说来有趣：我并没有打算成为一名制表匠，也没有想着打造可穿戴技术。我进入硬件行业也根本不是为了弄些电子小玩意儿。我进入这个行业是因为我想了解我们身边的各种物件。我们生活在一个由玻璃和硅形成的世界里，有些人忍不住把它们称为魔法。不过，这其实并没什么神奇的：这些小玩意都是由你和我这样的人们制造出来的。这就意味着像你和我这样的人也能够理解它们。

Sensor Watch采用了极简设计--部分原因是为了降低成本，但主要目的是让人容易理解这个小物件。电路板上只有15个不同的部件，这意味着在短短的几段文字中，你就能通过每个部件的一些简短信息，来了解它们是如何组合到一起，并从而形成一个可以戴在手腕上的可黑改的硬件平台的。

这就是我们今天要做的。

序曲：电源和接地

在我们开始之前，先来个序言：按照要事优先原则来讲，我们需要先谈一下电源。在任何电子设备中， 电流 从一个地方流向另一个地方，并且（但愿！）在两者之间做了些有用的事情。

对Sensor Watch来说，电流从我们的纽扣电池正极流向负极。我把这一段放在序曲里的原因是，把电池和电路板连接起来的部分根本就不在我们的电路板上。它涉及到两个部件，它们在原有的卡西欧手表里面。首先，你会看到纽扣电池的负极底面接触到一个金属电池触点，该触点接触到F-91W电路板背面的方形接地焊盘（正下方的金色部分）。

然后，电池顶部的正极触及金属固定夹，当它与塑料外壳扣在一起时，接触到电路板上的两个圆形电源焊盘：

这就是Sensor Watch在你的手腕上时获取电源的方式!

器件U1：SAM L22

如果你仔细观察，电路板上的每个部件旁边都有一个小字母和数字。这就是我们引用和标记它们的方式。U1是占据电路板中心位置的那个大芯片：它是一个 微控制器 ，这意味着它基本上是一个打成一包的小型计算机。它有存储空间，有RAM，并且内置大量的外设，从而可以让它做不少事情，比如闪烁一个绿色LED或在LCD上显示 "green”字符。

这个主题我们能谈上好几天，但现在，请相信我，它就是指挥所有操作的大脑，它是连接所有组件的中枢，大多数从它发出的 印刷线路 —-绿色电路板层上的那些小细线，就是把它所指挥的组件连接起来的。

C1、C2、C3、C4：去耦电容

好吧，这个问题需要回到序曲中去。还记得在那里我说过电流从一个地方流向另一个地方吗？那是真的，但它也在一定的所谓 "压力 “下流动的。我们称其为 电压 ，对于我们的小小计算机来说，保持电压稳定真的很重要。问题是，当器件打开和关闭时，电压水平会发生波动。

你有没有在卫生间里洗手时，注意到这种情况？如果有人在其中一个隔间里冲厕所，水龙头的压力有时会下降？这就跟我们把LED灯点得很亮时发生的事情非常类似：电池的电压水平会下降。更糟糕的是，如果我们快速地打开关闭LED，电压水平就会开始嘈杂地波动（想象一下，卫生间所有的隔间都在一遍遍地冲厕所）。

电容器 是一个小的电荷罐，你可以把它放在一个器件附近，可以将该器件与电路中的其他部分那嘈杂的情况 “解耦"。C1是一个比较大的电容器，旨在平滑任何大的电压跌落或跳动。C2、C3和C4是较小的电容器，放在微控制器的每个电源输入脚附近，以过滤任何局部噪音。

你可以把C1想象成建筑物顶部的水塔，把C2、C3和C4想象成连接在每个马桶和水龙头后面的水箱，给它们一个小小的局部蓄水池。好了，有了这些保护，这些频繁冲刷就不是什么问题了。

C5和C6：稳定其他电压

如果一个电路中只有一个电压水平，那就很容易了，但在Sensor Watch中有三个。虽然微控制器本身以3伏电压运行，但核心CPU仅以1.2伏电压运行。虽然微控制器可以产生该电压水平，但它需要一点帮助以保持其稳定，C5就是用来稳定核心电压的。

