卡西欧 F-91W 终极改造：从 ATtiny85 到 SAM L22 的自定义固件工程实践

卡西欧 F-91W，一款诞生于 1989 年的数字手表，以其极简设计、可靠性和惊人的性价比，成为了全球范围内的文化符号。然而，对于今天的硬件工程师和创客而言，F-91W 不仅仅是一件计时工具，更是一个近乎完美的硬件改装平台。虽然网络上流传着许多关于其外观的美学改造（如屏幕反向偏光、清除丝印等），但真正的“终极改造”，在于深入其核心，用一颗现代、可编程的“心脏”——微控制器（MCU）——来替换其原始电路，从而赋予它无限的可能性。

本文将深入探讨替换 F-91W 原厂机芯、实现自定义固件的硬件工程实践，从入门级的 ATtiny85 概念验证，到以“Sensor Watch”项目为代表的、基于 ARM Cortex-M0+ (Microchip SAM L22) 的成熟方案，分析其中的关键技术挑战与落地参数。

核心理念：赋予经典硬件一颗可编程的大脑

F-91W 的原厂电路是一个高度集成的专用集成电路 (ASIC)，功能固定，无法修改。硬件改装的核心思想，就是设计一块全新的印刷电路板 (PCB)，使其在物理尺寸上能完美替代原始机芯，并搭载一颗通用微控制器。这颗 MCU 将负责三项核心任务：

1. 读取输入：监测三个物理按键的按压状态。
2. 驱动显示：控制原始的段式 LCD 屏幕，显示时间、日期及自定义信息。
3. 运行逻辑：执行我们自己编写的固件代码，实现超越原版的功能。

这个过程将一款功能单一的消费电子产品，转变为一个完全可定制的嵌入式系统开发平台。

概念验证：使用 ATtiny85 的可能性与局限

对于初次接触此类改造的工程师来说，8位的 ATtiny85 是一款极具吸引力的入门级 MCU。它体积小、功耗低、拥有活跃的社区支持，并且可以使用 Arduino IDE 进行编程，大大降低了开发门槛。

一个基于 ATtiny85 的改造方案，其工程链路大致如下：

1. 硬件连接：使用 Arduino Uno 作为在系统编程器 (ISP)，将编译好的固件烧录到 ATtiny85 中。
2. PCB 设计：设计一块极简的 PCB，板载 ATtiny85、连接 LCD 的导电斑马条触点、按键触点以及 CR2016 电池座。
3. 固件开发：编写代码来扫描按键、管理时间（可能需要外部 RTC 或利用内部时钟校准），并通过 GPIO 口“位敲击” (Bit-Banging) 的方式驱动 LCD。

然而，ATtiny85 在此应用中存在几个严峻的工程挑战：

• I/O 引脚限制：ATtiny85 只有 6 个可用的 I/O 引脚。F-91W 的 LCD 屏幕拥有多个公共引脚 (COM) 和段引脚 (SEG)，直接驱动所需的引脚数量远超 ATtiny85 的能力范围。虽然可以采用查理复用 (Charlieplexing) 等技术扩展，但这会显著增加软件复杂度和功耗。
• LCD 驱动的复杂性：段式 LCD 需要交流信号来驱动，以防止电化学效应导致液晶材料过早老化。直接用 MCU 的 GPIO 输出直流高低电平是不可行的。开发者必须在软件中模拟特定频率的交流波形，这不仅消耗大量的 CPU 周期，还难以做到精确和低功耗。
• 功耗管理：要实现原厂手表长达数年的续航，MCU 必须在绝大多数时间处于深度睡眠模式。频繁唤醒以模拟 LCD 驱动信号，会使得功耗控制变得极其困难。

因此，尽管 ATtiny85 是一个很好的教学工具，可以用来理解项目基本原理，但对于构建一个功能完整且续航可靠的 F-91W 替代机芯而言，它并非理想选择。

成熟方案：以 Sensor Watch (SAM L22) 为例的工程实践

Joey Castillo 的开源项目“Sensor Watch”是 F-91W 固件改装领域的一个标杆。它没有选择 ATtiny85，而是采用了一款功能强大得多的 32 位 ARM Cortex-M0+ 微控制器——Microchip SAM L22。这个选择完美地解决了 ATtiny85 面临的所有痛点。

