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作者：Altera 總編輯Ron Wilson 可穿戴電子系統(tǒng)的發(fā)展，不論生物計(jì)量、通信還是虛擬現(xiàn)實(shí)，都將嵌入式系統(tǒng)概念延伸到新的未知領(lǐng)域。把傳感器和輸出設(shè)備放到操作人員身上，產(chǎn)生了一個(gè)新詞——電子人：人類和嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合。 可穿戴系統(tǒng)為實(shí)際應(yīng)用開辟了新遠(yuǎn)景，需要重新展望嵌入式體系結(jié)構(gòu)。以可黏貼或者可攝入方式所使用的傳感器群完全與傳統(tǒng)的電源、接地和I/O連接相隔離。為實(shí)現(xiàn)微小體積以及近乎零功耗，小傳感器群要支持傳統(tǒng)的本地信號(hào)處理、存儲(chǔ)和無線互聯(lián)，而且不限于此。這是設(shè)計(jì)師必須要解決的兩難問題。 把系統(tǒng)分開 解決可穿戴系統(tǒng)難題的一種方法是參照傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這包括了傳感器、致動(dòng)器以及與用戶身體連接的顯示屏等。在移動(dòng)性、舒適性和可隱藏需求的推動(dòng)下，需要把系統(tǒng)分開。傳感器、輸出設(shè)備和計(jì)算資源在物理上彼此分開后，看一下系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)會(huì)有什么變化。 作為一個(gè)例子，參考智能眼鏡的設(shè)計(jì)。為避免老生常談，我們不討論大家熟悉的消費(fèi)類產(chǎn)品，而是看一下工業(yè)設(shè)備供應(yīng)商 XOEye 設(shè)計(jì)的眼鏡。這些眼鏡用于元器件觀察、庫存處理、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等活動(dòng)。這一系統(tǒng)具有立體安裝 720 線視頻攝像機(jī)、語音輸入，以及 LED 和語音輸出，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以交互式方式幫助人們完成某些預(yù)先定義好的任務(wù)。 XOEye 首席技術(shù)官 Jon Sharp 解釋說，這一眼鏡采集并分析用戶所看到的立體圖像，增強(qiáng)了對(duì)元器件的分辨能力，不需要物理接觸或者測(cè)量工具就能夠測(cè)量尺寸和形狀，在維修過程中與技術(shù)人員交互——“先調(diào)整左側(cè)的螺絲”，或者通過閃爍的紅色LED警告有可能出現(xiàn)的安全傷害。“不要到那里去！” 這類設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的方法會(huì)使用安裝在眼鏡上的攝像機(jī)和麥克風(fēng)，然后進(jìn)行視頻處理，目標(biāo)識(shí)別，通過背在后面的背包和電池建立無線通信鏈路。對(duì)這一設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的用戶響應(yīng)是看一下背包，然后小心翼翼彎下腰去使用系統(tǒng)。 讓我們進(jìn)入可穿戴技術(shù)這一概念。XOEye的方法是實(shí)現(xiàn)完全自主的眼鏡。這一目標(biāo)很明顯有空間和功耗限制。我們不可能變魔術(shù)，這些限制迫使必須遠(yuǎn)程完成某些計(jì)算，一般是在云端。但是對(duì)計(jì)算載荷進(jìn)行劃分也帶來了新的設(shè)計(jì)難題。 建立鏈接 在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)上，把大量的計(jì)算任務(wù)移到云端并不是什么新概念。創(chuàng)想技術(shù)公司業(yè)務(wù)開發(fā)資深總監(jiān) Chakra Parvathaneni 指出，這種劃分隨應(yīng)用而不同。他注意到，“家庭恒溫調(diào)節(jié)器有很多本地處理任務(wù)，但是蘋果的Siri幾乎都在云端。” 在XOEye的例子中，把任務(wù)移到云端意味著要么有足夠的帶寬來傳送原始格式的兩路視頻流，要么在眼鏡中實(shí)時(shí)完成視頻壓縮。后者采用現(xiàn)有的媒體處理芯片是可行的，但是要有體積合適的電池。可是，還有另一個(gè)問題。 Sharp 提醒說，“即使沒有鏈接時(shí)，您也必須維持人機(jī)接口以及某些功能。例如，當(dāng)您失去 WiFi 連接時(shí)，一定要實(shí)時(shí)識(shí)別安全問題。” 某些功能會(huì)要求一定程度的連續(xù)實(shí)時(shí)響應(yīng) — 互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)端的云計(jì)算是無法保證的。 這些問題要求進(jìn)行本地處理，與眼鏡的大小、重量和功耗限制相矛盾。XOEye最初想采用MCU 與加速器相結(jié)合的OMAP體系結(jié)構(gòu)來解決這一問題。