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HRS

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硬件能力手册（HRS）

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来源：Stage5_2 硬件能力手册 Hardware Requirements Specification（HRS）

产品/项目名称EC-S100 受限网络工况下生命体征监控智能手表（STM32F411 + nRF52840 双MCU）
文档类型Hardware Requirements Specification（HRS）/ 硬件需求规格说明书
阶段定位承接 SyRS（系统需求）与 SAD（系统架构），定义可验证的硬件需求边界与指标
范围硬件平台（PCB/器件/电源/射频/结构接口/产测接口）；软件实现细节不在本文档范围内
版本/状态V1.0 / Draft（可评审）
编写日期2026-01-02

文档变更记录

版本日期修订内容修订人审核人
V1.02026-01-02基于 EC-S100 项目实际架构与 Stage3~Stage5 输入，形成可验证、可追踪的硬件需求规格说明书（HRS），并同步更新“无NFC、GPS经手机BLE获取”。SimonTBD

1 引言

1.1 目的

本文档用于定义 EC-S100 智能手表的硬件需求（HRS），确保硬件设计可支撑系统需求（SyRS）、软件需求（SSRD/SRS）及后续验证（V&V）。需求采用可度量、可验证的表达，便于评审、采购、测试与量产。

1.2 范围与边界

包含：MCU与存储、显示与交互、传感器与采集、供电与充电、射频与天线、接口与调试、结构与环境适应、可靠性与可制造性。

不包含：手机App与云平台需求；算法细节；生产工艺参数（另行以工艺文件/检验规范覆盖）。

1.3 参考文档

编号文档说明
REF-1Stage3 系统需求规格说明书（SyRS）系统级需求来源
REF-2Stage4 系统架构文档（SAD）/ ADR / SID / RAM架构与接口约束
REF-3Stage5 软件系统需求定义（SSRD）与软件需求规格说明书（SRS）对硬件能力的依赖（存储/功耗/接口/安全等）
REF-4EC-S100 智能手表软件架构设计文档（STM32F411侧）实际工程分层与外设组合（W25Q64/AHT21/MPU6050等）

1.4 术语与缩写

缩写含义
HRSHardware Requirements Specification / 硬件需求规格说明书
MCUMicrocontroller Unit / 微控制器
SoCSystem on Chip / 片上系统
PPGPhotoplethysmography / 光电容积脉搏波
IMUInertial Measurement Unit / 惯性测量单元
LSELow Speed External crystal / 低速外部晶振(32.768kHz)
SWDSerial Wire Debug / 串行调试接口
ESDElectrostatic Discharge / 静电放电
EMCElectromagnetic Compatibility / 电磁兼容

1.5 需求编号规则

硬件需求采用统一编号：HRS--。CATEGORY 建议：SYS（系统/通用）、MCU、BLE、DISP、INP、SENS、STRG、PWR、IF（接口）、SEC（安全）、MECH（结构）、ENV（环境）、REL（可靠性）、MFG（可制造/产测）、REG（法规）。

优先级：P0（必须/阻塞交付）、P1（重要/应具备）、P2（可选/后续版本）。验证方式：I（检查/评审）、A（分析/计算）、T（测试/实验）、D（演示/试用）。

2 产品与场景约束（受限网络工况）

2.1 应用场景摘要

面向矿井、隧道、山区、海上平台等弱网/无网环境的作业人员安全管理。手表需在离线情况下完成生命体征采集、告警、存储与本地提示；当与手机建立 BLE 连接后同步数据与位置。GPS 不在手表侧实现，由手机侧定位并经 BLE 同步。NFC 功能不纳入当前版本。

2.2 关键硬件设计驱动

驱动点硬件含义典型影响
离线可用设备侧必须具备本地计算与存储能力外部 Flash 容量、写入寿命、掉电保护
低功耗长续航多状态功耗可控，支持深度睡眠电源架构、时钟、唤醒源、传感器占空比
强干扰与鲁棒通信/电源/ESD/EMC 需强化UART协议可靠性、ESD防护、接地/屏蔽
可量产可测试必须有产测接口与可测点SWD/串口/射频测试、治具接触点、ICT/功能测试

3 硬件总体方案（概述）

3.1 双MCU分工

STM32F411 负责 UI/传感器/存储/低功耗；nRF52840 负责 BLE 连接与手机交互。两者通过 UART 进行协议化通信（ACK/超时重传/CRC）。该方案降低射频复杂度与主控负担，同时便于后续 BLE 能力升级。

