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拆解:具有运动传统的智能手表

时间:2019-08-28 作者:Brian Dipert 阅读:
今天的候选拆解对象来自一家老牌的定位与活动记录手表制造商——佳明(Garmin)。这家公司此前好几代可穿戴产品都非常好用,我也已虔诚地使用了多年。fēnix是Garmin最新手表的品牌名称,而Forerunner户外运动表则是其前身,它为更通用的智能手表未来奠定了基础。

四年前(当你过得开心时,时间过得可真快),我和iFixit的朋友一起为大家提供了摩托罗拉第一代Moto 360 Android Wear(现在的Wear OS)智能手表的拆解。去年底,我又拆解了一款独特的模拟加数字智能手表——这款手表的出品方不太为人所知,不管你信不信,它的名字叫Martian,现在也已经不复存在了。PN2EETC-电子工程专辑

今天的候选拆解对象来自一家老牌的定位与活动记录手表制造商,它的名字叫佳明(Garmin)。这家公司此前好几代可穿戴产品都非常好用,我也已虔诚地使用了多年(未来也仍将继续使用?)。fēnix是Garmin最新手表的品牌名称,而Forerunner户外运动表则是其前身,它为更通用的智能手表未来奠定了基础(同时希望在这个过程中不会失去原有)。该公司的产品系列包括3系列和5系列产品,进一步细分又有标准、“S”和“X”,以及标准和“Plus”变体之分。至少在我看来,它们之间的区别无疑有点混乱。而Garmin Fenix Comparisons这个独立发表的网站,可以为大家排忧解难。PN2EETC-电子工程专辑

具体来说,今天要拆解的是fēnix 5 Plus蓝宝石版的47mm直径外壳尺寸的变体。从它的命名可知,它包含蓝宝石玻璃镜片(并且还提供圆顶和化学强化玻璃选择)。这个特定型号还提供不锈钢(本文所示)和钛表圈选择。其他主要特征包括:PN2EETC-电子工程专辑

  • 直径1.2"(30.4mm)、240×240像素、功耗优化的半反半透像素内存储器(MIP)显示屏(注意:不支持触摸屏);
  • Wi-Fi、蓝牙、低功耗蓝牙(BLE)和ANT+无线连接选择;
  • 支持近场通信(NFC),用于实现Garmin Pay非接触式支付功能;
  • 支持GPS、GLONASS和Galileo全球卫星定位服务;
  • 手腕式心率监测器(我的Forerunner手表采用胸带,通过ANT连到手表上);
  • 一系列内置传感器技术:气压高度计、指南针、陀螺仪、加速度计和温度计;
  • 内置扬声器(各种)。

我应该事先声明,我非常感谢以下爱好者的拆解文章,了解它们就可以识别出我在拆解中所发现的内容:PN2EETC-电子工程专辑

此外还有FCC有关fēnix 5S Plusfēnix 5 Plus(顺便说一句,FCC ID是IPH-03437)和fēnix 5X Plus的文档(对此,我还应该向Garmin用户论坛的参与者表示感谢,是他们为我提供了各种链接和更广泛的信息)。在将这些文章与我的进行比较时,无论是在物料清单还是结构细节方面,你可能会为各种型号的设计有多么不同所着迷。PN2EETC-电子工程专辑

首先,像往常一样,下面是一些外盒照片:PN2EETC-电子工程专辑

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将顶部从表盒拿掉,手表就映入眼帘:PN2EETC-电子工程专辑

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恕我直言,虽然与我细小的手腕相比它有点宽,但它看起来却很漂亮。与我过去的Forerunner GPS手表不同,它不过于厚实。表盘上所看到的图像实际是一块可拆卸的保护塑料薄膜,而不是LCD真实工作的样子。然而,从这个模拟图像可以了解到,这款特定型号的手表支持彩色地图和其他信息的动态显示。PN2EETC-电子工程专辑

