立创璀璨·AI吊坠基于ESP32-S3的双面圆屏智能穿戴硬件全解析最近在立创开源硬件平台上看到一个特别有意思的项目——璀璨·AI吊坠。它把一块双面圆形屏幕和ESP32-S3主控塞进了一个直径不到5厘米的小圆盘里既能当智能语音助手又能当个时尚小挂件。作为一个喜欢鼓捣硬件的工程师我立刻就被吸引了花了不少时间研究它的设计。今天我就从一个硬件开发者的角度带大家把这套设计的里里外外都拆解一遍看看它是怎么把这么多功能集成到这么小的空间里的也给想自己动手复刻或者借鉴设计的朋友们一份详细的参考。1. 项目概览这到底是个啥玩意儿简单来说璀璨·AI吊坠就是一个能戴在脖子上或者挂在包上的智能小设备。它的核心卖点有两个双面圆形屏幕和AI语音交互。想象一下一个比一元硬币大不了多少的圆形设备正反两面都是屏幕可以显示时间、天气、表情或者各种酷炫的动画。同时它内置了麦克风和喇叭你可以直接对它说话让它播音乐、查信息或者当个聊天机器人。这种把科技和配饰结合起来的思路确实挺有创意。从硬件角度看它本质上是一个高度集成的嵌入式系统。主控用了乐鑫的ESP32-S3这是目前物联网项目里的“明星芯片”性能强、功耗低还自带Wi-Fi和蓝牙。为了实现双面显示和音频功能还搭配了专门的屏幕驱动和音频编解码芯片。整个设计非常紧凑PCB直径只有34.2mm厚度控制在9.6mm重量仅23克佩戴起来几乎没有负担。注意这个项目在立创开源平台上的复刻难度被标记为三颗星⭐⭐⭐意味着需要一定的焊接和调试经验不适合完全的电子新手。但如果你有过一两个STM32或ESP32的开发经验跟着教程走应该问题不大。2. 核心硬件模块深度拆解要理解这个吊坠咱们得把它大卸八块看看里面到底用了哪些“料”。下面这个表格是项目的核心参数总览咱们先有个整体印象模块选用型号关键参数/说明主控芯片ESP32-S3-PICO-1-N8R8双核Xtensa LX78MB Flash8MB PSRAM集成Wi-Fi Bluetooth 5 LE显示屏GC9A01驱动1.28寸圆形分辨率240x240SPI接口双面各一块音频编解码ES8311低功耗音频Codec支持麦克风输入和扬声器输出麦克风AP2718ATMEMS硅麦克风用于语音采集音频功放AW8010AFCR1W单声道D类功放驱动喇叭喇叭1609型号1W功率8Ω阻抗复合铝膜防水电池锂电池120mAh容量注原文提到续航不持久充电/供电USB-C接口输入5V内置充电管理IC按键BOOT键用于交互控制兼作复位/下载模式触发结构定制外壳直径φ46.6mm厚度9.6mm3D打印黑色粗磨接下来咱们挑几个重点模块详细聊聊它们为什么被选中以及在这个项目里扮演什么角色。2.1 大脑ESP32-S3-PICO-1-N8R8模组主控是整个设备的大脑。这里作者没有直接用ESP32-S3的裸片而是选用了PICO-1-N8R8模组。这是一个非常明智的选择尤其对于这种空间受限的穿戴设备。为什么用模组模组已经将ESP32-S3芯片、Flash、PSRAM、射频匹配电路和天线全部集成在一个小封装里了。这意味着开发者不用自己去折腾复杂的高频射频电路设计和天线调试大大降低了开发难度和失败风险。对于小型团队或个人开发者来说这是快速实现产品化的捷径。“N8R8”是啥意思这指的是模组内置的存储器容量8MB的Flash和8MB的PSRAM。Flash用来存储程序代码和文件系统而PSRAM是额外的动态内存。对于要驱动双屏、处理音频甚至运行轻量AI模型的吊坠来说8MB的PSRAM提供了充足的“运行内存”保证系统流畅不卡顿。接口能力ESP32-S3本身拥有丰富的GPIO、SPI、I2S、I2C等接口足以驱动两块屏幕、连接音频芯片并处理按键输入。2.2 眼睛双面GC9A01圆形屏幕双面屏是这款吊坠外观上最吸引人的地方。