USB技術(shù)在可穿戴計(jì)算機(jī)中的具體應(yīng)用解析

1 引言

在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)已經(jīng)開始逐步取代了個(gè)人計(jì)算機(jī)的二十世紀(jì)末期，新一代的可穿戴計(jì)算機(jī)(Wearable Computers)又悄然來到我們周圍?？纱┐饔?jì)算概念的提出為人與計(jì)算機(jī)的有機(jī)結(jié)合開創(chuàng)了一條新途徑，是實(shí)現(xiàn)更加友好的人機(jī)交互的新技術(shù)之一。盡管可穿戴計(jì)算機(jī)的體積很小，但卻具備了PC機(jī)的所有功能，例如語音輸入與輸出功能、視頻輸出功能、圖像采集功能和無線通訊功能等等。這些功能不但需要各種不同的外圍設(shè)備，而且要求外設(shè)接口的數(shù)據(jù)傳輸速度也要快，這無疑加重了外設(shè)接口設(shè)計(jì)的困難，也成為了可穿戴計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的瓶頸和關(guān)鍵技術(shù)之一。

通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，是Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的計(jì)算機(jī)和通訊公司花了近兩年時(shí)間于1995年11月正式制定的USB規(guī)范。USB是一種高速的、半雙工、等時(shí)的、可動(dòng)態(tài)連接(熱插拔)的低成本串行接口，可滿足現(xiàn)在和未來的計(jì)算機(jī)平臺(tái)的需求。將USB接口應(yīng)用到可穿戴計(jì)算機(jī)中，不但可以充分發(fā)揮USB接口的通用、高速、可擴(kuò)展和熱插拔的特性，而且可大大簡化可穿戴計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，提高它的集成度是解決可穿戴計(jì)算機(jī)接口瓶頸的一種有效方法，也是可穿戴計(jì)算技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的方向。

2 可穿戴計(jì)算技術(shù)的發(fā)展

“可穿戴計(jì)算技術(shù)”概念早在1955年就被Edward O.Thop提出。正像大多數(shù)其它數(shù)學(xué)定理的發(fā)現(xiàn)一樣，這個(gè)概念也是從一個(gè)賭博游戲中產(chǎn)生的。當(dāng)時(shí)有一個(gè)叫做“輪盤賭”的賭博游戲十分盛行，而Edward O.Thop一心想弄清楚其中的奧秘，但為了逃避開賭場(chǎng)的人的監(jiān)視，Edward便想到如果有一臺(tái)可以隨身攜帶的小型計(jì)算機(jī)裝在衣兜中，用它所帶的小型攝像裝置將“輪盤賭”旋轉(zhuǎn)過程(速度與時(shí)間)記錄下來，然后再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便可提前預(yù)測(cè)到賭局的結(jié)果。

基于此目的，Edward與Claude Shannon在1966年研制出第一臺(tái)可穿戴計(jì)算機(jī)，該系統(tǒng)是一個(gè)帶有4個(gè)按鍵的香煙盒大小的模擬計(jì)算機(jī)，一個(gè)數(shù)據(jù)采集器通過按鍵來獲取并顯示輪盤賭的速度，并通過音頻信號(hào)將結(jié)果傳給賭徒，以此來指導(dǎo)他下賭注。盡管當(dāng)時(shí)的機(jī)器功能比較簡單，但它卻代表了一種新的思想和研究方向。

自從Edward O.Thop提出了“可穿戴計(jì)算技術(shù)”概念以后，許多人認(rèn)識(shí)到它的重要性并相繼展開了研究，如美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CMU)和麻省理工大學(xué)(MIT)都建立了可穿戴技術(shù)研究室，并研制出各自的可穿戴計(jì)算機(jī)。縱觀各種可穿戴計(jì)算機(jī)不難發(fā)現(xiàn)，其共性是人機(jī)交互更為方便、可以移動(dòng)計(jì)算、體積小、重量輕、功耗小、功能強(qiáng)、攜帶方便，使人的雙手完全從控制計(jì)算機(jī)中解脫出來，所以它的應(yīng)用也十分廣泛。

在醫(yī)療上，可以借助它做外科手術(shù);在工業(yè)中，可以幫助工程維護(hù)人員進(jìn)行檢修和維護(hù)工作;在旅游業(yè)上可以輔助導(dǎo)航;在軍事上可用于完成軍事偵察、指揮決策及遠(yuǎn)程協(xié)作作戰(zhàn)等：在日常生活中，可以幫助人們記憶重要的事務(wù)，等等。

可穿戴計(jì)算機(jī)的主要組成部分包括：低功耗嵌入式CPU、多種多樣的便攜式外設(shè)以及其接口設(shè)備和能量高體積小的電源。基本的外設(shè)主要有輸出設(shè)備和輸入設(shè)備，為了便于攜帶，用頭盔顯示器或眼鏡顯示器代替了傳統(tǒng)的桌面臺(tái)式顯示器作為輸出設(shè)備，用語音控制或較少按鍵的袖珍鍵盤代替了傳統(tǒng)的鍵盤作為輸入設(shè)備。另外，根據(jù)用戶不同的需求，還需配備相應(yīng)的外部設(shè)備，如無線通訊設(shè)備、語音輸入輸出設(shè)備、圖像采集設(shè)備、全球定位系統(tǒng)(GPS)以及各種各樣的傳感器。然而，為了將這眾多的外設(shè)有機(jī)的集成在一起，必需將相應(yīng)的接口電路集成在主板上，所以接口電路設(shè)計(jì)技術(shù)是可穿戴技術(shù)中關(guān)鍵技術(shù)之一，此外還包括系統(tǒng)集成技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。