3.2 关键器件与外设清单（最小配置）

子系统建议器件/接口备注
主控MCUSTM32F411CEU6Cortex-M4F
BLE协处理nRF52840BLE 5.x/mesh 预留
外部FlashW25Q64（8MB）OTA缓存/日志/数据
显示240x240 TFT（ST7789或同级）+ SPI背光PWM控制
输入触摸屏/按键（至少1个物理按键）用于唤醒/确认
传感器AHT21（温湿度）、MPU6050（IMU）、PPG（HR/SpO2，可选）根据版本裁剪
音/振动蜂鸣器或喇叭 + 振动马达（可选）用于告警提示
电源锂电池 + 充电管理 + 电量采样支持低电策略
调试/产测SWD（STM32）、SWD或SWDIO（nRF）、UART测试点量产与返修

4 硬件需求（HRS）

4.1 系统与通用需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-SYS-001硬件方案应支持 STM32F411 主控 + nRF52840 BLE 协处理的双MCU架构。P0I来源：SAD/EC-S100架构
HRS-SYS-002系统应具备离线运行能力：无手机/无网络时仍可完成采集、告警与本地存储。P0D/T来源：SyRS（受限网络工况）
HRS-SYS-003不集成 NFC；定位由手机侧获取并通过 BLE 同步至设备。P0I/D需求变更：NFC删除；GPS转手机
HRS-SYS-004硬件应预留关键扩展接口（I2C/SPI/UART/GPIO）用于后续传感器/功能扩展。P1I平台化/可演进
HRS-SYS-005主板布局应满足手表结构空间约束并支持量产装配（治具可达）。P0I结构/工艺约束

4.2 主控 MCU 子系统需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-MCU-001主控 MCU 选型应满足：主频>=84MHz，片上Flash>=512KB，SRAM>=128KB，支持FPU。P0I建议：STM32F411CEU6
HRS-MCU-002主控应支持 SPI/I2C/UART/DMA/RTC/低功耗模式（Stop/Standby）并可在 FreeRTOS 下稳定运行。P0I/D来源：SRS/SSRD 依赖
HRS-MCU-003主控应支持 SWD 调试接口，并在 PCB 上提供可接触测试点或连接器。P0I/T量产/返修
HRS-MCU-004应提供 32.768kHz LSE 晶振以支持 RTC 低功耗计时与唤醒。P0I/T来源：Tickless/RTC需求
HRS-MCU-005系统上电复位与外部复位电路应保证可靠复位（含上电慢升与抖动场景）。P0T可靠性
HRS-MCU-006关键时钟源（HSE/LSE）应满足温漂与精度需求，RTC走时误差应可校准（软件校时）。P1A/T与手机同步时间

4.3 BLE 与射频需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-BLE-001BLE 协处理器应支持 BLE 5.x，支持 GATT 数据传输与连接参数配置。P0I/T建议：nRF52840
HRS-BLE-002nRF 与 STM32 应通过 UART 连接，至少支持 1Mbps 波特率（或更高），并提供硬件流控预留（RTS/CTS）。P0I/T通信可靠性
HRS-BLE-003射频天线方案应满足目标通信距离与稳定性（典型 5-10m 室内，视环境TBD）。P1T场景：矿井/厂区
HRS-BLE-004射频走线与地参考应满足 nRF 官方参考设计要求，预留 π 型匹配网络。P0IRF可调
HRS-BLE-005射频与数字电源应分区，关键噪声源（LCD/SPI/Flash）对RF影响需评审。P1I/AEMI/性能
HRS-BLE-006支持通过 BLE 与手机同步定位信息（手机GPS/基站/WiFi定位），设备侧仅存储与展示。P0D/T变更：GPS经手机获取

4.4 显示子系统需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-DISP-001显示屏应至少支持 240x240 分辨率，16位色深，SPI 接口刷新。P0I/T来源：EC-S100 UI
HRS-DISP-002SPI 时钟与DMA刷新应满足 UI 流畅性需求（建议 SPI>=20MHz，目标40MHz，视EMI调整）。P1T/A性能预算
HRS-DISP-003背光应支持至少 5 级亮度调节（PWM 或 DAC）。P0T/D用户体验/功耗
HRS-DISP-004应支持灭屏低功耗策略：背光关闭后屏幕与触控进入低功耗（若器件支持）。P0T续航
HRS-DISP-005显示与外部Flash若共享SPI总线，应保证仲裁与布局满足信号完整性。P1I/T并发与SI