两块1.28英寸的圆形屏幕背对背放置。驱动芯片GC9A01这是一款专为小尺寸、高分辨率显示屏设计的驱动IC。它通过SPI接口与主控通信。SPI是一种高速、全双工的同步通信协议非常适合用来传输屏幕图像数据。分辨率240x240在1.28寸的圆形区域内实现这个分辨率显示效果会比较细腻。因为屏幕是圆的实际有效的显示区域是一个内切圆编程时需要注意图形坐标的转换。SPI时钟优化到40MHz原文原理图部分特别提到了这一点。将SPI时钟设置到40MHz的高频可以极大地提升屏幕刷新率让动画更流畅。这也从侧面说明了ESP32-S3的强劲性能。在实际编程中你需要配置ESP32的SPI主机模式并正确设置时钟分频系数来达到这个速度。2.3 嘴巴和耳朵ES8311音频系统要让吊坠能听会说一套完整的音频采集和播放链必不可少。这个项目选用了一套非常经典的组合ES8311 AW8010AFCR AP2718AT。音频编解码器ES8311这是音频系统的核心。它相当于一个专业的“翻译官”。录音ADC它通过I2S接口从麦克风AP2718AT接收模拟的音频信号并将其转换成数字信号送给ESP32-S3处理。播放DAC它接收ESP32-S3通过I2S送来的数字音频信号转换成模拟信号输出给后级的功放。ES8311本身也集成了耳机驱动但这个项目显然用不到它主要用其低功耗和高音质的特性。功放AW8010AFCRES8311输出的模拟信号功率很小推不动喇叭。AW8010AFCR是一个D类功放效率很高能将信号放大到足以驱动1W喇叭的功率。D类功放的工作原理是PWM脉宽调制虽然效率高但可能需要一个简单的LC滤波电路来净化输出原理图中应该会有体现。麦克风AP2718AT这是一个MEMS微机电系统麦克风体积小性能稳定。它需要偏置电压输出的是模拟信号直接连接到ES8311的麦克风输入引脚。2.4 心脏供电与电池管理穿戴设备续航是永远的痛。这个吊坠内置了一颗120mAh的小电池。原文也坦诚地提到“续航不持久”这是物理限制在如此小的体积下很难放入大容量电池。充电管理通过USB-C口输入5V电压板子上一定有一颗锂电池充电管理IC虽然在提供的简短原文里没提具体型号。这颗芯片负责安全地给电池恒流/恒压充电并具备过充、过放保护功能是穿戴设备安全设计的必备。电源路径管理一个完善的供电系统还需要处理“有源供电”和“电池供电”的自动切换。当插入USB时系统应由USB直接供电并同时给电池充电拔掉USB后应无缝切换至电池供电。这通常由一个电源路径管理电路或芯片来完成。3. 电路设计要点与PCB布局挑战看完了主要芯片咱们再来聊聊把这些东西塞进一个小圆盘里电路设计上有什么讲究。3.1 高速信号SPI与I2S的走线这块板子上有两条重要的高速数据总线SPI总线连接主控和两个GC9A01屏幕。时钟频率高达40MHz。I2S总线连接主控和ES8311音频芯片用于传输音频数据。对于这种高频数字信号PCB布局布线时必须考虑信号完整性等长走线对于SPI的MOSI主机输出从机输入和MISO主机输入从机输出数据线尽量保证走线长度一致避免数据不同步。远离模拟部分SPI和I2S这些高速数字线应远离麦克风输入、音频输出等模拟信号线防止数字噪声串扰到敏感的模拟电路导致录音有杂音或播放有底噪。参考平面原文提到PCB是4层板。这多花的成本是值得的。通常中间两层会用作电源层和完整的地平面为表层的信号线提供良好的参考和屏蔽这对稳定驱动40MHz的SPI至关重要。3.2 紧凑布局与散热直径34.2mm的圆形PCB要放下ESP32模组、两个屏幕FPC连接器、音频芯片、电池接口、USB-C座等一大堆元件布局堪称“螺蛳壳里做道场”。双面贴片元器件肯定需要分布在PCB的两面Top层和Bottom层。热管理ESP32-S3和功放芯片在工作时都会发热。