3 USB技術(shù)簡介

USB是一種基于PC機(jī)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展總線，制定USB總線規(guī)范的目的在于：①易于PC機(jī)外圍設(shè)備的擴(kuò)展;②提供一種高傳輸率、低成本的解決方案;③支持音頻、視頻及壓縮視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸;④協(xié)議靈活，可實(shí)現(xiàn)等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸(1sochronous Data Transfers)和異步消息傳輸(Asynchronous Messaging)的混合模式;⑤支持通用商品設(shè)備;⑥適應(yīng)各種計(jì)算機(jī)的配置方式;⑦提供一種便于快速集成到產(chǎn)品中的標(biāo)準(zhǔn)的接口;⑧是一類增強(qiáng)計(jì)算機(jī)功能的新的設(shè)備。

USB的主要特點(diǎn)有：①使用簡單，設(shè)備安裝和配置容易。安裝USB設(shè)備不必再打開機(jī)箱，增加新設(shè)備或卸除已安裝過的設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)，所有USB設(shè)備支持熱插拔，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。②速度快，適用于帶寬范圍在1.5Mbps到12Mbps之間的各種設(shè)備(USB2.0支持高達(dá)480Mbps傳輸率)，而且可支持許多設(shè)備同時(shí)操作，充分利用信道總線。③易于擴(kuò)展，通過使用Hub擴(kuò)展可駁接多選127個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長度為3米(5米，低速)。通過Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30米。④能夠采用總線供電，USB總線提供最大達(dá)5V、500mA電流。⑤使用靈活，USB共有4種傳輸模式：控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、批量傳輸，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。⑥健壯性高。協(xié)議中包含了錯(cuò)誤處理和錯(cuò)誤恢復(fù)的機(jī)制，可自動(dòng)識(shí)別出錯(cuò)誤設(shè)備。

USB系統(tǒng)的構(gòu)成：USB系統(tǒng)主要由主控制器、USB Hub和USB外設(shè)。組成系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，至多拓?fù)涞?層。

4 USB技術(shù)在可穿戴計(jì)算機(jī)中的具體應(yīng)用

下面以用于輔助民航飛機(jī)技師檢修飛機(jī)的可穿戴計(jì)算機(jī)為例，具體介紹USB技術(shù)在其中的應(yīng)用。根據(jù)飛機(jī)技師的實(shí)際需求，該套可穿戴計(jì)算機(jī)應(yīng)具有頭盔顯示器、耳機(jī)、耳麥、攝像機(jī)、無線通訊和手寫輸入等外設(shè)。顯示器用于顯示飛機(jī)各部件的技術(shù)資料，免去了飛機(jī)技師攜帶繁重的技術(shù)手冊(cè)的負(fù)擔(dān);耳機(jī)和耳麥用于飛機(jī)技師間以及技師與總部的專家們的相互交流;攝像機(jī)用于將一些疑難故障現(xiàn)場(chǎng)拍攝成圖片以傳回總部;手寫板則有利于飛機(jī)技師將某些維修方案以草圖的形式輸入計(jì)算機(jī)，并通過無線通訊設(shè)備傳給總部，或?qū)⒛承┦謱戄斎氲接?jì)算機(jī)內(nèi)處理，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

由圖2可見計(jì)算機(jī)接口較多，不但加大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，而且不利于系統(tǒng)的集成，同時(shí)對(duì)電源的消耗較大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。若將USB接口代替上述中除頭盔顯示器接口以外的其它接口，則可大大簡化系統(tǒng)接口的設(shè)計(jì)，提高集成度，減小體積，降低系統(tǒng)的功耗。采用USB接口的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中的接口類型比較單一，除了視頻接口外，其它外設(shè)都可通過USB接口連接到系統(tǒng)中，所以可將其集成到一個(gè)專用集成電路中(ASIC)，從而簡化了可穿戴計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。另外，USB接口提供連接、掛起和斷開3種工作狀態(tài)，可有效的節(jié)省能源，降低功耗。USB還支持動(dòng)態(tài)插拔，自動(dòng)識(shí)別設(shè)備，便于用戶臨時(shí)組裝外設(shè)，提高了整機(jī)的靈活性，也方便攜帶。

5 結(jié)論

可穿戴計(jì)算技術(shù)是發(fā)展下一代計(jì)算機(jī)的新的技術(shù)，目前在國外發(fā)展十分迅速，然而在我國起步較晚。其中涵蓋的技術(shù)很多，包括語音控制技術(shù)，語音和圖像輸入、壓縮及解壓縮技術(shù)、無線通訊技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和低功耗技術(shù)等。USB設(shè)備的應(yīng)用日前在國外處于高速發(fā)展階段，在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)起步。將USB技術(shù)應(yīng)用到可穿戴技術(shù)中是發(fā)展可穿戴技術(shù)的一個(gè)有效解決方法，必將受到更多人的重視。