OMAP SoC能夠處理傳統(tǒng)的媒體處理任務(wù)，但是，Sharp感嘆到， “無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)立體測(cè)距。” 因此，XOEye轉(zhuǎn)向CPU加FPGA的方法，不論應(yīng)用需要什么樣的任務(wù)，他們都能夠建立高能效的本地加速器。 智能集線器 即使工作條件能夠保證與無線集線器的本地互聯(lián)，從集線器通過互聯(lián)網(wǎng)到云端的來回鏈路仍然會(huì)引入不可接受的不確定性。這是IoT所面臨的結(jié)構(gòu)難題之一。考慮到這些情況，如果要在可穿戴設(shè)備之外完成某些計(jì)算任務(wù)，那么，可以將其放在本地?zé)o線集線器上，而不是云端 (圖1)。當(dāng)然，這就不能只使用商用WiFi集線器。 
圖1. 可穿戴嵌入式系統(tǒng)成為智能集線器無線網(wǎng)絡(luò) 在WiFi集線器中集成計(jì)算節(jié)點(diǎn)大幅度提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。相對(duì)而言，集線器在空間和功耗上一般不受限制，因此，您可以把一些計(jì)算和存儲(chǔ)資源放在那里。短距離WiFi鏈路能夠提供可靠的寬帶、可預(yù)測(cè)的延時(shí)連接，支持集線器參與關(guān)鍵控制或者人機(jī)接口循環(huán)，在這其中，意外的延時(shí)會(huì)帶來問題。而且，集線器帶有多任務(wù)CPU和相應(yīng)的加速器，完成很多遠(yuǎn)程可穿戴設(shè)備的處理任務(wù)。 智能射頻 如果可穿戴設(shè)備比眼鏡小很多，比如腕帶，置入到鞋內(nèi)的器件，以及大點(diǎn)的藥丸等，那會(huì)怎樣呢?沒有足夠的空間容納大電池，就無法支持大功率，WiFi也就無法一直保持接通。無線方式轉(zhuǎn)向了藍(lán)牙或者功耗極低的短距離鏈路。集線器現(xiàn)在本身成為可穿戴設(shè)備，裝在皮帶上或者口袋里，與傳感器在一米距離內(nèi) — 如果只支持近場(chǎng)無線鏈路，那就可能會(huì)非常近。而任務(wù)劃分問題以很有趣的方式發(fā)生了變化。 一些難題反而促進(jìn)了可穿戴設(shè)備的發(fā)展。至少要包括傳感器、查詢這些傳感器的控制器，以及無線接口。仔細(xì)的調(diào)整占空比，微小電池能夠支持這些負(fù)載——低能耗設(shè)備。但是，現(xiàn)在把計(jì)算放在哪里呢? 傳感器和第一級(jí)傳感器處理之間的帶寬成為很大的問題。無線鏈路能夠?qū)崟r(shí)承載來自傳感器的原始數(shù)據(jù)流嗎?如果不能，能否把一些能耗花在提高鏈路帶寬，或者傳感器的本地處理上?如果系統(tǒng)用戶模型變化了，答案會(huì)不同嗎? 解決這一問題的一種途徑是重新思考射頻。設(shè)計(jì)人員傾向于在無線接口中放置基帶處理器，作為抗干擾黑盒。但是，創(chuàng)想技術(shù)公司的Parvathaneni建議深入了解其內(nèi)部。例如，創(chuàng)想技術(shù)公司有一系列射頻處理單元(RPU)基帶處理器子系統(tǒng)，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在兩方面更加自由。 Parvathaneni說，在內(nèi)部，Ensigma RPU (圖2) 包括了通用MIPS CPU內(nèi)核，由一組特殊加速器提供支持。因此，功能是軟件定義的，用戶可以通過修改代碼來改變射頻空中接口。這是一方面的自由，您可以調(diào)整基帶所消耗的功率，以匹配特定無線鏈路的帶寬和距離要求。Parvathaneni還解釋說： “在很多情況下，空中接口為主任務(wù)的MIPS內(nèi)核留下了空間。” 因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇空中接口標(biāo)準(zhǔn)，然后，將一組處理任務(wù)裝入到RPU中，不用改變硬件設(shè)計(jì)，隨時(shí)可以進(jìn)行，以應(yīng)對(duì)可穿戴系統(tǒng)工作模式的變化。在某些情況下，這種靈活性避免了在傳感器所在地采用MCU或者壓縮引擎。 可穿戴電子系統(tǒng)的發(fā)展——人類和嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合（電子工程專輯） 圖2. 創(chuàng)想技術(shù)公司的 Ensigma Whisper 實(shí)現(xiàn)了可編程基帶處理器以及MIPS內(nèi)核和一組低功耗加速器 不限于射頻的無線 可穿戴傳感器越來越小，越來越輕，幾乎是一次性的，因此，支持空中接口的硬件和能耗等問題越來越重要。對(duì)此，IP創(chuàng)業(yè)公司Epic半導(dǎo)體提出了很有趣的建議，無線鏈路不采用射頻，而是其他的。據(jù)Epic的CTO，Wolf Richter，辦法是采用電場(chǎng)。 Epic出于三種不同目的而開發(fā)了一種使用外部電極的技術(shù)——小型的導(dǎo)體片或者導(dǎo)體箔。首先，電路從周圍電場(chǎng)獲得能量。在三到五秒內(nèi)，設(shè)備能夠收集足夠的能量，為5 mW負(fù)載供電一段時(shí)間。