继续之前再强调一点:尽管是种特殊变体,但这个表盘用的是LCD,而不是日益普及的OLED。它主要依靠来自周围环境的反射光实现照明,而仅在必要时才提供透射背光补充(例如,用户按按钮激活),因此有了“半反半透(transflective)”这个名称。它还包含基于SRAM的嵌入式像素存储器,从而无需不断刷新显示屏DRAM。这两种功能明显是要实现功耗最小化。PN2EETC-电子工程专辑

手表一侧有两个按钮,它们之间有个神秘的开口(稍后再解释):PN2EETC-电子工程专辑

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另一侧有三个用户界面按钮:PN2EETC-电子工程专辑

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就是这样:没有触摸屏(考虑到当手表在户外活动环境中使用时,手指可能潮湿、寒冷、不干净或戴有手套等等,而使触摸屏不能良好地工作,不采用触摸屏也就说得过去),也没有原生语音控制。不可否认,与Apple Watch、Fitbit、Google Wear OS以及其他竞争对手相比,这样的用户界面有点“守旧”的感觉,但鉴于其目标市场,这个问题影响不大。PN2EETC-电子工程专辑

下图是它的背面:PN2EETC-电子工程专辑

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中间设有光电容积脉搏波光学心率传感器,一侧设有专有的四垫连接器,用于实现充电和数据传输。说到这里,盒子里还有几样其他东西:几份文档,以及USB(至少一端是USB)连接线。就是这样:PN2EETC-电子工程专辑

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有些人可能已经注意到,手表前面有五颗梅花头(确切地说是T5)螺丝,背面还有四颗。不管你信不信,只需把这几颗螺丝拧掉,就可以完全看到手表内部(相比之下,Apple Watch打开则要麻烦得多)。如往常一样,我的iFixit 64合一螺丝刀套装轻松搞定这些螺丝。下面是前面的五颗(左)和后面的四颗(右):PN2EETC-电子工程专辑

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如下所示,后侧螺丝(右侧)比前侧螺丝(左侧)更大一些:PN2EETC-电子工程专辑

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卸下前侧螺丝后,就可将显示屏表圈提起:PN2EETC-电子工程专辑

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我认为,pcb驱动显示屏是靠那根宽铜色排线实现。我也很确定,那根较窄的黑色排线用于将PCB连接到NFC天线。信不信由你,法拉第屏蔽罩上方的铜色圆盘是个简单的扬声器。伸出PCB一侧的那三根(弹簧支承的)金属杆提供与前表圈的连接,这个前表圈也用来充当GPS天线。PN2EETC-电子工程专辑

下面是组件仍然相连时的另一个角度特写:PN2EETC-电子工程专辑

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现在可以看到,在表圈和主体之间有个必需的黑色垫圈,是用来防水和防风雨——这款手表的防水等级为10ATM(100m)。现在还可以看到,大部分表盘覆盖有黑色NFC天线,其背后是白色的显示器背面。PN2EETC-电子工程专辑

那么背面又如何?我以为你永远不会问:PN2EETC-电子工程专辑

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这次垫圈呈蓝色并楔入表身——当我把背部取下时,它就弹了出来。PN2EETC-电子工程专辑

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下面是把它重新插回到平常位置的特写:PN2EETC-电子工程专辑

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这里又有两根排线,这次都是铜色。但只有其中一个将PCB连接到背部组件,另一个稍后再谈。另请注意,背部连接器的四个导电垫一直穿过背面而连接到PCB本身,这表明它们既可用于数据传输,又有可能PCB上的电路可以管理充电过程。在这方面,它使用了225mAh的锂离子电池PN2EETC-电子工程专辑

下面是触觉电机。它下面是光学心率传感器。担心会产生烟雾、恶臭以及发热,我没敢尝试把电池取下,把传感器露出来观察。顺便说一句,别担心,我没有忽视PCB这侧的神秘铜方块。PN2EETC-电子工程专辑