在密闭的塑料外壳内热量不易散出。PCB设计时可能需要在这些芯片的底部放置一些散热过孔将热量传导到背面或利用金属螺丝柱辅助散热。结构配合PCB上的螺丝孔、屏幕FPC座子的位置、电池仓的形状都必须与3D打印的外壳模型严丝合缝。这需要硬件工程师和结构工程师紧密配合。4. 复刻指南与成本核算如果你心动了也想自己做一个这部分就是给你的实用指南。4.1 物料采购清单与成本原作者非常贴心地提供了详细的物料成本核算这里我把它整理得更清晰一些物料类别具体规格/链接标准版成本DIY版成本说明PCB及贴片元件主控、阻容感等所有贴片件54.0054.00可在立创EDA上直接使用原工程进行SMT贴片圆形屏幕1.28寸GC9A01带焊接排线32.0032.00需购买两块3D打印外壳JLC Black 黑色粗磨工艺16.500.00DIY版可以自己想办法解决外壳锂电池401725规格120/150mAh4.004.00注意选择带保护板的喇叭1609复合铝膜防水喇叭8Ω 1W0.950.95螺母M1.4 * φ3 x 1.0 φ2 x 0.80.200.20用于固定外壳和PCB螺丝KM1.4*40.050.05合计107.7091.20DIY版省去了外壳费用成本解读标准版约108元包含了所有必要的部件拿到手焊接组装后即可使用最省心。DIY版约91元省去了立创3D打印外壳的费用。你可以尝试自己用其他方式制作外壳或者觉得裸板也能接受。主要成本PCB贴片54元和两块屏幕64元是大头占总成本的80%以上。这说明核心的电子部分成本是相对固定的。4.2 复刻步骤建议获取开源文件首先去文末提到的MakerWorld开源页面下载所有的设计文件包括原理图、PCB、Gerber、BOM表和3D外壳模型。PCB制造与贴片最方便的方法是在立创EDA里打开工程直接使用他们的SMT贴片服务。上传BOM表和坐标文件可以一站式完成空PCB板和元器件的采购与焊接。对于这种高密度板子自己手工焊接ESP32模组和0402封装的阻容元件非常困难强烈推荐使用贴片服务。采购外配元件根据BOM表在淘宝等平台采购屏幕、电池、喇叭、螺丝螺母等需要手动安装的“外配”元件。注意屏幕排线的引脚顺序和长度是否匹配。组装与焊接收到贴好片的PCB后自己动手焊接USB-C座、屏幕FPC连接器如果没选贴片的话、电池插座并安装喇叭、电池。烧录固件项目软件基于虾哥的小智AI聊天机器人开发。你需要搭建ESP-IDF开发环境克隆代码并根据硬件引脚定义修改相应的配置如SPI引脚、I2S引脚等然后编译并烧录到设备中。结构组装最后将PCB、屏幕模块装入3D打印的外壳用螺丝紧固就大功告成了。4.3 可能遇到的坑点屏幕不亮首先检查SPI接线是否正确尤其是CS片选引脚。两块屏幕的CS引脚不同需要分别控制。其次检查背光控制引脚的电平。没有声音播放没声检查ES8311的I2S连线以及功放AW8010的使能引脚。用示波器或万用表测一下功放输出端是否有音频信号。录音没声检查麦克风的偏置电压是否正常ES8311的麦克风输入通路配置是否正确。电池续航极短检查是否有元件异常发热这可能是短路或软件未进入睡眠模式。ESP32在待机时应配置为深度睡眠并通过按键或定时器唤醒。外壳装配困难3D打印件可能有公差。如果螺丝孔对不上或屏幕被压得太紧可能需要用小刀或锉刀进行细微修整。这个璀璨·AI吊坠项目是一个非常好的智能穿戴硬件设计范例。它展示了如何利用成熟的商用模组和芯片在极小的空间内整合显示、音频、交互和无线连接功能。无论你是想学习紧凑型硬件设计还是单纯想做一个酷炫的随身设备它都提供了从电路到结构的完整参考。硬件部分搞定了下一步就是给它注入灵魂——编写有趣的固件让它真正“智能”起来。这又是另一个充满挑战和乐趣的故事了。
