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作者：Altera 總編輯Ron Wilson 可穿戴電子系統的發展，不論生物計量、通信還是虛擬現實，都將嵌入式系統概念延伸到新的未知領域。把傳感器和輸出設備放到操作人員身上，產生了一個新詞——電子人：人類和嵌入式系統的結合。 可穿戴系統為實際應用開辟了新遠景，需要重新展望嵌入式體系結構。以可黏貼或者可攝入方式所使用的傳感器群完全與傳統的電源、接地和I/O連接相隔離。為實現微小體積以及近乎零功耗，小傳感器群要支持傳統的本地信號處理、存儲和無線互聯，而且不限于此。這是設計師必須要解決的兩難問題。 把系統分開 解決可穿戴系統難題的一種方法是參照傳統的嵌入式系統設計，這包括了傳感器、致動器以及與用戶身體連接的顯示屏等。在移動性、舒適性和可隱藏需求的推動下，需要把系統分開。傳感器、輸出設備和計算資源在物理上彼此分開后，看一下系統體系結構會有什么變化。 作為一個例子，參考智能眼鏡的設計。為避免老生常談，我們不討論大家熟悉的消費類產品，而是看一下工業設備供應商 XOEye 設計的眼鏡。這些眼鏡用于元器件觀察、庫存處理、現場維護等活動。這一系統具有立體安裝 720 線視頻攝像機、語音輸入，以及 LED 和語音輸出，設計實現了以交互式方式幫助人們完成某些預先定義好的任務。 XOEye 首席技術官 Jon Sharp 解釋說，這一眼鏡采集并分析用戶所看到的立體圖像，增強了對元器件的分辨能力，不需要物理接觸或者測量工具就能夠測量尺寸和形狀，在維修過程中與技術人員交互——“先調整左側的螺絲”，或者通過閃爍的紅色LED警告有可能出現的安全傷害。“不要到那里去！” 這類設計傳統的方法會使用安裝在眼鏡上的攝像機和麥克風，然后進行視頻處理，目標識別，通過背在后面的背包和電池建立無線通信鏈路。對這一設計，傳統的用戶響應是看一下背包，然后小心翼翼彎下腰去使用系統。 讓我們進入可穿戴技術這一概念。XOEye的方法是實現完全自主的眼鏡。這一目標很明顯有空間和功耗限制。我們不可能變魔術，這些限制迫使必須遠程完成某些計算，一般是在云端。但是對計算載荷進行劃分也帶來了新的設計難題。 建立鏈接 在物聯網(IoT)上，把大量的計算任務移到云端并不是什么新概念。創想技術公司業務開發資深總監 Chakra Parvathaneni 指出，這種劃分隨應用而不同。他注意到，“家庭恒溫調節器有很多本地處理任務，但是蘋果的Siri幾乎都在云端。” 在XOEye的例子中，把任務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，要么在眼鏡中實時完成視頻壓縮。后者采用現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，還有另一個問題。 Sharp 提醒說，“即使沒有鏈接時，您也必須維持人機接口以及某些功能。例如，當您失去 WiFi 連接時，一定要實時識別安全問題。” 某些功能會要求一定程度的連續實時響應 — 互聯網遠端的云計算是無法保證的。 這些問題要求進行本地處理，與眼鏡的大小、重量和功耗限制相矛盾。XOEye最初想采用MCU 與加速器相結合的OMAP體系結構來解決這一問題。OMAP SoC能夠處理傳統的媒體處理任務，但是，Sharp感嘆到， “無法實現實時立體測距。” 因此，XOEye轉向CPU加FPGA的方法，不論應用需要什么樣的任務，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，從集線器通過互聯網到云端的來回鏈路仍然會引入不可接受的不確定性。這是IoT所面臨的結構難題之一。考慮到這些情況，如果要在可穿戴設備之外完成某些計算任務，那么，可以將其放在本地無線集線器上，而不是云端 (圖1)。當然，這就不能只使用商用WiFi集線器。 
圖1. 可穿戴嵌入式系統成為智能集線器無線網絡 在WiFi集線器中集成計算節點大幅度提高了系統設計的靈活性。相對而言，集線器在空間和功耗上一般不受限制，因此，您可以把一些計算和存儲資源放在那里。短距離WiFi鏈路能夠提供可靠的寬帶、可預測的延時連接，支持集線器參與關鍵控制或者人機接口循環，在這其中，意外的延時會帶來問題。而且，集線器帶有多任務CPU和相應的加速器，完成很多遠程可穿戴設備的處理任務。 智能射頻 如果可穿戴設備比眼鏡小很多，比如腕帶，置入到鞋內的器件，以及大點的藥丸等，那會怎樣呢?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。無線方式轉向了藍牙或者功耗極低的短距離鏈路。集線器現在本身成為可穿戴設備，裝在皮帶上或者口袋里，與傳感器在一米距離內 — 如果只支持近場無線鏈路，那就可能會非常近。而任務劃分問題以很有趣的方式發生了變化。 一些難題反而促進了可穿戴設備的發展。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。仔細的調整占空比，微小電池能夠支持這些負載——低能耗設備。但是，現在把計算放在哪里呢? 傳感器和第一級傳感器處理之間的帶寬成為很大的問題。無線鏈路能夠實時承載來自傳感器的原始數據流嗎?