现在我们来断开排线。下面是分开后的前表圈背面视图,这样就更清晰地展示了它下方的NFC天线和专用LCD:PN2EETC-电子工程专辑

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另请注意镜头底部表圈上的灰色区域。前面提到的那三根伸出PCB的弹簧支承的金属杆,在这里接触。PN2EETC-电子工程专辑

以下是背面的两侧:PN2EETC-电子工程专辑

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下面是PCB顶部的特写照片(你很想知道那个法拉第罩下面是什么吧?你注意到它上面、在扬声器旁边刻有漂亮的等高线了吗?)PN2EETC-电子工程专辑

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下面是底部:PN2EETC-电子工程专辑

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仔细观察可以看到两颗十字平头螺丝,就是它们把PCB固定到位。将它们卸掉,就可将PCB拿出:PN2EETC-电子工程专辑

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还记得前面提到的第二根背面排线吗?还记得我之前提到过的手表一侧的神秘开口吗?他们是相关的:PN2EETC-电子工程专辑

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将底部内容固定到位的那个金属支架,它自身又是采用两颗易于拆卸的十字平头螺丝进行固定:PN2EETC-电子工程专辑

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那么,这是什么?PN2EETC-电子工程专辑

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一开始我以为它是个麦克风……直到我意识到这个特定设计中没有麦克风规格。然后,我认为它可能是个扬声器,但我们又已找到它了(手表内共有16GB非易失性存储器,其中有高达4GB可用于存放音乐,但前提条件是其可以通过蓝牙耳机等进行回放)。PN2EETC-电子工程专辑

前面所提fēnix 3 HR那篇拆解文章让我知道了它的真正目的。它是气压计传感器,可以用来预测天气(在我爬山的日子里,我常说:“如果你没有往上爬,但手表说你有,那么就是时候下山了,因为坏天气马上就来临”),但主要用作高度计来测量高度(以及随时间的变化)。回想起来也确实有道理,因为它要工作,就必须暴露在外部世界中(因此手表侧面就有了个开口,以及传感器周围裹了橡胶垫圈,用来防止周围水分渗入内部)。PN2EETC-电子工程专辑

是时候卸掉法拉第罩了:PN2EETC-电子工程专辑

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首先,各位亲爱的读者,有个小疑惑我非常希望你们之中有哪位能够明确地帮我解答下,那就是,PCB上是哪里用来驱动它上方的这个简单的换能器——是右上象限中的那两个金属连接器吗?PN2EETC-电子工程专辑

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是时候识别一些IC了。左下角是东芝THGBMHG7C1LBAIL 16GB e-MMC NAND闪存模块。在它的右上角是(料号中有一些数字被遮挡,我认为是)华邦(Winbond)W987D6HBGX6E 128Mb低功耗SDRAM。它的左边是个神秘的芯片,谷歌查不到它的料号,但它上面有“NXP”字样,表明它可能是NFC控制器。在SDRAM的右侧是Maxim MAX20303电源管理IC(还记得我之前曾假设说,电池充电是在PCB上处理的吗?)。PN2EETC-电子工程专辑

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现在回到PCB这一侧的下半部分。NAND闪存模块的右侧有两个芯片:赛普拉斯CYW20719 SoC,其制造商宣称它可以用来处理蓝牙5.0和蓝牙低功耗(BLE)工作;它上面是Atmel(现Microchip)ATWILC1000 2.4GHz Wi-Fi控制器。它们旁边还有两个IC:Nordic nRF52832 ANT+芯片,以及它上面的神秘IC(读者朋友们,你们认为是什么?)。最后,沿着PCB的右边缘是联发科的MT3333全合一卫星定位服务芯片组。PN2EETC-电子工程专辑