4.5 输入与交互需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-INP-001至少提供 1 个物理按键用于唤醒/确认/返回（支持中断唤醒）。P0T可用性
HRS-INP-002若采用触摸屏，应为电容触摸，I2C 接口，具备中断输出用于唤醒与事件触发。P1I/T配置项
HRS-INP-003按键/触控应具备 ESD 防护与去抖设计（硬件RC或软件去抖配合）。P0T/I可靠性

4.6 传感器与采集需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-SENS-001温湿度传感器应支持 I2C 接口，典型测量范围满足作业环境，精度指标由系统需求决定（温度目标±0.2C，TBD确认）。P1T建议：AHT21
HRS-SENS-002IMU 应支持三轴加速度+陀螺（或至少三轴加速度），支持中断输出用于运动/跌倒检测。P0T建议：MPU6050
HRS-SENS-003IMU 采样链路应支持 DMA/中断等高性能路径（由 MCU 外设能力保证）。P1D来源：EC-S100 双buffer方案
HRS-SENS-004PPG（心率/血氧）传感器应支持稳定采集与LED驱动能力，指标（BPM误差/SpO2误差）由产品需求确认。P1T版本可选
HRS-SENS-005传感器电源应支持按需上电/关断（Power domain control），降低待机功耗。P0T续航
HRS-SENS-006I2C 总线应支持故障恢复设计（如总线卡死释放、上拉电阻匹配）。P0T鲁棒性

4.7 存储子系统需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-STRG-001应提供外部 NOR Flash 不小于 8MB，用于 OTA 缓存、日志与离线数据。P0I/T建议：W25Q64
HRS-STRG-002外部 Flash 应满足擦写寿命需求，支持坏块/磨损均衡策略（软件实现），硬件需保证供电稳定。P0A/I可靠性
HRS-STRG-003Flash 供电与 SPI 信号应满足信号完整性，必要时加串阻/端接与布局约束。P1I/TSI
HRS-STRG-004应支持掉电场景的数据一致性：供电滤波/电容储能满足最小写入原子性（具体值由分析确定）。P1A/T掉电保护

4.8 电源与充电需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-PWR-001供电系统应支持单节锂电池供电（3.0-4.2V）并具备过充/过放/过流保护。P0T/I安全
HRS-PWR-002应支持充电（USB/磁吸/触点，具体方案TBD），充电电流与充电时间满足使用场景（TBD）。P1T产品定义
HRS-PWR-003应提供电池电压采样通道（ADC）用于电量估算，采样误差可校准。P0T续航管理
HRS-PWR-004系统应支持低功耗模式：Stop/Tickless，唤醒源至少包含 RTC、按键、BLE/UART事件、传感器中断（若使用）。P0T/D来源：SSRD/SRS
HRS-PWR-005关键电源轨应具备上电时序与纹波控制，避免 LCD/射频/传感器互相干扰。P1I/TEMI/稳定性
HRS-PWR-006应预留电源开关/负载开关控制（GPIO）以实现分域上电（传感器/显示/外设）。P1I功耗优化

4.9 接口、调试与产测需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-IF-001应提供 STM32 SWD 调试接口可接触测试点；支持量产下载与调试。P0I/TMFG/返修
HRS-IF-002应提供 nRF 调试/下载接口（SWD 或官方推荐），支持固件烧录与射频校准。P0I/TMFG
HRS-IF-003应提供 UART 产测点（STM32 ←> nRF 旁路或测试口），支持协议联调与故障定位。P1I/T诊断
HRS-IF-004关键外设总线（I2C/SPI）建议预留测试点（SCL/SDA/MISO/MOSI/CLK/CS）。P1I调试效率
HRS-IF-005关键 IO 需进行 ESD 保护（触摸/按键/充电口/外露金属触点）。P0T/I可靠性

4.10 安全与防护需求（可选）

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-SEC-001如涉及安全启动/防抄板，建议引入安全存储器件（加密芯片/安全元件，内部含EEPROM）用于保存启动密钥与标志位。P1I安全策略（可选）
HRS-SEC-002关键固件升级链路需支持完整性保护（Hash/CRC），硬件需保证密钥存储与调试口管控策略可实施。P1I与 OTA/安全相关

4.11 结构与工业设计需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-MECH-001整机结构应满足佩戴舒适与可靠固定，避免传感器与皮肤接触不稳导致数据失真。P0D/IPPG/温度相关
HRS-MECH-002整机应满足防尘防水目标（建议 IP65 或以上，具体等级TBD）。P1T工况：矿井/户外
HRS-MECH-003整机重量与尺寸应符合佩戴场景（TBD：例如<60g）。P2I产品体验