LCD也在不同的电压水平上运行。微控制器内部有一个升压泵，将电池电压提升到3.44伏以驱动显示器，当然它也需要一些帮助，C6使LCD的电压保持稳定。

L1: 电感器

既然我们在谈论核心，我们就得谈谈底部的L1。我在上面提到，微控制器可以从3伏的输入产生1.2伏的电压给核心CPU。完全可以，但它可以用两种不同的方式来实现这一目的。第一种方式是使用所谓的 "线性稳压器"。这种方法基本上是将多余的电压作为热量烧掉，为核心提供1.2伏的电压。这种方法虽然可行，但它不是最有效的办法；热量其实就是被浪费的能量，而我们正试图尽最大限度将纽扣电池的能量用于做有用的事情。

更好的方法是反复开启和关闭较高的电压以达到较低的电压。这样做效率更高! 但它需要一个 电感器 。

L1基本上是一个微小的电线线圈，被封装在那个方形的盒子里。（电压）开启时，它在磁场中储存能量。然后，当关闭时，该磁场崩溃并产生电流。通过仔细掌握开关时间，微控制器可以非常高效地产生核心运行所需的1.2伏电压。

U2和D1：USB电源输入

到目前为止，我们已经谈到了手表被装进表壳中时是如何从纽扣电池中获得电源的。但是我们忽略了一个事实，即你得把Sensor Watch电路板从表壳中取出来，连接到USB上对其进行程序烧录。此外，从机构设计角度来讲，一旦电路板装上了电池，就无法再插入USB了。

我们需要第二种方式来为电路板供电。

U2是一个Microchip MIC5365 电压调节器 。它从Sensor Watch顶部的USB端口获取5伏电源，并将其调节到3.3伏。这个芯片是一个线性稳压器，你已经知道这意味着它的效率比开关稳压器要低。但由于我们只在插入电脑时使用它，所以这种低效率不会影响我们宝贵的纽扣电池电量。

D1是一个 二极管 ，将3.3伏的输出与电路板的主电源分开。二极管就像一个电流的单行道标志。当我们用电池供电时，它可以防止任何电流回流到稳压器中，浪费宝贵的能量。请注意，二极管会导致一个较小的、恒定的电压降，所以当插入USB时，微控制器从严格技术上讲，得到的电压略低于3.3伏。不过这并不打紧；即使只有1.62伏电压，SAM L22也能很开心的工作。

R5、R6和R7：限流电阻（以及LED）

那么，我们之前谈到了电流在电路中的流动情况。重点是，你希望正确的电流量以正确的方向流动。有时你需要更少的电流流动，有时则需要更多的电流。 电阻器 限制了可以流动的电流量。想象一下，它就像花园水管中的一个扭结：扭结得越严重，水流就越少。在这里，我们有三个不同大小的电阻，但它们都是为了做同一件事：限制电流的流动。

R5是一个10,000欧姆的电阻—相当于在软管上有一个相当严重的扭结。它的存在是为了满足我们的一个需求：我们想知道电路板是否被插在了USB端口上。当我们用电池供电，又需要跟电脑对话时，这可以避免浪费电池的电力。所以我们把U2的稳压器输出连接到一个（译者注：微控制器的）输入引脚。但是因为这个电压是3.3伏，而微控制器得到的电压略低于这个电压，所以我们在中间放一个10,000欧姆的电阻，这样我们就可以不用耗费较大电流就能读取该引脚的电压。

R6和R7用于限制流向绿色和红色LED的电流。不过，它们的数值较小，以便让更多的电流流动--更多的电流在这里是好的，因为更多的电流意味着更亮的光。R6是1,000欧姆，R7是100欧姆。这是因为绿色LED的效率明显高于红色LED，这意味着我们仅需消耗更少的电力便能达到同样的亮度。

