工程師們需要迎接可穿戴設備時代的設計挑戰(zhàn)

可穿戴電子設備對設計工程師提出了前所未有的挑戰(zhàn)—設計工程師需要在沒有專用芯片組或標準化架構(gòu)的情況下創(chuàng)建智能、緊湊和多功能的產(chǎn)品。由于專用芯片組(標準化架構(gòu))的缺失，設計工程師需要在可穿戴產(chǎn)品中使用為移動和手持應用設計的器件和互連技術(shù)。

如何在兩個不相關(guān)的器件之間實現(xiàn)數(shù)字與模擬“鴻溝”的橋接是一個不小的設計挑戰(zhàn)，而這對于有嚴格空間和功耗限制的可穿戴設備來說更是難上加難。同時，發(fā)展迅速的市場要求設計工程師緊跟消費者不斷變化的需求，快速升級現(xiàn)有產(chǎn)品的功能并推出全新的產(chǎn)品。

本文將針對可穿戴產(chǎn)品的設計挑戰(zhàn)進行研究，并將探索如何使用可編程邏輯產(chǎn)品來解決這些問題。文章相關(guān)的設計實例旨在說明如何將專用可編程器件應用于以下三個方面：

擴展。使用額外的邏輯和定制功能擴展現(xiàn)有ASIC和ASSP的功能和使用壽命。

升級。使用可編程邏輯產(chǎn)品實現(xiàn)新協(xié)議和標準，并通過橋接實現(xiàn)互不兼容元器件間的互連，以此升級可穿戴設備的設計。

創(chuàng)新。無需為ASIC開發(fā)投入大量時間和費用，使用可編程邏輯產(chǎn)品提供的靈活平臺來實現(xiàn)高級功能或全新的特性。

可穿戴設備帶來前所未有的設計挑戰(zhàn)

可穿戴電子產(chǎn)品正處于發(fā)展早期，技術(shù)尚未成熟，就像地球上的生命進化過程一樣，將發(fā)生像寒武紀生命大爆發(fā)一樣百花齊放的技術(shù)創(chuàng)新?？梢灶A見至少在未來的3到5年內(nèi)將不斷有各種各樣的產(chǎn)品和試作面世，形成具備以下特征的市場：

● 市場快速創(chuàng)新，而消費者的需求也以同樣的速度快速變化;

● 全新類型的產(chǎn)品出現(xiàn)和發(fā)展，有時候也會最終消失;

● 出現(xiàn)眾多相互競爭的產(chǎn)品，但未能形成標準的功能集;

● 即使有也只有很少的標準化架構(gòu)或接口標準。

在這段蓬勃發(fā)展的時期里，產(chǎn)品依托的半導體器件的發(fā)展將跟不上產(chǎn)品本身迭代更新的速度。由于IC開發(fā)通常需要12至18個月，如果制造商堅持為可穿戴市場開發(fā)ASIC，很可能導致產(chǎn)品上市時功能并不盡如人意或已然過時。

沒有專為應用優(yōu)化的微控制器(MCU)和ASSP，可穿戴設備設計工程師就必須使用通用的MCU或使用來自更成熟應用的高度集成器件，如來自智能手機、平板電腦以及其他手持/移動設備中的器件。上述這兩種方式都為設計工程師提供了高集成度的嵌入式計算平臺，無需為開發(fā)專用器件投入大量的時間和成本。不僅如此，很多開發(fā)工具和應用軟件都支持大多數(shù)這些現(xiàn)成器件，這也是額外的優(yōu)勢。

雖然在可穿戴應用中使用這類移動專用器件可獲得諸多優(yōu)勢，但是設計工程師還是會在設計過程中面臨諸多挑戰(zhàn)。第一個挑戰(zhàn)是可穿戴設備市場的變化非?？?，最初產(chǎn)品中所使用的嵌入式計算器件可能不具備相關(guān)的接口和I/O功能用以支持下一代產(chǎn)品所需的所有新功能。為了跟上市場變化的步伐，設計工程師必須要為產(chǎn)品設計增加擴展電路或?qū)ふ夜δ芨鼜姷腗CU/ASSP。

第二個挑戰(zhàn)， 也正是更普遍的問題—大部分這些嵌入式計算器件并不具備相關(guān)接口用于可穿戴應用中最常用的各類傳感器、顯示屏和其他I/O器件。在某些情況下，傳感器或顯示屏的接口不匹配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，或不兼容系統(tǒng)應用處理器使用的格式，這將導致“數(shù)字斷裂(DigitalDisconnect)”的發(fā)生(圖1)。