4.12 环境与EMC需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-ENV-001工作温度范围应覆盖典型作业环境（建议 -10C~+50C，TBD确认）。P1T环境适应
HRS-ENV-002存储温度范围建议 -20C~+60C（TBD确认）。P2T运输/仓储
HRS-ENV-003应满足 ESD 抗扰：接触放电/空气放电等级按目标法规或企业标准（TBD）。P1TEMC
HRS-ENV-004关键器件应满足抗振动/抗跌落要求（TBD：例如 1m 跌落无功能损坏）。P1T可靠性

4.13 可靠性需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-REL-001硬件设计应支持连续运行可靠性：电源、时钟、复位、电池连接需做防松/防抖。P0I/T长期运行
HRS-REL-002关键器件选型需评估供货周期与替代料（第二来源），降低供应链风险。P1I量产风险

4.14 可制造性与产测需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-MFG-001PCB 应满足可制造性（DFM）：走线宽距、阻抗控制（RF/SPI）、拼板/定位孔等。P0I生产约束
HRS-MFG-002应定义产测策略：ICT(可选)+功能测试；必须可验证关键外设（I2C/SPI/UART/Flash/显示/电池）。P0D/T量产
HRS-MFG-003应预留治具接触点（pogo pin）满足烧录、校准、通信与电流测试。P0I产测效率
HRS-MFG-004应支持固件烧录与版本追溯：预留序列号/二维码/标签位，或在Flash中记录硬件版本。P1I/D追溯

4.15 法规与合规需求

Req ID需求描述优先级验证方式备注/来源
HRS-REG-001整机材料与器件应满足 RoHS/REACH 等环保要求（若目标市场要求）。P1I合规
HRS-REG-002射频部分应满足目标市场认证（如 CE/FCC/SRRC，具体TBD）。P1I/T法规
HRS-REG-003充电与电池安全需满足相关标准（如 IEC/GB，具体TBD）。P1I/T安全合规

5 验证与确认计划（V&V）

5.1 验证方法定义

方法缩写说明例子
检查/评审I文档/原理图/PCB/器件/布局评审RF走线、接口预留
分析/计算A功耗预算、储能电容计算、SI/PI仿真续航估算、掉电保护
测试/实验T实验室或现场测试验证指标ESD/EMC、距离测试、功耗测试
演示/试用D端到端场景跑通与演示离线告警、同步定位

5.2 关键验证清单（建议）

编号验证项目标工具/方法
V-HW-001功耗测试Active/Idle/Stop 电流曲线与续航估算电流表/功耗分析仪
V-HW-002UART链路鲁棒性丢包/干扰下重传有效串口抓包/干扰注入
V-HW-003Flash 写入与掉电恢复日志/数据一致性掉电测试治具
V-HW-004传感器数据稳定性采样链路稳定、异常可恢复数据回放/现场测试
V-HW-005BLE连接与距离典型距离与断连恢复手机/射频测试
V-HW-006ESD/EMC 预检满足企业/法规目标ESD枪/EMI预扫

6 追溯与一致性（Traceability）

本节用于建立 SyRS/SSRD/SRS 与 HRS 的映射关系，保证需求不丢失且可验证。完整矩阵可在评审后补齐到 RAM 与测试用例库。

上游需求（示例）描述对应HRS说明
SyRS-SAF-xxx离线告警必须在设备侧闭环HRS-SYS-002 / HRS-SENS-002 / HRS-DISP-001本地闭环依赖传感器+显示+存储
SRS-COM-xxx与手机通信及定位同步HRS-BLE-001 / HRS-BLE-006 / HRS-BLE-002GPS由手机侧提供
SSRD-OTA-xxx支持OTA与回滚HRS-STRG-001 / HRS-IF-001 / HRS-SEC-002外部Flash与调试口策略
SSRD-PWR-xxx低功耗与唤醒源HRS-PWR-004 / HRS-MCU-004 / HRS-INP-001LSE/按键/中断

注：上游需求编号以最终 SyRS/SSRD/SRS 为准，本表为示例模板。

7 TBD/开放项清单

编号事项责任方备注
TBD-001电池容量目标与续航指标（典型/最差）产品经理/硬件/软件需要功耗预算与场景定义
TBD-002防水等级IP目标与结构方案结构/项目经理影响成本与工艺
TBD-003PPG 方案是否纳入首版及精度指标产品/算法/硬件影响成本与功耗
TBD-004充电方案（USB/磁吸/触点）与标准要求硬件/结构影响结构与可靠性
TBD-005目标市场认证范围（CE/FCC/SRRC等）产品/项目经理影响射频/EMC与材料

关系图谱

反向链接