有一点我觉得奇怪,那就是在这个设计中赛普拉斯CYW20719和Nordic nRF52832貌似冗余了。两款芯片都宣传说可实现蓝牙5.0和BLE,两者也都可能实现ANT+。更一般地说,鉴于已提供行业标准的蓝牙和BLE支持,我最初想知道为什么Garmin还要不厌其烦地去继续支持其专有的ANT+(特别是会增加物料清单成本),我之前也写过相关报道。但后来我才意识到,虽然不再需要ANT+适配器来与带蓝牙功能的智能手机和电脑实现同步(更不用说,谢天谢地,不再需要通过ANT+连到胸带式心率监测器上),但仍然有大量ANT+外设,Garmin爱好者想要使用它们,例如用于自行车踏板的踏频传感器,还有安装在鞋上的计步用传感器,这样在跑步机上跑步时就可以得出“距离”。PN2EETC-电子工程专辑

下面看PCB背面:PN2EETC-电子工程专辑

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从正确的角度看镜面抛光的主IC,其身份就可以看清了:PN2EETC-电子工程专辑

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它是主系统CPU,即飞思卡尔(现恩智浦)MK28FN2M0ACAU15 Kinetis K28基于Arm Cortex-M4的应用处理器。然而,法拉第笼一角有个大IC,其身份是个谜。另一款Garmin手表(型号:A03405)有块类似IC,FCC有照片声称它是Wi-Fi收发器,但由于我们已经在PCB的另一侧识别了该芯片,因此我们知道在这个特定设计中并非如此。PN2EETC-电子工程专辑

鉴于它与处理器靠得很近,我猜测它是个未知制造商和容量的SPI闪存,用于存储系统代码——其上印有固件修订标签。Kinetis K28包含2MB的嵌入式闪存,足以启动系统,但可能无法完全运行。前面提到的NAND闪存模块可以保存代码,并加载到DRAM执行,但我猜它只是专门用于存储非易失性数据。PN2EETC-电子工程专辑

如果你还在看这篇文章,你会注意到,还有一些事我还没有谈到……因为它们也很神秘。首先,温度计在哪里?从前面那篇fēnix 3 HR的拆解文章可知,那个新设计是以线圈的方式实现,并将它连接到气压计模块,但我还没有在fēnix 5 Plus中发现任何类似(或别的)东西。谈到传感器,指南针、陀螺仪和加速度计又在哪里?例如,在PCB前侧的底部边缘、在显示屏电缆连接器的两侧有两个可疑IC。左边的那个看起来像这样:PN2EETC-电子工程专辑

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但是我无法在照片中拍到右边那个标记,因此你必须相信我(以及我廉价但有效的照明放大镜),它的左边写着“AGR”,上边标记是“B09”。在这两种情况下,封装上的标记都还包括看起来像二维码的东西,所以我猜测这两块IC上带有Garmin独有的标签。PN2EETC-电子工程专辑

最后一个谜团是:我们已经识别出了GPS和NFC天线,但2.4GHz天线在哪里?由于蓝牙、BLE、Wi-Fi和ANT+都共享相同的ISM频段,我猜测,出于节省成本和简单的原因,它们也共用同一个天线。我还猜测它是嵌入在PCB内而不是独立天线。但是,尽管嵌入式天线结构通常肉眼可见,但在这种特定情况下我找不到它,除非它是由PCB顶部外缘周围一个或多个裸铜区域所构成?PN2EETC-电子工程专辑

读者朋友们,对于上述遗留问题,我一如既往地欢迎您能提供解答或想法,以及更多的一般性评论和其他反馈!PN2EETC-电子工程专辑

本文为《电子技术设计》2019年8月刊杂志文章。原文链接:Teardown: A smartwatch with an athletic traditionPN2EETC-电子工程专辑

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Brian Dipert
EDN资深博客作者。Brian Dipert是前EDN杂志的高级技术编辑。 他是BDTi的高级分析师,嵌入式视觉联盟的主编,以及AnandTech、EDN杂志和《低功耗设计》的特约编辑。 他也是Sierra Media的创始人。
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