请注意，在蓝色特别版电路板上（译者注：为红色/蓝色LED），这些被标记为R8和R9，而且它们都是100欧姆。这是因为蓝色LED的效率不如绿色LED。(不过看起来很酷！）

R1、R2、R3和R4：上拉电阻（以及复位按钮）

为了便于区分，我对这四个10,000欧姆的电阻使用了不同的术语，但它们都是普通的老式电阻；区别只是在于我们使用它们的目的。在这里，我们使用这些电阻将一个引脚 "拉高"到3伏。

为什么要这么做呢？各有不同的原因。对R1来说，SAM L22上有一个特殊的引脚，用于调试芯片，可以通过把它变成低电平，进入该调试模式。如果在你戴着手表的时候发生这种情况（比如受环境中的一些较大电磁噪音影响，如靠近电动马达）手表就会停止工作。R1将这个信号拉高到3伏，使其保持可靠的高电平。R2为复位引脚做同样的事情：当该引脚为低电平时，手表会复位，而你不希望手表意外复位。

你可能会想：既然我们需要这些信号保持高电平，为什么不干脆直接把它们连接到3伏电源上？为什么要用一个电阻呢？答案是，有时我们确实又需要它们保持低电平。例如，在对手表进行程序烧录时，你可能想按下复位按钮（它在背面）。如果复位引脚被连在3伏电压上，按下按钮将导致 短路 --让电流直接从电源流向接地。把这个电阻放在中间意味着当你按下按钮时，引脚可以变成低电平而不会使电路板短路：电流仍然从电源流向接地，但是只是很小的电流。

R3和R4（在底部）拉高了I2C总线中的两条线。这与传感器电路板有关：有一些芯片你可以把它们放在传感器电路板上，它们可以一种特殊的“语言”与手表通信。这些芯片要求它们使用的线路被拉高，所以这里我们满足它们。这也意味着你不必浪费空间把它们（上拉电阻）放在你的传感器电路板上!

X1、C7和C8：石英晶体

手表的核心功能是告诉人们时间，而Sensor Watch就是通过这个电路来实现这个目的的。X1包含一个微小的石英晶体，它呈音叉状，被精确地调整到32,768赫兹（每秒的脉冲数）。这意味着，当你电击它时，它开始以这个频率振荡。这种振荡形成了一个信号，而微控制器将该信号作为时钟使用。在微控制器内有一个外设，用来叉分这个信号：除以2，得到16384赫兹的信号；再除以2，得到8192赫兹。再分下去，最终得到一个1赫兹的脉冲—完美适用于手表上的每秒滴答!

你可能会问，这两个电容C7和C8是怎么回事？它们就是所谓的 "负载电容"：大体上，微控制器电击晶体使其开始振荡，但如果没有持续的推动，它很快就会停止振荡。这些电容器会不断地给晶体以微小的推动力，使其保持在它的共振频率上振动。

J1: 传感器电路板连接器

这就是它了，电路板上的最后一个器件! 到目前为止，我们已经描述了一个可以显示时间、闪烁灯光和与计算机对话的手表。这个九针的传感器电路板连接器是它感知外界事物的方式。这一点，我们也可以谈上几天，但目前我们只需要知道它从微控制器中分离出七个针脚，加上电源和接地。其中五个引脚能够读取模拟信号（0-3伏的电压），其中六个引脚也可以用来与传感器和存储芯片等数字信号小器件对话。

就当前而言，Sensor Watch配备了一块温度传感器电路板，它使用两个引脚：一个用于使能（启动）温度传感器，另一个用于读取显示温度的模拟值。但远不限于此；你可以制作各种有趣的传感器电路板，并将其插入传感器手表使用！

尾声：显示屏和蜂鸣器

你可能已经注意到，到目前为止，我们遗漏了两个有趣的主题：我们还从来没有谈论过如何让屏幕显示或使手表发出哔哔声！这就很有趣了，因为就像序曲中的电池部分一样，这些都延用了原手表的部件。首先，让我们来谈谈显示屏，以及Sensor Watch电路板顶部的那一排暴露的焊盘：

