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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 在物聯(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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