圖1：“數(shù)字斷裂”常見于大多數(shù)CMOS圖像傳感器的LVDS接口和許多常用應用處理器使用的CSI-2 I/O總線之間。

例如，常用于CMOS圖像傳感器的Sub-LVDS接口采用與許多常用應用處理器使用的CSI-2接口不同的數(shù)據(jù)幀格式(圖1)。此外，器件的接口還可能具備不同數(shù)量的串行通道。另一個導致“數(shù)字斷裂”的原因是，許多通用MCU具備GPIO以及其他并行接口，其必須要轉(zhuǎn)換成一種現(xiàn)在大多數(shù)傳感器和顯示屏使用的串行格式。此外，可穿戴應用中采用的緊湊封裝MCU的引腳數(shù)量太少，限制了其可直接訪問的器件數(shù)量。

應用處理器所支持的接口與眾多傳感器和輸出設備所要求的接口之間也存在著“ 功能性鴻溝” 。一個簡單的例子是，可穿戴設備可實現(xiàn)電視機或其他電子產(chǎn)品的紅外遠程控制。而這種情況下，大多數(shù)MCU并不具備的LED驅(qū)動能力成為了應用處理器和紅外(IR)LED之間的“功能性鴻溝”。

IR編碼器是一種純數(shù)字功能，至少從理論上來說可以由MCU的應用處理器實現(xiàn)。但是在許多情況中，這并不是最理想的解決方案，因為實時編碼需要占用的處理器資源已經(jīng)超過了系統(tǒng)能夠節(jié)省的資源。并且，應用處理器在編碼任務上花費的額外時間將導致消耗過多有限的系統(tǒng)功耗，因此最好使用硬件實現(xiàn)。

基于FPGA的解決方案

現(xiàn)在，F(xiàn)PGA可提供高性價比的方式來實現(xiàn)接口間的橋接以及為現(xiàn)有的器件添加新功能并縮短設計周期。而早期的可編程邏輯器件相對來說過于昂貴，并且功耗驚人，所以常用來作為初代設計或小批量產(chǎn)品的原型設計工具和“膠合”元件。

步入21世紀后，深亞微米工藝和新架構(gòu)的發(fā)展帶動了性能和通用性增強的新型FPGA的實現(xiàn)，并顯著降低了成本和功耗。這使得現(xiàn)在的FPGA能夠在可穿戴電子設備中發(fā)揮多種作用。

當然，F(xiàn)PGA仍在其傳統(tǒng)的應用領域中不斷發(fā)揮作用，如提供“ 膠合”邏輯、實現(xiàn)基礎功能，包括提供額外的邏輯單元(門電路、鎖存器、觸發(fā)器等)，添加輸入信號調(diào)節(jié)(電平轉(zhuǎn)換、施密特觸發(fā)器和反相器)，以及為已有的主機處理器I/O互連提供擴展路徑。

FPGA還能用于實現(xiàn)前文所提到的更復雜的功能。其最簡單的形式是提供橋接功能，如圖2所示，F(xiàn)PGA能解決圖1中展示的傳感器Sub-LVDS接口與應用處理器的CSI-2 I/O總線之間的橋接問題。

圖2：嵌入式圖像傳感器和應用處理器間的橋接。

在串/并轉(zhuǎn)換應用中也經(jīng)常使用基于FPGA的橋接。圖3展示了可編程邏輯器件是怎樣將應用處理器的標準并行總線轉(zhuǎn)換成現(xiàn)在的可穿戴設備顯示屏最常用的MIPI DSI接口的串行格式的。在該應用中，F(xiàn)PGA負責實現(xiàn)以下功能：

重新定義圖像傳感器的LVDS輸出格式，以匹配應用處理器支持的通道數(shù)量和數(shù)據(jù)速率;

將傳感器的數(shù)據(jù)時鐘信號傳輸至應用處理器，實現(xiàn)任何所需的信號編碼;

使用可編程邏輯而不是應用處理器有限的機器周期來實現(xiàn)屏幕刷新動作。

圖3：用于可穿戴設備顯示屏的GPIO/DSI橋接。

橋接功能也可用作基于FPGA的更大系統(tǒng)元件的構(gòu)建模塊，如實現(xiàn)圖4中的雙輸入橋接/處理器，它將接收來自2個獨立圖像傳感器的CSI-2串行數(shù)據(jù)流，并將其處理為單個CSI-2或并行或HiSPI輸出。根據(jù)所選的算法，可對獨立的數(shù)據(jù)流進行色彩調(diào)整或在時間或空間上進行補償生成單幅3D圖像，或在屏幕坐標空間的不同位置對其單獨顯示產(chǎn)生畫中畫效果。