这些是微控制器用来与显示屏对话的线路，不过你会注意到，所有这些线路都直接与微控制器相连，并且它们并不与其他任何东西相连！至少，当把电路板从壳体拿出来时，它们是没连接任何东西的。但仔细看看这个壳体。想象一下，这些焊盘如何与顶部的灰色条接触：

这个弹性条是卡西欧手表的一部分，在玻璃液晶屏和Sensor Watch电路板上的垫子之间，从垂直方向建立了电路连接。这是一个令人叫绝的解决方案，完美的解决了这两个器件的连接问题—这里，Sensor Watch继承了卡西欧F-91W的原始设计。

F-91W的蜂鸣器设计也有类似的精妙之处，蜂鸣器并没有安装到卡西欧F-91W的电路板上。它被嵌入了手表的底壳上：

注意从固定夹上伸出的弹簧片，以及从底部那一大团焊点上伸出的弹簧片。当手表被装进表壳中时，这两个弹簧片与手表底壳和粘在底壳内部的那个大圆圈（压电式蜂鸣器）压紧连接起来。

同样精妙的是：将蜂鸣器粘在手表底壳的内面，可以让手表使用更大的表面积来增加音量。此外，连接在外面而不是埋在（电路板）里面意味着更多的声音可以传到你的耳朵里。唉哟呕吼，不过这个金属弹簧片意味着，如果想让Sensor Watch发出哔哔声，少量的焊接是需要的：你必须从你的原手表上拆下那个小金属弹簧片，然后把它焊接到Sensor Watch的同一个位置。由于这个弹簧片是F-91W的定制部件，从Mouser上买不到，我也没法为你提前焊接好。

不过要注意的是，即使你不焊接它，Sensor Watch也能不受影响的工作；它只是不会发出哔哔声。说了这么多，我是希望你能试一试焊接下。将来Sensor Watch电路板到你手上时属于基本完成状态，但现在你已经弄明白它了，我希望你以后能随心的修改它以更好的为你所需。

认购者提问

这已经是一个马拉松式的更新，但本周有一个认购者的问题值得回答： 似乎卡西欧A158W是F91W的金属版。请问Sensor Watch是否与兼容它？

答：好消息！昨天我终于拿到了A158W进行测试，现在我可以确认A158W其实是和Sensor Watch的电路板兼容的! 其他类似的变种（如带有 "Illuminator "和蓝色EL背光的变种版本）已经证明是不兼容的。A158的独特之处在于，它使用了与F-91W完全相同的电路板和内部器件，这样的话它的电路板更换过程实际上是（跟F-91W）一样的。

如果你想用Sensor Watch把自己"打扮 “一番去参加更正式的场合，这是一个好消息，这也恰恰说明了经典的就是现代的这一理念。

Sensor Watch的其他新闻

你可能已经注意到上面那张照片中的一个表盘："SE "代表日落（Sunset），当我写下这篇项目更新时，该手表表盘上正显示着纽约布鲁克林的日落时间。你可能已经在几周前的拆解时间（Teardown Session）上看到了这个表盘的早期版本；现在它有了新的功能（显示明天的日出/日落和后天的日出/日落），并且我还进行了错误修复，使它能够在所有时区工作。

仿真模拟器这边最新情况，亚历克斯（Alex）现在已经在Sensor Watch仿真模拟器中实现了蜂鸣器功能！这也意味着你现在可以在手腕上模拟所有8位游戏音乐（chiptune music）了。

最后：尽管农历新年的庆祝活动导致了PCB制造商那边的工作延迟，但我这边温度传感器电路板的拼版布局即将定稿！有了这个拼版布局，将来我就能在我们自己的车间里一次组装100个传感器电路板，我希望下周至少能有一个效果图与大家分享。就到这儿吧，非常感谢您的支持，并请继续提出您的问题！我这儿候着呢。

- Joey 乔伊

2022-5-28日译者添加：Sensor Watch原理图

Sensor Watch是 Microchip Get Launched 设计竞赛的一部分!