立创璀璨·AI吊坠：基于ESP32-S3的双面圆屏智能穿戴硬件全解析
立创璀璨·AI吊坠基于ESP32-S3的双面圆屏智能穿戴硬件全解析最近在立创开源硬件平台上看到一个特别有意思的项目——璀璨·AI吊坠。它把一块双面圆形屏幕和ESP32-S3主控塞进了一个直径不到5厘米的小圆盘里既能当智能语音助手又能当个时尚小挂件。作为一个喜欢鼓捣硬件的工程师我立刻就被吸引了花了不少时间研究它的设计。今天我就从一个硬件开发者的角度带大家把这套设计的里里外外都拆解一遍看看它是怎么把这么多功能集成到这么小的空间里的也给想自己动手复刻或者借鉴设计的朋友们一份详细的参考。1. 项目概览这到底是个啥玩意儿简单来说璀璨·AI吊坠就是一个能戴在脖子上或者挂在包上的智能小设备。它的核心卖点有两个双面圆形屏幕和AI语音交互。想象一下一个比一元硬币大不了多少的圆形设备正反两面都是屏幕可以显示时间、天气、表情或者各种酷炫的动画。同时它内置了麦克风和喇叭你可以直接对它说话让它播音乐、查信息或者当个聊天机器人。这种把科技和配饰结合起来的思路确实挺有创意。从硬件角度看它本质上是一个高度集成的嵌入式系统。主控用了乐鑫的ESP32-S3这是目前物联网项目里的“明星芯片”性能强、功耗低还自带Wi-Fi和蓝牙。为了实现双面显示和音频功能还搭配了专门的屏幕驱动和音频编解码芯片。整个设计非常紧凑PCB直径只有34.2mm厚度控制在9.6mm重量仅23克佩戴起来几乎没有负担。注意这个项目在立创开源平台上的复刻难度被标记为三颗星⭐⭐⭐意味着需要一定的焊接和调试经验不适合完全的电子新手。但如果你有过一两个STM32或ESP32的开发经验跟着教程走应该问题不大。2. 核心硬件模块深度拆解要理解这个吊坠咱们得把它大卸八块看看里面到底用了哪些“料”。下面这个表格是项目的核心参数总览咱们先有个整体印象模块选用型号关键参数/说明主控芯片ESP32-S3-PICO-1-N8R8双核Xtensa LX78MB Flash8MB PSRAM集成Wi-Fi Bluetooth 5 LE显示屏GC9A01驱动1.28寸圆形分辨率240x240SPI接口双面各一块音频编解码ES8311低功耗音频Codec支持麦克风输入和扬声器输出麦克风AP2718ATMEMS硅麦克风用于语音采集音频功放AW8010AFCR1W单声道D类功放驱动喇叭喇叭1609型号1W功率8Ω阻抗复合铝膜防水电池锂电池120mAh容量注原文提到续航不持久充电/供电USB-C接口输入5V内置充电管理IC按键BOOT键用于交互控制兼作复位/下载模式触发结构定制外壳直径φ46.6mm厚度9.6mm3D打印黑色粗磨接下来咱们挑几个重点模块详细聊聊它们为什么被选中以及在这个项目里扮演什么角色。2.1 大脑ESP32-S3-PICO-1-N8R8模组主控是整个设备的大脑。这里作者没有直接用ESP32-S3的裸片而是选用了PICO-1-N8R8模组。这是一个非常明智的选择尤其对于这种空间受限的穿戴设备。为什么用模组模组已经将ESP32-S3芯片、Flash、PSRAM、射频匹配电路和天线全部集成在一个小封装里了。这意味着开发者不用自己去折腾复杂的高频射频电路设计和天线调试大大降低了开发难度和失败风险。对于小型团队或个人开发者来说这是快速实现产品化的捷径。“N8R8”是啥意思这指的是模组内置的存储器容量8MB的Flash和8MB的PSRAM。Flash用来存储程序代码和文件系统而PSRAM是额外的动态内存。对于要驱动双屏、处理音频甚至运行轻量AI模型的吊坠来说8MB的PSRAM提供了充足的“运行内存”保证系统流畅不卡顿。接口能力ESP32-S3本身拥有丰富的GPIO、SPI、I2S、I2C等接口足以驱动两块屏幕、连接音频芯片并处理按键输入。2.2 眼睛双面GC9A01圆形屏幕双面屏是这款吊坠外观上最吸引人的地方。