可穿戴電子系統的發(fā)展——人類(lèi)和嵌入式系統的結合

發(fā)布時(shí)間:2014-12-5 11:21    發(fā)布者:李寬
關(guān)鍵詞: 可穿戴 , 嵌入式
作者:Altera 總編輯Ron Wilson

可穿戴電子系統的發(fā)展,不論生物計量、通信還是虛擬現實(shí),都將嵌入式系統概念延伸到新的未知領(lǐng)域。把傳感器和輸出設備放到操作人員身上,產(chǎn)生了一個(gè)新詞——電子人:人類(lèi)和嵌入式系統的結合。

可穿戴系統為實(shí)際應用開(kāi)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(shí)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(wú)線(xiàn)互聯(lián),而且不限于此。這是設計師必須要解決的兩難問(wèn)題。

把系統分開(kāi)


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(dòng)器以及與用戶(hù)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,需要把系統分開(kāi)。傳感器、輸出設備和計算資源在物理上彼此分開(kāi)后,看一下系統體系結構會(huì )有什么變化。

作為一個(gè)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(lèi)產(chǎn)品,而是看一下工業(yè)設備供應商 XOEye 設計的眼鏡。這些眼鏡用于元器件觀(guān)察、庫存處理、現場(chǎng)維護等活動(dòng)。這一系統具有立體安裝 720 線(xiàn)視頻攝像機、語(yǔ)音輸入,以及 LED 和語(yǔ)音輸出,設計實(shí)現了以交互式方式幫助人們完成某些預先定義好的任務(wù)。

XOEye 首席技術(shù)官 Jon Sharp 解釋說(shuō),這一眼鏡采集并分析用戶(hù)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(guò)程中與技術(shù)人員交互——“先調整左側的螺絲”,或者通過(guò)閃爍的紅色LED警告有可能出現的安全傷害!安灰侥抢锶!”

這類(lèi)設計傳統的方法會(huì )使用安裝在眼鏡上的攝像機和麥克風(fēng),然后進(jìn)行視頻處理,目標識別,通過(guò)背在后面的背包和電池建立無(wú)線(xiàn)通信鏈路。對這一設計,傳統的用戶(hù)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(jìn)入可穿戴技術(shù)這一概念。XOEye的方法是實(shí)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(shù),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(jìn)行劃分也帶來(lái)了新的設計難題。

建立鏈接

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)上,把大量的計算任務(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(kāi)發(fā)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(wù),但是蘋(píng)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(zhù)要么有足夠的帶寬來(lái)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。后者采用現有的媒體處理芯片是可行的,但是要有體積合適的電池?墒,還有另一個(gè)問(wèn)題。

Sharp 提醒說(shuō),“即使沒(méi)有鏈接時(shí),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(shí),一定要實(shí)時(shí)識別安全問(wèn)題! 某些功能會(huì )要求一定程度的連續實(shí)時(shí)響應 — 互聯(lián)網(wǎng)遠端的云計算是無(wú)法保證的。

這些問(wèn)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 與加速器相結合的OMAP體系結構來(lái)解決這一問(wèn)題。OMAP SoC能夠處理傳統的媒體處理任務(wù),但是,Sharp感嘆到, “無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)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(wù),他們都能夠建立高能效的本地加速器。

智能集線(xiàn)器

即使工作條件能夠保證與無(wú)線(xiàn)集線(xiàn)器的本地互聯(lián),從集線(xiàn)器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)到云端的來(lái)回鏈路仍然會(huì )引入不可接受的不確定性。這是IoT所面臨的結構難題之一?紤]到這些情況,如果要在可穿戴設備之外完成某些計算任務(wù),那么,可以將其放在本地無(wú)線(xiàn)集線(xiàn)器上,而不是云端 (圖1)。當然,這就不能只使用商用WiFi集線(xiàn)器。


圖1. 可穿戴嵌入式系統成為智能集線(xiàn)器無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

在WiFi集線(xiàn)器中集成計算節點(diǎn)大幅度提高了系統設計的靈活性。相對而言,集線(xiàn)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(shí)連接,支持集線(xiàn)器參與關(guān)鍵控制或者人機接口循環(huán),在這其中,意外的延時(shí)會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。而且,集線(xiàn)器帶有多任務(wù)CPU和相應的加速器,完成很多遠程可穿戴設備的處理任務(wù)。

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(diǎn)的藥丸等,那會(huì )怎樣呢?沒(méi)有足夠的空間容納大電池,就無(wú)法支持大功率,WiFi也就無(wú)法一直保持接通。無(wú)線(xiàn)方式轉向了藍牙或者功耗極低的短距離鏈路。集線(xiàn)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(chǎng)無(wú)線(xiàn)鏈路,那就可能會(huì )非常近。而任務(wù)劃分問(wèn)題以很有趣的方式發(fā)生了變化。

一些難題反而促進(jìn)了可穿戴設備的發(fā)展。至少要包括傳感器、查詢(xún)這些傳感器的控制器,以及無(wú)線(xiàn)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(wèn)題。無(wú)線(xiàn)鏈路能夠實(shí)時(shí)承載來(lái)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(hù)模型變化了,答案會(huì )不同嗎?