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?如果系統用戶模型變化了，答案會不同嗎? 解決這一問題的一種途徑是重新思考射頻。設計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，創想技術公司的Parvathaneni建議深入了解其內部。例如，創想技術公司有一系列射頻處理單元(RPU)基帶處理器子系統，讓系統設計人員在兩方面更加自由。 Parvathaneni說，在內部，Ensigma RPU (圖2) 包括了通用MIPS CPU內核，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，空中接口為主任務的MIPS內核留下了空間。” 因此，系統設計人員可以選擇空中接口標準，然后，將一組處理任務裝入到RPU中，不用改變硬件設計，隨時可以進行，以應對可穿戴系統工作模式的變化。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。 可穿戴電子系統的發展——人類和嵌入式系統的結合（電子工程專輯） 圖2. 創想技術公司的 Ensigma Whisper 實現了可編程基帶處理器以及MIPS內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。對此，IP創業公司Epic半導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Epic的CTO，Wolf Richter，辦法是采用電場。 Epic出于三種不同目的而開發了一種使用外部電極的技術——小型的導體片或者導體箔。首先，電路從周圍電場獲得能量。在三到五秒內，設備能夠收集足夠的能量，為5 mW負載供電一段時間。Richter舉了一個例子，包括在運行速率是3 MHz的ARM Cortex-M0上執行任務，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知識產權(IP)能夠檢測到調制電場的任何物理現象，就像一個典型的電容傳感器。Richter說，例如，設備可以檢測到大約三米附近出現的人。其他較普通的應用包括測量附近物體表面的介質常數——系統可以從中推斷出生物體的溫度、脈搏和肌肉活動。或者，在完全不同的環境中，傳感器可以從介質常數的變化來推斷出包裝好的肉類表面的腐敗程度。 最后，這一技術在雙向信號上可以使用相同的電極，通過監視并調制電極上的電場，實現無射頻近場通信。這樣，一個0.25 mm2硅片能夠為智能表面、貼片或者某些類似的介質提供電源、傳感和互聯功能。 劃分的一些事情 我們可以把可穿戴系統看成是傳統的嵌入式系統，極端的移動性對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系統進行劃分，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，系統仍然保持不變，只有大量的存儲和最繁重的計算任務通過IoT放到云端。 在復雜的生物計量系統中，獨立的貼片、扎帶以及置入傳感器離開了中央單元，每個都有短距離無線鏈路，有足夠的計算能力來管理帶寬，執行本地控制循環。系統會完全是分布式的，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或者蜂窩網絡連接云端資源。 實現這類系統聽起來非常簡單。找出物理拓撲、傳感器在哪里。選擇距離和數據速率能夠被傳感器和拓撲所支持的無線鏈路。選擇本地計算和電源設計，滿足傳感器的本地控制循環要求，提供無線鏈路需要的數據壓縮、糾錯、濾波和寬帶處理要求。重復直至完成。 這一簡單的方法有兩個問題。第一個是不可預測的無線鏈路。很多系統限制要求可穿戴網絡維持一定的功能，在無線鏈路失效時，至少不能帶來傷害，系統實際上已經成為網絡。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。 第二個問題是安全。出于私有和安全考慮，每一級的可穿戴網絡必須保護自己不受攻擊。與有線IoT系統完全不同，任何無線鏈路的兩端都不能確定對端就是他自己所宣稱的身份，也不能保證自己不受攻擊。這在醫療系統中尤其如此。有協議可以保證安全等級，但是要求每一遠程節點都進行一定級別的認證和加密。而且，謹慎起見，要求一定等級的功能安全監視，防止致動器在任何環境下產生任何傷害。然而，在目前的設計中，還不能滿足這類悲觀的需求。這必定會改變。結果是要求更多的本地計算，特別是致動器和顯示屏，仍然滿足本地節點的空間和電源限制要求。這種自相矛盾會越來越多的體現在節點和集線器應用CPU加可編程加速器體系結構等概念中，還會體現在控制、傳感器處理和安全任務中。 我們可以深入到目前的嵌入式系統中，重新分配計算任務，預測未來的可穿戴網絡。已經出現了能夠實現這些分布式節點的技術。聰明地使用這些技術會深刻的改變我們目前對嵌入式系統體系結構的看法。 |
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