两块1.28英寸的圆形屏幕背对背放置。驱动芯片GC9A01这是一款专为小尺寸、高分辨率显示屏设计的驱动IC。它通过SPI接口与主控通信。SPI是一种高速、全双工的同步通信协议非常适合用来传输屏幕图像数据。分辨率240x240在1.28寸的圆形区域内实现这个分辨率显示效果会比较细腻。因为屏幕是圆的实际有效的显示区域是一个内切圆编程时需要注意图形坐标的转换。SPI时钟优化到40MHz原文原理图部分特别提到了这一点。将SPI时钟设置到40MHz的高频可以极大地提升屏幕刷新率让动画更流畅。这也从侧面说明了ESP32-S3的强劲性能。在实际编程中你需要配置ESP32的SPI主机模式并正确设置时钟分频系数来达到这个速度。2.3 嘴巴和耳朵ES8311音频系统要让吊坠能听会说一套完整的音频采集和播放链必不可少。这个项目选用了一套非常经典的组合ES8311 AW8010AFCR AP2718AT。音频编解码器ES8311这是音频系统的核心。它相当于一个专业的“翻译官”。录音ADC它通过I2S接口从麦克风AP2718AT接收模拟的音频信号并将其转换成数字信号送给ESP32-S3处理。播放DAC它接收ESP32-S3通过I2S送来的数字音频信号转换成模拟信号输出给后级的功放。ES8311本身也集成了耳机驱动但这个项目显然用不到它主要用其低功耗和高音质的特性。功放AW8010AFCRES8311输出的模拟信号功率很小推不动喇叭。AW8010AFCR是一个D类功放效率很高能将信号放大到足以驱动1W喇叭的功率。D类功放的工作原理是PWM脉宽调制虽然效率高但可能需要一个简单的LC滤波电路来净化输出原理图中应该会有体现。麦克风AP2718AT这是一个MEMS微机电系统麦克风体积小性能稳定。它需要偏置电压输出的是模拟信号直接连接到ES8311的麦克风输入引脚。2.4 心脏供电与电池管理穿戴设备续航是永远的痛。这个吊坠内置了一颗120mAh的小电池。原文也坦诚地提到“续航不持久”这是物理限制在如此小的体积下很难放入大容量电池。充电管理通过USB-C口输入5V电压板子上一定有一颗锂电池充电管理IC虽然在提供的简短原文里没提具体型号。这颗芯片负责安全地给电池恒流/恒压充电并具备过充、过放保护功能是穿戴设备安全设计的必备。电源路径管理一个完善的供电系统还需要处理“有源供电”和“电池供电”的自动切换。当插入USB时系统应由USB直接供电并同时给电池充电拔掉USB后应无缝切换至电池供电。这通常由一个电源路径管理电路或芯片来完成。3. 电路设计要点与PCB布局挑战看完了主要芯片咱们再来聊聊把这些东西塞进一个小圆盘里电路设计上有什么讲究。3.1 高速信号SPI与I2S的走线这块板子上有两条重要的高速数据总线SPI总线连接主控和两个GC9A01屏幕。时钟频率高达40MHz。I2S总线连接主控和ES8311音频芯片用于传输音频数据。对于这种高频数字信号PCB布局布线时必须考虑信号完整性等长走线对于SPI的MOSI主机输出从机输入和MISO主机输入从机输出数据线尽量保证走线长度一致避免数据不同步。远离模拟部分SPI和I2S这些高速数字线应远离麦克风输入、音频输出等模拟信号线防止数字噪声串扰到敏感的模拟电路导致录音有杂音或播放有底噪。参考平面原文提到PCB是4层板。这多花的成本是值得的。通常中间两层会用作电源层和完整的地平面为表层的信号线提供良好的参考和屏蔽这对稳定驱动40MHz的SPI至关重要。3.2 紧凑布局与散热直径34.2mm的圆形PCB要放下ESP32模组、两个屏幕FPC连接器、音频芯片、电池接口、USB-C座等一大堆元件布局堪称“螺蛳壳里做道场”。双面贴片元器件肯定需要分布在PCB的两面Top层和Bottom层。