未来智库 > 可穿戴论文 > 可穿戴计算机开发平台及技术探讨
    【关键词】可穿戴计算机;技术开发平台;探讨
    1 可穿戴计算机概述
    可穿戴计算技术是多学科和多技术的综合产物,涉及到计算机学、电子学、自动控制学、机械学、材料学等等。我国的无线通讯技术、语音识别技术、图像压缩技术已取得了一定的研究成果,相应产品也很多,显示技术也将提供很好的支持,可以选择阴极射线管、液晶显示器或可携带式摄像机作为头戴式显示器的主要介质。
    可穿戴计算机系统的外设比较多,其中包含多个通讯设备、语音设备、传感器设备、定位设备等,并且系统的外设的接口种类也不相同,所以为系统总体设计的规范化带来了很多的困难;再者系统的功能模块相对较多,系统的模块动态重组由于过多的功能模块将受到各种各样的影响。
    目前,一个基本的可穿戴计算机系统主要包括微小型计算机、头戴显示器(HMD)、微型摄像头、GPS定位器、耳机、话筒、无线电台、手写输入板、电池等,所有设备分别戴在头上和装在衣服口袋里。系统一般情况下不带键盘,如果需要可戴腕式微小型键盘:鼠标功能可通过手写板实现;头戴显示器小而轻,可放在眼镜上,其分辨率和放大倍数可满足需求。
    2 可穿戴计算机开发平台及相关技术分析
    2.1 基本工作方式
    可穿戴计算机系统的基本工作方式是:通过摄像头摄取图像,通过话筒和手写板分别输入语音和文字,然后把声、图、文等信息进行压缩加密,使用电台把信息传送到另一节点或处理中心;然后,电台接收另一节点或处理中心传来的声、图、文信息并送到计算机,经过解密和解压缩后,再分别传送到显示器和耳机,可通过手写板和几个功能键实现简单操作。可穿戴计算机系统并不是简单地把一台PC机微型化后分布在身体之上,它必须研究和解决许多特殊的关键技术。我们把这些系统和关键技术称之为“可穿戴计算技术”。
    2.2 处理器分析
    结合可穿戴计算机技术的特点,它的处理器要求微型化,低功耗,可移动性。根据这些特点我们将为可穿戴计算机设计处理器。传统的处理器设计需要使用的各种各样芯片,在实际试验中需要花费大量的时间进行大量的连线,故造成系统的可靠性低,所以造成芯片或连线出现各种各样的故障,不利于排查困难。利用EDA、和FPGA技术在一块芯片上形成处理器,既不受硬件条件的控制也可以根据具体情况和要求定制合适的处理器。
    2.3 FPGA及VHDL工作原理分析
    FPGA,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。结合FPGA架构固有的并行计算,随着定制化计算能力的提高以配合目前问题的要求,与传统可编程处理器相比能提高至少两个数量级的效率。
    (1)FPGA工作原理
    FPGA采用了逻辑单元阵列LCA新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。
    为了实现用户的逻辑,用户可以对FPGA内部的逻辑模块和FO模块进行重新配置。FPGA具有静态可重复编程和动态系统重构的特点,这样就可以使硬件的功能像软件一样通过编程来修改。FPGA作为专用集成电路领域中的一种半定制电路,不仅克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点,还解决了定制电路的不足的问题。FPGA可以完成任何电子器件的功能,从简单常见的74电路到各种各样的高性能处理器,都可以使用来FPGA来实现。FPGA就好像一堆积木或者一张白纸,系统工程师既可以通过硬件描述语言,或者传统的原理图输入法来设计一个数字系统。设计完成后可以通过软件仿真,这样我们可以事先验证系统设计的正确性。
    在PCB完成以后,工程师还可以使用FPGA的在线修改能力,随时修改设计中的一些缺点和错误而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路,可以减少PCB面积,减少设计所需时间提高了系统设计的效率,还提高系统的稳定性和可靠性。由于FPGA的工作状态的是由存放在片内RAM中的程序来设置的,所以工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据具体情况采用不同的编程方式取得不同的配置模式。加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。FPGA的编程不需要专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。如果要修改FPGA的功能,只要换一片EPROM就可以。这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。
    (2)VHDL工作原理
    随着集成电路规模与复杂度的进一步提高,特别是大规模、超大规模集成电路的系统集成,使得电路设计不断向高层次的模块式的设计方向发展,原有的电原理图输入方式显得不够严谨规范,过多的图纸和底层细节不利于从总体上把握和交流设计思想;再者,自下而上的设计方法使仿真和调试通常只能在系统硬件设计后期才能进行,因而系统设计时存在的问题只有在后期才能较容易发现,这样,一旦系统设计存在较大缺陷,就有可能要重新设计系统,使得设计周期大大增加。基于以上电原理图输入方式的缺陷,为了提高开发效率,增加已有成果的可继承性并缩短开发时间,大规模专用集成电路ASIC研制和生产厂家相继开发了用于各自目的的硬件描述语言。
    利用VHDL设计硬件电路的优点是:
    1)设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。VHDL语言可以支持自上而下和基于库的设计方法,还支持同步电路、异步电路、FPGA以及其他随机电路的设计。目前大多数EDA工具几乎在不同程度上都支持VHDL语言。这给VHDL语言进一步推广和应用创造了良好的环境。
    2)系统硬件描述能力强。VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力,可以从系统的数学模型直到门级电路。
    3)VHDL语言可以与工艺无关编程。VHDL设计硬件系统时,可以编写与工艺有关的信息。但是,与大多数HDL语言不同的是,当门级或门级以上层次的描述通过仿真验证后,可以用相应的工具将设计映射成不同的工艺(如MOS,CMOS等)。
    4)VHDL语言标准、规范,易于共享和复用。VHDL语言的语法较严格,给阅读和使用都带来了极大的好处。
    3 结语
    可穿戴计算机是特定专用的计算机,而可穿戴计算机的可穿戴性又决定了其可移动性、低功耗要求。在可穿戴计算机实际工作过程中,人们一方面希望计算机能够持续长时间的工作,一方面又希望它摆脱电源连线的束缚,使得人体可以自由移动。在这种需求下,深入研究可穿戴计算机的低功耗,高移动性为可穿戴计算机设计一个适合于自己并且具有自主知识产权的微处理器就成为一个值得研究的课题。
    【参考文献】
    [1]王建业.基于可穿戴的计算机硬件体系结构研究[J].计算机光盘软件与应用.2014(23).
    [2]李淑侠,魏广平.动态可重构可穿戴计算机软件平台的设计与实现[J].物联网技术.2014(6).
    [3]孔令强,于子琪.可穿戴计算机可用性的关键问题研究分析[J].黑龙江科技信息.2012(26).
    [责任编辑:王楠]
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