表 1 合理配置管脚 GPIO45；
12. 给芯片或模组上电，通过 UART0 串口查看 log，如果看到”waiting for download” 信息，说明已成功进入 Download Boot 启动模式；
13. 通过 Flash 下载工具，选择 UART 方式将程序固件烧录进 flash 中；
14. 烧录结束后，需要保证芯片或模组的启动模式为 SPI Boot，即将 GPIO0 悬空或者上拉切换至高电平；
15. 重新上电，芯片初始化时会从 flash 中读取程序运行。
16. USB下载电路
17. ESP32-S3 系列芯片带有一个集成了收发器的全速 USB On-The-Go (OTG) 外设，符合 USB 2.0 规范。 ESP32-S3 系列芯片还集成了一个 USB 串口/JTAG 控制器，作为兼容 USB 2.0 全速模式的设备。 GPIO19 和 GPIO20 可以分别作为 USB 的 D- 和 D+，线上建议预留串联电阻（初始值可为 0 Ω）和对地电容（初始可不上件），并注意靠近 ESP32-S3 芯片端放置。
18. 封装外 Flash
19. 本文选择的是封装外Flash， ESP32-S3 支持的封装外 flash 和 PSRAM 最大可达 1 GB ，本次选用的是32MB的Flash，需要注意的是1B=8bit,我们在购买Flash的时候需要注意它的单位，以防误买。这里的连接和官方指导手册完全一样，一般来说只要是同样引脚定义的Flash，我们可以随意替换；对于容量不同的只需要在烧录之前定义好Flash的大小即可。
20. I2C的上拉电阻
21. I2C的上拉电阻可以是1.5K，2.2K，4.7K， 电阻的大小对时序有一定影响，对信号的上升时间和下降时间也有影响，一般接1.5K或2.2K，本文上拉电阻选择2.2K。

AXP2101是一款高集成度的电源管理芯片，可为单节锂电池且需要多路电源转换输出的应用，提供简单易用又可灵活配置的完整电源解决方案。 AXP2101支持线性充电，同时，集成了16路电源输出，其中包括5路DCDC和11路LDO。为了保证系统工作的安全性和稳定性，AXP2101提供了多路14-bit ADC以监控电压、温度等，且内部集成了过压、过流、过温等保护电路。另外，芯片包含了高精度电量计，为系统提供准确的电量信息。 AXP2101提供了一个快速接口，让系统可以动态配置各路电源输出电压、充电电流以及中断条件等，实现系统不同工作模式的转换。 AXP2101支持QFN 5*5，40pin，可广泛应用于运动摄像、网络摄像机、行车记录仪、智能门铃等领域。由于本文需要设计到屏幕的电源管理，在待机状态下做到屏幕熄灭的低功耗处理，所以需要专业的电源管理芯片。

1. RTC
2. 由于本文是设计一个手表，所以RTC实时时钟电路是必不可少的。RTC模块拥有一个连续计数的计数器，在相应的软件配置下，可以提供时钟日历的功能。修改计数器的值可以重新设置当前时间和日期 (RTC还包含用于管理低功耗模式的自动唤醒单元)。
3. 屏幕 AMOLED
4. 屏幕显示接口使用QSPI、触摸接口使用I2C。根据屏幕厂家给出的设计指导手册，连接原理图。
5. 6轴传感器 BMI270
6. BMI270是一款由博世推出的6轴智能、低功耗惯性测量传感器，它集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，在本项目中用来实现抬腕唤醒与计步。
7. TF Card
8. TF卡是一种小型的存储卡，它提供了便携式的、可移动的存储解决方案。在手表电路设计中，TF卡可以用于多种用途，其中一些可能包括：
9. 存储用户数据： TF卡可以用来存储用户的个人数据，例如健康和运动数据、设置和配置文件等。这使得用户可以轻松地将数据传输到其他设备或备份数据。
10. 扩展存储容量： 手表内置的存储空间可能有限，TF卡提供了一种相对廉价的方式来扩展存储容量。这对于存储更多的应用程序、媒体文件和其他数据是有益的。
11. 固件升级： TF卡也可以用于存储和传输固件升级。通过将更新的固件存储在TF卡上，用户可以通过简单地插入TF卡来升级手表的固件，而无需连接到计算机。
12. 日志记录： 如果手表具有日志记录功能，TF卡可以用于存储日志文件，以便后续分析和故障排除。
13. 临时数据存储： 一些应用程序可能需要在运行时生成或处理大量的临时数据。TF卡可以作为存储这些临时数据的地方，以避免占用手表内置存储。
14. 传感器数据存储： 如果手表配备了各种传感器（如加速度计、陀螺仪、心率监测器等），其采集的数据可能需要进行存储。这些数据可以用于健康监测、运动追踪等功能。TF卡可以用来存储这些传感器生成的数据。
15. 图形资源和界面元素： 手表上的图形界面可能包含各种图标、背景图和其他图形资源。这些资源可以存储在TF卡中，以释放内部存储空间，并且在需要时可以轻松更新或更改。
16. 音频文件： 如果手表支持音频功能，例如音乐播放或语音记录，相关的音频文件可以存储在TF卡上。这对于扩展存储容量以容纳大量音频文件是很有用的。
17. 应用程序和固件存储： 除了TF卡，手表上可能还有内部存储器用于存储操作系统、应用程序和其他固件。这些存储器通常用于存储操作系统和运行时所需的应用程序代码。
18. BMP280
19. 高度测量： BMP280可以通过测量气压来估算海拔高度。在手表中使用BMP280，可以提供用户当前所在位置的高度信息，这对于一些户外活动、运动追踪和导航应用是有用的。
20. 气压趋势： BMP280可以监测气压的变化，从而提供气象趋势信息。这有助于用户预测天气的变化，例如是否会下雨或变得更加潮湿。
21. 海拔高度补偿： 在一些运动或健康监测应用中，海拔高度信息对于计算运动数据、血氧水平等指标至关重要。BMP280的高度测量功能可以用于校正这些数据，提供更准确的信息。
22. 温度测量： BMP280除了气压传感器外，还集成了温度传感器。在手表中，这个温度信息可以用于多种用途，包括环境温度显示、温度趋势监测等。