摘要：體積小、功能強、外圍設備多、集成度高是可穿戴計算機的主要特點之一。由于可穿戴計算機對多媒體的要求很高，要實現的功能很多，以至于其外設種類很多，所以要求其接口種類也比較多，如串口、MCP接口、USB接口以及PCMCIA接口等等。若將這眾多接口都集成在一起，不但設計復雜，而且集成后的體積仍然較大，且其擴充性也較低。USB接口則將這些不同的接口統一起來，使用一個4針插頭作為標準插頭。在可穿戴計算機的設計中采用USB接口作為主要的外設接口，可彌補上述的不足。重點介紹了可穿戴計算技術、USB技術并提出了一種將USB接口作為可穿戴計算機通用接口的設計方法。

　　1 引言

　　在網絡計算機已經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。可穿戴計算概念的提出為人與計算機的有機結合開創了一條新途徑，是實現更加友好的人機交互的新技術之一。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備，而且要求外設接口的數據傳輸速度也要快，這無疑加重了外設接口設計的困難，也成為了可穿戴計算機設計中的瓶頸和關鍵技術之一。通用串行總線USB（Universal Serial Bus）是應用在PC領域的新型接口技術，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規范。USB是一種高速的、半雙工、等時的、可動態連接（熱插拔）的低成本串行接口，可滿足現在和未來的計算機平臺的需求。將USB接口應用到可穿戴計算機中，不但可以充分發揮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發展的一個新的方向。

　　2 可穿戴計算技術的發展

　　“可穿戴計算技術”概念早在1955年就被Edward O.Thop提出。正像大多數其它數學定理的發現一樣，這個概念也是從一個賭博游戲中產生的。當時有一個叫做“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”旋轉過程（速度與時間）記錄下來，然后再用計算機進行數據處理，便可提前預測到賭局的結果。基于此目的，Edward與Claude Shannon在1966年研制出第一臺可穿戴計算機，該系統是一個帶有4個按鍵的香煙盒大小的模擬計算機，一個數據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果傳給賭徒，以此來指導他下賭注。盡管當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”概念以后，許多人認識到它的重要性并相繼展開了研究，如美國卡內基梅隆大學（CMU）和麻省理工大學（MIT）都建立了可穿戴技術研究室，并研制出各自的可穿戴計算機。縱觀各種可穿戴計算機不難發現，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，所以它的應用也十分廣泛。在醫療上，可以借助它做外科手術；在工業中，可以幫助工程維護人員進行檢修和維護工作；在旅游業上可以輔助導航；在軍事上可用于完成軍事偵察、指揮決策及遠程協作作戰等：在日常生活中，可以幫助人們記憶重要的事務，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以及其接口設備和能量高體積小的電源。基本的外設主要有輸出設備和輸入設備，為了便于攜帶，用頭盔顯示器或眼鏡顯示器代替了傳統的桌面臺式顯示器作為輸出設備，用語音控制或較少按鍵的袖珍鍵盤代替了傳統的鍵盤作為輸入設備。另外，根據用戶不同的需求，還需配備相應的外部設備，如無線通訊設備、語音輸入輸出設備、圖像采集設備、全球定位系統（GPS）以及各種各樣的傳感器。然而，為了將這眾多的外設有機的集成在一起，必需將相應的接口電路集成在主板上，所以接口電路設計技術是可穿戴技術中關鍵技術之一，此外還包括系統集成技術、低功耗設計技術和增強現實技術等。

　　3 USB技術簡介

　　USB是一種基于PC機的工業標準擴展總線，制定USB總線規范的目的在于：①易于PC機外圍設備的擴展；②提供一種高傳輸率、低成本的解決方案；③支持音頻、視頻及壓縮視頻數據的實時傳輸；④協議靈活，可實現等時數據傳輸（1sochronous Data Transfers）和異步消息傳輸（Asynchronous Messaging）的混合模式；⑤支持通用商品設備；⑥適應各種計算機的配置方式；⑦提供一種便于快速集成到產品中的標準的接口；⑧是一類增強計算機功能的新的設備。

　　USB的主要特點有：①使用簡單，設備安裝和配置容易。安裝USB設備不必再打開機箱，增加新設備或卸除已安裝過的設備完全不用關閉計算機，所有USB設備支持熱插拔，系統對其進行自動配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關設置。②速度快，適用于帶寬范圍在1.5Mbps到12Mbps之間的各種設備（USB2.0支持高達480Mbps傳輸率），而且可支持許多設備同時操作，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。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，以適應不同設備的需要。⑥健壯性高。協議中包含了錯誤處理和錯誤恢復的機制，可自動識別出錯誤設備。

　　USB系統的構成：USB系統主要由主控制器、USB Hub和USB外設。組成系統拓撲結構如圖1所示，至多拓撲到5層。

　　4 USB技術在可穿戴計算機中的具體應用

　　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技術在其中的應用。根據飛機技師的實際需求，該套可穿戴計算機應具有頭盔顯示器、耳機、耳麥、攝像機、無線通訊和手寫輸入等外設。顯示器用于顯示飛機各部件的技術資料，免去了飛機技師攜帶繁重的技術手冊的負擔；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，并通過無線通訊設備傳給總部，或將某些手寫輸入到計算機內處理，其結構框圖如圖2所示。

　　由圖2可見計算機接口較多，不但加大了系統設計的難度，而且不利于系統的集成，同時對電源的消耗較大，不利于整個系統的實現。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，則可大大簡化系統接口的設計，提高集成度，減小體積，降低系統的功耗。采用USB接口的結構框圖如圖3所示。其中的接口類型比較單一，除了視頻接口外，其它外設都可通過USB接口連接到系統中，所以可將其集成到一個專用集成電路中（ASIC），從而簡化了可穿戴計算機的系統結構。另外，USB接口提供連接、掛起和斷開3種工作狀態，可有效的節省能源，降低功耗。USB還支持動態插拔，自動識別設備，便于用戶臨時組裝外設，提高了整機的靈活性，也方便攜帶。

　　5 結論

　　可穿戴計算技術是發展下一代計算機的新的技術，目前在國外發展十分迅速，然而在我國起步較晚。其中涵蓋的技術很多，包括語音控制技術，語音和圖像輸入、壓縮及解壓縮技術、無線通訊技術、系統集成技術和低功耗技術等。USB設備的應用日前在國外處于高速發展階段，在國內的應用已經起步。將USB技術應用到可穿戴技術中是發展可穿戴技術的一個有效解決方法，必將受到更多人的重視。

——本文選自電子發燒友網2月《可穿戴技術特刊》“透視新設計”欄目，轉載請注明出處，違者必究！