可穿戴计算机硬件结构研究---电子科技大学学报

第39卷增刊电子科技大学学报Vol.39Suppl.2010年4月JournalofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaApr.2010可穿戴计算机硬件结构研究蒲旺1，黎桂岑2，黄志奇3(1.川庆钻探工程有限公司成都610051;2.成都航空职业技术学院建筑工程系成都610041;3.电子科技大学移动计算中心成都610054)【摘要】由于可穿戴计算机的人机交互方式与普通计算机的人机交互方式的差异，导致了可穿戴计算机在硬件结构上与传统计算机有很大的不同。该文详细讨论了目前可穿戴计算机所采用的两种不同硬件结构方式：集中式结构和分布式结构。集中式结构是在传统计算机基础上发展起来的，适于快速实现可穿戴计算机的开发与研制。分布式结构引入模块化的概念，将系统根据主要功能的不同分离成若干子系统，更适于满足人体的穿戴要求，具有很强的系统配置灵活性。文章认为逐步弱化机器的概念是可穿戴计算机硬件结构的发展趋势。关键词集中式结构;分布式结构;人机交互;可穿戴计算机中图分类号TP20文献标识码Adoi:10.3969/j.issn.1001-0548.2010.z1.008ResearchonHardwareArchitectureoftheWearableComputerPUWang1,LIGui-cen2,andHUANGZhi-qi3(1.ChuanqingDrillingProjectLtd.Chengdu610051;2.DepartmentofBuildingEngineering,ChengduAeronauticVocationalandTechnicalCollegeChengdu610041;3.MobileComputingCenter,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaChengdu610054)AbstractThedifferencesbetweentheman-machineinteractionsofwearablecomputerandcommoncomputercauseagreatdifferenceintheirhardwarearchitecture.Atpresent,thehardwarearchitectureofwearablecomputermainlyadoptstwomodes.Oneiscentralarchitecture,andtheotherisdistributionalarchitecture.Theformerisdevelopedfromthetraditionalcomputer,whichissuitablefortomanufacturethewearablecomputerasquicklyaspossible.Thedistributionalarchitectureintroducesmodularizationconcept,anddispersesthewearablecomputerintosomesubsystemsaccordingtothedifferencesoffunctions.Thedistributionalarchitecturecansatisfytherequirementofthewearabilty,andhasverystrongflexibilityinsystemdisposition.Itisbelievedthatgraduallyattenuatingmachine’sconceptwillbeadevelopmenttendencyinthehardwarearchitectureofthewearablecomputer.Keywordscentralarchitecture;distributionalarchitecture;man-machineinteraction;thewearablecomputer收稿日期：2009-11-15作者简介：蒲旺(1973-)，男，硕士，主要从事电子机械、计算机网络、新技术应用推广等方面的研究.对于可穿戴计算机(wearablecomputer，WearComp)的研究，可以追溯到20世纪60年代。近20年以来，随着信息处理技术、计算机硬件技术、超大规模集成电路制造技术的发展，各种高集成、超微型的元器件的产生以及人们对信息处理手段和计算资源需求的日益扩大，使得可穿戴计算机的研究在国际计算机学术界及工业界开始得到广泛的重视。但国内外针对可穿戴计算机的研究都还处于初级阶段，主要的研究热门方向有可穿戴计算机硬件实现、人机交互技术[1]，以及其他工程领域的应用等。国外的研究单位主要有美国的XybernautCorporation、CharmedTechnologyCompany、CMU、MIT、StanfordUniversity、GeorgiaInstituteofTechnology，加拿大的UniversityofToronto，英国的UniversityofBristol，日本时技协会等；国内主要有重庆大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中科院软件所等。国外许多公司已经率先推出了具有实用价值的可穿戴计算机，如Xybernaut的MA®V、CharmedTechnology的CharmIT。可穿戴计算机属于计算机发展进程中的一个阶段，它是一类微小型、低功耗的个人移动计算系统，它被使用者所控制，包含在使用者的个人空间中。增刊蒲旺等:可穿戴计算机硬件结构研究35使用中被穿戴在人体身上，与人所穿的衣物相结合，成为人们穿戴的一部分，实现了人与计算机之间自然、方便和有效的信息交互，最终目标是实现人机之间的“最佳结合与协同”。