热管理ESP32-S3和功放芯片在工作时都会发热。在密闭的塑料外壳内热量不易散出。PCB设计时可能需要在这些芯片的底部放置一些散热过孔将热量传导到背面或利用金属螺丝柱辅助散热。结构配合PCB上的螺丝孔、屏幕FPC座子的位置、电池仓的形状都必须与3D打印的外壳模型严丝合缝。这需要硬件工程师和结构工程师紧密配合。4. 复刻指南与成本核算如果你心动了也想自己做一个这部分就是给你的实用指南。4.1 物料采购清单与成本原作者非常贴心地提供了详细的物料成本核算这里我把它整理得更清晰一些物料类别具体规格/链接标准版成本DIY版成本说明PCB及贴片元件主控、阻容感等所有贴片件54.0054.00可在立创EDA上直接使用原工程进行SMT贴片圆形屏幕1.28寸GC9A01带焊接排线32.0032.00需购买两块3D打印外壳JLC Black 黑色粗磨工艺16.500.00DIY版可以自己想办法解决外壳锂电池401725规格120/150mAh4.004.00注意选择带保护板的喇叭1609复合铝膜防水喇叭8Ω 1W0.950.95螺母M1.4 * φ3 x 1.0 φ2 x 0.80.200.20用于固定外壳和PCB螺丝KM1.4*40.050.05合计107.7091.20DIY版省去了外壳费用成本解读标准版约108元包含了所有必要的部件拿到手焊接组装后即可使用最省心。DIY版约91元省去了立创3D打印外壳的费用。你可以尝试自己用其他方式制作外壳或者觉得裸板也能接受。主要成本PCB贴片54元和两块屏幕64元是大头占总成本的80%以上。这说明核心的电子部分成本是相对固定的。4.2 复刻步骤建议获取开源文件首先去文末提到的MakerWorld开源页面下载所有的设计文件包括原理图、PCB、Gerber、BOM表和3D外壳模型。PCB制造与贴片最方便的方法是在立创EDA里打开工程直接使用他们的SMT贴片服务。上传BOM表和坐标文件可以一站式完成空PCB板和元器件的采购与焊接。对于这种高密度板子自己手工焊接ESP32模组和0402封装的阻容元件非常困难强烈推荐使用贴片服务。采购外配元件根据BOM表在淘宝等平台采购屏幕、电池、喇叭、螺丝螺母等需要手动安装的“外配”元件。注意屏幕排线的引脚顺序和长度是否匹配。组装与焊接收到贴好片的PCB后自己动手焊接USB-C座、屏幕FPC连接器如果没选贴片的话、电池插座并安装喇叭、电池。烧录固件项目软件基于虾哥的小智AI聊天机器人开发。你需要搭建ESP-IDF开发环境克隆代码并根据硬件引脚定义修改相应的配置如SPI引脚、I2S引脚等然后编译并烧录到设备中。结构组装最后将PCB、屏幕模块装入3D打印的外壳用螺丝紧固就大功告成了。4.3 可能遇到的坑点屏幕不亮首先检查SPI接线是否正确尤其是CS片选引脚。两块屏幕的CS引脚不同需要分别控制。其次检查背光控制引脚的电平。没有声音播放没声检查ES8311的I2S连线以及功放AW8010的使能引脚。用示波器或万用表测一下功放输出端是否有音频信号。录音没声检查麦克风的偏置电压是否正常ES8311的麦克风输入通路配置是否正确。电池续航极短检查是否有元件异常发热这可能是短路或软件未进入睡眠模式。ESP32在待机时应配置为深度睡眠并通过按键或定时器唤醒。外壳装配困难3D打印件可能有公差。如果螺丝孔对不上或屏幕被压得太紧可能需要用小刀或锉刀进行细微修整。这个璀璨·AI吊坠项目是一个非常好的智能穿戴硬件设计范例。它展示了如何利用成熟的商用模组和芯片在极小的空间内整合显示、音频、交互和无线连接功能。无论你是想学习紧凑型硬件设计还是单纯想做一个酷炫的随身设备它都提供了从电路到结构的完整参考。硬件部分搞定了下一步就是给它注入灵魂——编写有趣的固件让它真正“智能”起来。这又是另一个充满挑战和乐趣的故事了。