解決這一問(wèn)題的一種途徑是重新思考射頻。設計人員傾向于在無(wú)線(xiàn)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,讓系統設計人員在兩方面更加自由。

Parvathaneni說(shuō),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(hù)可以通過(guò)修改代碼來(lái)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(wú)線(xiàn)鏈路的帶寬和距離要求。Parvathaneni還解釋說(shuō): “在很多情況下,空中接口為主任務(wù)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(wù)裝入到RPU中,不用改變硬件設計,隨時(shí)可以進(jìn)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(fā)展——人類(lèi)和嵌入式系統的結合(電子工程專(zhuān)輯)
圖2. 創(chuàng )想技術(shù)公司的 Ensigma Whisper 實(shí)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(wú)線(xiàn)

可穿戴傳感器越來(lái)越小,越來(lái)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(wèn)題越來(lái)越重要。對此,IP創(chuàng )業(yè)公司Epic半導體提出了很有趣的建議,無(wú)線(xiàn)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(chǎng)。

Epic出于三種不同目的而開(kāi)發(fā)了一種使用外部電極的技術(shù)——小型的導體片或者導體箔。首先,電路從周?chē)妶?chǎng)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(shí)間。Richter舉了一個(gè)例子,包括在運行速率是3 MHz的ARM Cortex-M0上執行任務(wù),重新寫(xiě)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(chǎn)權(IP)能夠檢測到調制電場(chǎng)的任何物理現象,就像一個(gè)典型的電容傳感器。Richter說(shuō),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(zhì)常數——系統可以從中推斷出生物體的溫度、脈搏和肌肉活動(dòng);蛘,在完全不同的環(huán)境中,傳感器可以從介質(zhì)常數的變化來(lái)推斷出包裝好的肉類(lèi)表面的腐敗程度。

最后,這一技術(shù)在雙向信號上可以使用相同的電極,通過(guò)監視并調制電極上的電場(chǎng),實(shí)現無(wú)射頻近場(chǎng)通信。這樣,一個(gè)0.25 mm2硅片能夠為智能表面、貼片或者某些類(lèi)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看成是傳統的嵌入式系統,極端的移動(dòng)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(jìn)行劃分,從主體中分開(kāi),只有無(wú)線(xiàn)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(wù)通過(guò)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(kāi)了中央單元,每個(gè)都有短距離無(wú)線(xiàn)鏈路,有足夠的計算能力來(lái)管理帶寬,執行本地控制循環(huán)。系統會(huì )完全是分布式的,中央單元只用作短距離無(wú)線(xiàn)連接的集線(xiàn)器,只要允許就可以通過(guò)WiFi或者蜂窩網(wǎng)絡(luò )連接云端資源。

實(shí)現這類(lèi)系統聽(tīng)起來(lái)非常簡(jiǎn)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(wú)線(xiàn)鏈路。選擇本地計算和電源設計,滿(mǎn)足傳感器的本地控制循環(huán)要求,提供無(wú)線(xiàn)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(jiǎn)單的方法有兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)是不可預測的無(wú)線(xiàn)鏈路。很多系統限制要求可穿戴網(wǎng)絡(luò )維持一定的功能,在無(wú)線(xiàn)鏈路失效時(shí),至少不能帶來(lái)傷害,系統實(shí)際上已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò )。這種要求意味著(zhù)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(wèn)題是安全。出于私有和安全考慮,每一級的可穿戴網(wǎng)絡(luò )必須保護自己不受攻擊。與有線(xiàn)IoT系統完全不同,任何無(wú)線(xiàn)鏈路的兩端都不能確定對端就是他自己所宣稱(chēng)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(xié)議可以保證安全等級,但是要求每一遠程節點(diǎn)都進(jìn)行一定級別的認證和加密。而且,謹慎起見(jiàn),要求一定等級的功能安全監視,防止致動(dòng)器在任何環(huán)境下產(chǎn)生任何傷害。然而,在目前的設計中,還不能滿(mǎn)足這類(lèi)悲觀(guān)的需求。這必定會(huì )改變。結果是要求更多的本地計算,特別是致動(dòng)器和顯示屏,仍然滿(mǎn)足本地節點(diǎn)的空間和電源限制要求。這種自相矛盾會(huì )越來(lái)越多的體現在節點(diǎn)和集線(xiàn)器應用CPU加可編程加速器體系結構等概念中,還會(huì )體現在控制、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中,重新分配計算任務(wù),預測未來(lái)的可穿戴網(wǎng)絡(luò )。已經(jīng)出現了能夠實(shí)現這些分布式節點(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嵌入式系統體系結構的看法。

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