可穿戴计算机不能简单地看作是将计算机穿戴到身上，它改变了许多现有的人机交互方式，体现了一种新型的、紧密的人机协作方式：即在弱化传统计算机模式的同时，为使用者随时随地提供旨在辅助和增强使用者能力的“服务”。可穿戴计算机真正体现了“personalcomputer”的含义，在体系结构、功能、形态、用途以及设计方法方面都与传统的台式计算机、手提式计算机以及手持式的PDA大不相同[2-3]。1可穿戴计算机的硬件组成目前，对可穿戴计算机的开发和研制尚处于起步、摸索阶段，比较多的样机和产品采用的是将相关的电子设备微型化，再与一些可穿戴技术相融合。这样的可穿戴计算机虽然距人机间无缝、最佳结合与协同的构想还很远，但是它初步具备了可穿戴计算机的一些属性和功能，在人们的日常生活、大型复杂设备的维护与检修、医疗、地质勘探以及军事领域都显示出其应用的潜在价值。目前可穿戴计算机一般由主机子系统、头戴显示子系统、通信子系统、输入输出子系统、电源子系统和支撑子系统构成，如图1所示。主机子系统头戴显示子系统通信子系统电源子系统输入输出子系统支撑子系统图1可穿戴计算机的典型结构图主机子系统是可穿戴计算机的核心部分，是微小型计算机。体积、重量、功耗、抗震性能以及可穿戴性是设计主机子系统时要考虑的重要因素。它的性能是由与其处于同一时期的计算机产品性能和应用目的所决定的。如1980年所研制的第一台可穿戴计算机样机的主机是基于AppleII处理器，而Xybernaut公司于2001年所研制的MA®V的主机是基于500MHz移动赛扬1.1V低功耗处理器[4-5]。头戴显示子系统是可穿戴计算机实现新型的人机协作方式的重要部分，是目前使用比较广泛的人机交互装置。根据采用结构的不同，头戴显示系统可以分为头佩式显示器、头戴式显示器以及头盔式显示器3种。按工作方式可以分为透视(seethrough)与非透视两类。可穿戴计算机需在移动工作时，通过通信子系统与本身所处的计算环境进行信息交互，无线网络比有线网络更适合于可穿戴计算机的实际需要。现在无线网络连接技术常采用IEEE802.11、HomeRF和BlueTooth3种通信协议。输入输出子系统主要根据具体应用的需要以及尽可能减少可穿戴计算机使用者双手占用率的原则进行研制和设计。使用时完全不用双手的输入技术如语音控制、人偶系统(姿势控制)等还处于探索和研究中，目前多采用单手控制的输入设备，主要有前臂键盘、柔性键盘、虚拟键盘、Twiddler键盘和数据手套等。工作时间的长短是衡量可穿戴计算机性能的一个重要指标。提高这一指标的有效途径一是降低系统的功耗，二是提高电源子系统的容量和性能。可穿戴计算机需要支撑子系统来提供物理支撑，如口袋、马夹、背心和腰带等。可穿戴计算机不是简单地把电子设备挂在人身上，在设计支撑子系统时要充分应用人机工学理论，使可穿戴计算机处于一个比较好的工作状态，增加使用者的穿戴舒适感。2可穿戴计算机的硬件结构按照构成可穿戴计算机各个子系统的组织形式分类，目前可穿戴计算机硬件结构可分为集中式和分布式两种。集中式可穿戴计算机将主机子系统、通信子系统、电源子系统以及输入输出子系统的控制模块都最大限度地集中在一起。除了一些必须分离的部件(如HMD、输入设备等)之外，耦合程度较高的部件(如CPU、Chipset、显示声音处理模块等)都最大限度地集中置于机壳之内，形成一个微型的、紧凑的计算机系统，类似于传统的计算机的主机系统，只是在体积、质量上都大幅度减小。而分布式可穿戴计算机则将各种部件比较合理地分布在人体各个部位，其目的是为了使可穿戴计算机更适合人体穿戴，使用更方便。目前，国际上使用两种结构的代表分别是美国的Xybernaut公司的MA®V(mobileassistant®V)和MIT的MIThril。2.1集中式可穿戴计算机集中式可穿戴计算机是在现有计算机的基础上发展起来的，是计算机技术与可穿戴技术结合的产物，继承了计算机的许多成熟技术[6]。20世纪80年代，应用于图像采集的第一台可穿戴计算机就是把电子科技大学学报第39卷36当时的AppleII主机以及其他外部设备捆绑在使用者身上实现的，如图2所示。集中式可穿戴计算机是目前研究机构进行可穿戴计算机样机开发研制时所广泛采用的方案，其最大的优势就是能够在现有计算机技术的基础上采用COST产品快速实现适用于各种研究目的的样机开发与研制[7]。图2第1台可穿戴计算机可穿戴计算机由于需要长时间穿戴在使用者身上，因此在体积和重量上都比一般计算机(台式、便携式)有着更高的要求。在满足一定功能的前提下，尽可能实现整机的微型化是目前集中式可穿戴计算机研究中急需解决的关键技术。由于集中式可穿戴计算机将PC的系统构架移植到可穿戴计算机的同时，也引入了一些对于可穿戴计算机不实用的结构、总线和接口，因而增加了系统设计的复杂性以及主机的体积和重量。Xybernaut公司MAV的总线结构示意图如图3所示。ISASlotsPCISlotsAGPBusHostBusPentiumIIProcessorPCI/AGPControllerMainMemoryGraphicsDeviceGraphicsMemoryPrimaryPCIBusPCItoISABridgeIOAPICISABusIDEPortsUSBPorts1394Ports图3MAV的总线结构示意图MAV是目前欧美市场上比较成熟的一款可穿戴计算机，虽然在体积和重量方面都比以往的产品有了很大改善，不计扩展部分，体积约为150mm´90mm´50mm，重量约为500g，仍然影响使用者长时间地佩戴使用。从图3可以看出，MAV支持多种外部总线以及多种接口，但作为对体积和重量要求很高的集中式可穿戴计算机，应尽可能采用单一的总线结构降低硬件系统的复杂性，简化系统接口，以减小系统的体积和重量。目前正在研究一种比较可行的解决方案，即对系统内部的高速设备显示控制器和外部存储器，仍然采用传统的总线连接方式，使用PCI并行总线。对于所有的外部设备统一用USB总线连接。CPU通过内存控制器连接内存，通过PCI总线控制器连接PCI总线。图形控制器与IDE控制器，直接挂接在PCI