Richter舉了一個(gè)例子，包括在運(yùn)行速率是3 MHz的ARM Cortex-M0上執(zhí)行任務(wù)，重新寫入15V電子墨水非易失顯示屏，或者短暫的激活30V印刷電路。 其次，Epic知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)能夠檢測(cè)到調(diào)制電場(chǎng)的任何物理現(xiàn)象，就像一個(gè)典型的電容傳感器。Richter說，例如，設(shè)備可以檢測(cè)到大約三米附近出現(xiàn)的人。其他較普通的應(yīng)用包括測(cè)量附近物體表面的介質(zhì)常數(shù)——系統(tǒng)可以從中推斷出生物體的溫度、脈搏和肌肉活動(dòng)。或者，在完全不同的環(huán)境中，傳感器可以從介質(zhì)常數(shù)的變化來推斷出包裝好的肉類表面的腐敗程度。 最后，這一技術(shù)在雙向信號(hào)上可以使用相同的電極，通過監(jiān)視并調(diào)制電極上的電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)無射頻近場(chǎng)通信。這樣，一個(gè)0.25 mm2硅片能夠?yàn)橹悄鼙砻妗①N片或者某些類似的介質(zhì)提供電源、傳感和互聯(lián)功能。 劃分的一些事情 我們可以把可穿戴系統(tǒng)看成是傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，極端的移動(dòng)性對(duì)每一組件提出了不同尋常的體積、重量和功耗限制。這些限制的影響是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，從主體中分開，只有無線鏈路連接兩部分。在智能眼鏡的例子中，系統(tǒng)仍然保持不變，只有大量的存儲(chǔ)和最繁重的計(jì)算任務(wù)通過IoT放到云端。 在復(fù)雜的生物計(jì)量系統(tǒng)中，獨(dú)立的貼片、扎帶以及置入傳感器離開了中央單元，每個(gè)都有短距離無線鏈路，有足夠的計(jì)算能力來管理帶寬，執(zhí)行本地控制循環(huán)。系統(tǒng)會(huì)完全是分布式的，中央單元只用作短距離無線連接的集線器，只要允許就可以通過WiFi或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接云端資源。 實(shí)現(xiàn)這類系統(tǒng)聽起來非常簡(jiǎn)單。找出物理拓?fù)洹鞲衅髟谀睦铩＿x擇距離和數(shù)據(jù)速率能夠被傳感器和拓?fù)渌С值臒o線鏈路。選擇本地計(jì)算和電源設(shè)計(jì)，滿足傳感器的本地控制循環(huán)要求，提供無線鏈路需要的數(shù)據(jù)壓縮、糾錯(cuò)、濾波和寬帶處理要求。重復(fù)直至完成。 這一簡(jiǎn)單的方法有兩個(gè)問題。第一個(gè)是不可預(yù)測(cè)的無線鏈路。很多系統(tǒng)限制要求可穿戴網(wǎng)絡(luò)維持一定的功能，在無線鏈路失效時(shí)，至少不能帶來傷害，系統(tǒng)實(shí)際上已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)。這種要求意味著冗余傳感器或者射頻通道，可能需要更多的本地處理功能。 第二個(gè)問題是安全。出于私有和安全考慮，每一級(jí)的可穿戴網(wǎng)絡(luò)必須保護(hù)自己不受攻擊。與有線IoT系統(tǒng)完全不同，任何無線鏈路的兩端都不能確定對(duì)端就是他自己所宣稱的身份，也不能保證自己不受攻擊。這在醫(yī)療系統(tǒng)中尤其如此。有協(xié)議可以保證安全等級(jí)，但是要求每一遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行一定級(jí)別的認(rèn)證和加密。而且，謹(jǐn)慎起見，要求一定等級(jí)的功能安全監(jiān)視，防止致動(dòng)器在任何環(huán)境下產(chǎn)生任何傷害。然而，在目前的設(shè)計(jì)中，還不能滿足這類悲觀的需求。這必定會(huì)改變。結(jié)果是要求更多的本地計(jì)算，特別是致動(dòng)器和顯示屏，仍然滿足本地節(jié)點(diǎn)的空間和電源限制要求。這種自相矛盾會(huì)越來越多的體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)和集線器應(yīng)用CPU加可編程加速器體系結(jié)構(gòu)等概念中，還會(huì)體現(xiàn)在控制、傳感器處理和安全任務(wù)中。 我們可以深入到目前的嵌入式系統(tǒng)中，重新分配計(jì)算任務(wù)，預(yù)測(cè)未來的可穿戴網(wǎng)絡(luò)。已經(jīng)出現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)這些分布式節(jié)點(diǎn)的技術(shù)。聰明地使用這些技術(shù)會(huì)深刻的改變我們目前對(duì)嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的看法。 |
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