USB技術(shù)在可穿戴計算機中的具體應(yīng)用解析

1 引言

在網(wǎng)絡(luò)計算機已經(jīng)開始逐步取代了個人計算機的二十世紀末期，新一代的可穿戴計算機(Wearable Computers)又悄然來到我們周圍?？纱┐饔嬎愀拍畹奶岢鰹槿伺c計算機的有機結(jié)合開創(chuàng)了一條新途徑，是實現(xiàn)更加友好的人機交互的新技術(shù)之一。盡管可穿戴計算機的體積很小，但卻具備了PC機的所有功能，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)計的困難，也成為了可穿戴計算機設(shè)計中的瓶頸和關(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家世界著名的計算機和通訊公司花了近兩年時間于1995年11月正式制定的USB規(guī)范。USB是一種高速的、半雙工、等時的、可動態(tài)連接(熱插拔)的低成本串行接口，可滿足現(xiàn)在和未來的計算機平臺的需求。將USB接口應(yīng)用到可穿戴計算機中，不但可以充分發(fā)揮USB接口的通用、高速、可擴展和熱插拔的特性，而且可大大簡化可穿戴計算機的設(shè)計，提高它的集成度是解決可穿戴計算機接口瓶頸的一種有效方法，也是可穿戴計算技術(shù)發(fā)展的一個新的方向。

2 可穿戴計算技術(shù)的發(fā)展

“可穿戴計算技術(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，這個概念也是從一個賭博游戲中產(chǎn)生的。當(dāng)時有一個叫做“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，但為了逃避開賭場的人的監(jiān)視，Edward便想到如果有一臺可以隨身攜帶的小型計算機裝在衣兜中，用它所帶的小型攝像裝置將“輪盤賭”旋轉(zhuǎn)過程(速度與時間)記錄下來，然后再用計算機進行數(shù)據(jù)處理，便可提前預(yù)測到賭局的結(jié)果。

基于此目的，Edward與Claude Shannon在1966年研制出第一臺可穿戴計算機，該系統(tǒng)是一個帶有4個按鍵的香煙盒大小的模擬計算機，一個數(shù)據(jù)采集器通過按鍵來獲取并顯示輪盤賭的速度，并通過音頻信號將結(jié)果傳給賭徒，以此來指導(dǎo)他下賭注。盡管當(dāng)時的機器功能比較簡單，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“可穿戴計算技術(shù)”概念以后，許多人認識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算機?？v觀各種可穿戴計算機不難發(fā)現(xiàn)，其共性是人機交互更為方便、可以移動計算、體積小、重量輕、功耗小、功能強、攜帶方便，使人的雙手完全從控制計算機中解脫出來，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，可以幫助工程維護人員進行檢修和維護工作;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。

可穿戴計算機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)計技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)等。

3 USB技術(shù)簡介

USB是一種基于PC機的工業(yè)標準擴展總線，制定USB總線規(guī)范的目的在于：①易于PC機外圍設(shè)備的擴展;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)的實時傳輸;④協(xié)議靈活，可實現(xiàn)等時數(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)各種計算機的配置方式;⑦提供一種便于快速集成到產(chǎn)品中的標準的接口;⑧是一類增強計算機功能的新的設(shè)備。

USB的主要特點有：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)閉計算機，所有USB設(shè)備支持熱插拔，系統(tǒng)對其進行自動配置，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480Mbps傳輸率)，而且可支持許多設(shè)備同時操作，充分利用信道總線。③易于擴展，通過使用Hub擴展可駁接多選127個外設(shè)。標準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)距離達到30米。④能夠采用總線供電，USB總線提供最大達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)議中包含了錯誤處理和錯誤恢復(fù)的機制，可自動識別出錯誤設(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)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，至多拓撲到5層。

4 USB技術(shù)在可穿戴計算機中的具體應(yīng)用

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