关键技术参数与优势：

1. 内置段式 LCD 控制器：SAM L22 最核心的优势在于其片上集成的段式 LCD (SLCD) 控制器。开发者不再需要手动模拟交流波形，只需将 MCU 的引脚连接到 LCD 的 COM 和 SEG 端，然后通过配置相关寄存器，即可让硬件自动处理所有低层驱动任务。这不仅极大简化了软件开发，更重要的是，它能在 MCU 内核睡眠时自主工作，实现极致的低功耗。
2. 丰富的 I/O 和外设：SAM L22 提供了充足的 I/O 引脚，可以轻松直连 F-91W 的全部 LCD 接口和按键，无需任何复用技巧。此外，它还集成了实时时钟 (RTC)、I2C/SPI 接口等，为后续功能扩展（如添加传感器）打下了坚实基础。
3. 超低功耗架构：作为一款专为低功耗应用设计的 MCU，SAM L22 拥有多种睡眠模式，其在包含 RTC 运行和 LCD 显示的最低功耗模式下，电流消耗仅为几微安级别，完全有能力在单颗 CR2016 电池下实现超过一年的续航。
4. UF2 引导加载程序：Sensor Watch 项目为主板集成了对 UF2 (USB Flashing Format) 引导加载程序的支持。这意味着用户只需通过板载的 USB-C 或 Micro-B 接口将手表连接到电脑，双击复位按钮，手表就会模拟成一个 U 盘。将编译好的固件文件拖入这个“U 盘”，即可完成烧录，整个过程无需外部编程器，极为便捷。

工程化落地清单

想要复刻或开发类似的 F-91W 改装项目，需要关注以下可落地的工程要点：

关键环节	技术参数与策略
MCU 选型	首选：集成 SLCD 控制器的低功耗 MCU (如 SAM L22/L21, 部分 STM32L 系列)。次选：I/O 数量充足，具备精确 RTC 和深度睡眠模式的 MCU，但需自行承担 LCD 驱动的软件复杂性。
PCB 设计	必须使用卡尺精确测量原始机芯尺寸（厚度、外形轮廓、螺丝孔位），确保 1:1 替换。LCD 和按键的弹簧触点位置必须精确对齐。优先选用 4 层板设计，以便更好地进行电源和信号布线。
电源管理	严格控制物料清单 (BOM) 中每个元件的静态与动态功耗。固件设计必须以“默认睡眠”为原则，仅在必要时（如按键中断）唤醒 CPU 内核进行处理。
LCD 逆向工程	在驱动自定义 LCD 之前，需要逆向工程出原厂 LCD 的引脚布局。通过万用表或示波器，可以确定每个段 (Segment) 由哪个 COM/SEG 引脚组合点亮，并绘制出完整的引脚映射表。
固件框架	建立一个事件驱动的固件框架。核心是一个低功耗的定时器中断（如每秒一次）用于更新时间，以及外部中断服务程序用于响应按键。所有非核心任务都应在事件循环中处理，并在完成后立即返回睡眠模式。

结论

将卡西欧 F-91W 从一个简单的计时器，转变为一个可编程的、功能可扩展的个性化设备，是一项极具挑战性但回报丰厚的硬件工程项目。它完美融合了逆向工程、PCB 设计、低功耗固件开发和嵌入式系统知识。虽然使用 ATtiny85 这样的基础 MCU 可以帮助我们理解其核心概念，但要打造一款真正实用、可靠的日常佩戴设备，选用像 SAM L22 这样带有专用外设的现代微控制器才是明智之道。

正如 Sensor Watch 项目所展示的，通过精心的工程设计，我们可以站在经典的肩膀上，用代码为这些标志性产品注入新的灵魂，这正是硬件 hacking 文化的魅力所在。