嵌入式電子系統(tǒng)的發(fā)展

可穿戴電子系統(tǒng)的發(fā)展，不論生物計量、通信還是虛擬現(xiàn)實，都將嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)的結合。
　　可穿戴系統(tǒng)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(tǒng)的電源、接地和I/O連接相隔離。為實現(xiàn)微小體積以及近乎零功耗，小傳感器群要支持傳統(tǒng)的本地信號處理、存儲和無線互聯(lián)，而且不限于此。這是設計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(tǒng)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(tǒng)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(yè)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(xiàn)場維護等活動。這一系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)的安全傷害。“不要到那里去！”
　　這類設計傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。
　　讓我們進入可穿戴技術這一概念。XOEye的方法是實現(xiàn)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(lián)網（IoT）上，把大量的計算任務移到云端并不是什么新概念。創(chuàng)想技術公司業(yè)務開發(fā)資深總監(jiān)Chakra Parvathaneni指出，這種劃分隨應用而不同。他注意到，“家庭恒溫調節(jié)器有很多本地處理任務，但是蘋果的Siri幾乎都在云端?！?br /> 　　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(xiàn)有的媒體處理芯片是可行的，但是要有體積合適的電池?？墒牵€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?！蹦承┕δ軙笠欢ǔ潭鹊倪B續(xù)實時響應—互聯(lián)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(tǒng)的媒體處理任務，但是，Sharp感嘆到，“無法實現(xiàn)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(lián)，從集線器通過互聯(lián)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?？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，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(tǒng)成為智能集線器無線網絡
　　在WiFi集線器中集成計算節(jié)點大幅度提高了系統(tǒng)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(huán)，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(xiàn)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(fā)生了變化。
　　一些難題反而促進了可穿戴設備的發(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(xiàn)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(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(chuàng)想技術公司的Parvathaneni建議深入了解其內部。例如，創(chuàng)想技術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(tǒng)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(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。