圖4：FPGA可用于實現(xiàn)實時視頻處理功能，如生成3D立體圖像、視場或畫中畫。

FPGA助力節(jié)能技術(shù)

在前面的幾個例子中，設計的主要目的是為了增強應用處理器本身的互連或功能。但這些基于FPGA的解決方案還提供了另一個重要的好處：使得MCU或ASSP無需同時執(zhí)行一個或多個計算密集型任務，從而節(jié)省了有限的處理器資源。

但是，在許多情況下，這些設計的功耗降低具有更重要的意義。例如，圖3中的設計包含了一個硬件屏幕刷新功能，其僅需消耗傳統(tǒng)處理器內(nèi)核所需功率的一小部分。同樣，圖4中的一些小尺寸、低功耗FPGA邏輯器件獨立于主機處理器執(zhí)行圖像處理任務，這使得主機處理器大部分時間可處于節(jié)能睡眠模式。

下面探討的許多應用都使用這種節(jié)能設計方法，適用于大多數(shù)有低功耗需求的可穿戴應用。

FPGA可加速設計升級和新設計實現(xiàn)

可穿戴電子設備發(fā)展迅速，每一代新產(chǎn)品都比上一代添加了更多的功能和特性。在這些應用中，小尺寸、低成本的FPGA經(jīng)常被用來擴展可穿戴式設備應用處理器的基本功能。

許多現(xiàn)代的微控制器都有強大的計算能力來管理傳感器和處理其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并將它與其他數(shù)據(jù)流進行整合。但使用微控制器來完成這些工作會占用寶貴的I/O資源，并要求處理器長時間處于工作狀態(tài)，從而會影響電池壽命。

而FPGA可以用來創(chuàng)建半自主的I/O模塊，能夠從多個傳感器收集數(shù)據(jù)，并在沒有處理器干預的情況下完成其他高級功能。“永遠在線”的低功耗計步器采用3軸加速度計作為主要傳感器，記錄佩戴者的步數(shù)，計算所走的距離并測定燃燒的卡路里以及運動時間。

在該設計中，一些FPGA邏輯單元被配置用作加速度計的I2C接口和應用處理器SP I/O總線之間的橋接。其他的FPGA功能塊用于配置和管理加速度計?？删幊踢壿嬕部梢杂糜谔幚碓嫉募铀俣扔嫈?shù)據(jù)，針對帶有噪聲的數(shù)據(jù)流采用統(tǒng)計學濾波和步數(shù)檢測算法。FPGA的另一部分功能是用來緩存得到的步數(shù)和加速度信息，直到主機處理器從低功耗睡眠狀態(tài)喚醒并收集這些數(shù)據(jù)。采用可編程邏輯內(nèi)核來執(zhí)行這些計算密集型任務，可使應用處理器長時間處于睡眠模式，從而有助于減少計步器的功耗。通過FPGA實現(xiàn)這些功能也使設計人員能夠在不影響計步器的性能和精度的情況下，使用更簡單、更低功耗的微控制器。

FPGA提供可擴展的解決方案

采用FPGA的另一個優(yōu)點是，F(xiàn)PGA廠商通常會提供一系列類似的器件，每個器件有不同的可編程邏輯和I/O組合。使用FPGA作為ASIC的補充或替代，設計工程師可以選擇他們目前所需的邏輯門數(shù)量，開發(fā)大小合適的解決方案。

由于同一FPGA系列的器件共享參數(shù)、特性和開發(fā)資源，各種邏輯密度和I/O配置選擇使得制造商可以采取“升級時再購買”的策略，為現(xiàn)有的設計添加新的功能，或重組現(xiàn)有的功能開發(fā)新的產(chǎn)品。由于同一系列器件共享通用的工具鏈和IP庫，設計工程師可以迅速將升級和后續(xù)設計從設想變?yōu)楫a(chǎn)品推向市場。

總結(jié)

可穿戴設備的標準架構(gòu)、功能集和專用芯片的缺失為本來就面臨緊張成本、功耗和尺寸約束的移動消費電子設計帶來了許多前所未有的挑戰(zhàn)。本文介紹了FPGA能夠通過一些簡單的方法幫助設計工程師解決上述問題，例如：為現(xiàn)有微控制器、傳感器、顯示器等之間的接口橋接，為現(xiàn)有的微控制器和ASSP 添加新的互連和功能，以及在某些情況下提供了一種替代ASIC或SoC的選擇。

由于其靈活性、可擴展性和較低的解決方案成本，F(xiàn)PGA為許多類型的產(chǎn)品重新定義了傳統(tǒng)的設計周期，為設計工程師提供了許多超越傳統(tǒng)ASIC的優(yōu)點。