USB技术在可穿戴计算机中的应用

　　摘要：体积小、功能强、外围设备多、集成度高是可穿戴计算机的主要特点之一。由于可穿戴计算机对多媒体的要求很高，要实现的功能很多，以至于其外设种类很多，所以要求其接口种类也比较多，如串口、MCP接口、USB接口以及PCMCIA接口等等。若将这众多接口都集成在一起，不但设计复杂，而且集成后的体积仍然较大，且其扩充性也较低。USB接口则将这些不同的接口统一起来，使用一个4针插头作为标准插头。在可穿戴计算机的设计中采用USB接口作为主要的外设接口，可弥补上述的不足。重点介绍了可穿戴计算技术、USB技术并提出了一种将USB接口作为可穿戴计算机通用接口的设计方法。

　　1 引言

　　在网络计算机已经开始逐步取代了个人计算机的二十世纪末期，新一代的可穿戴计算机（Wearable Computers）又悄然来到我们周围。可穿戴计算概念的提出为人与计算机的有机结合开创了一条新途径，是实现更加友好的人机交互的新技术之一。尽管可穿戴计算机的体积很小，但却具备了PC机的所有功能，例如语音输入与输出功能、视频输出功能、图像采集功能和无线通讯功能等等。这些功能不但需要各种不同的外围设备，而且要求外设接口的数据传输速度也要快，这无疑加重了外设接口设计的困难，也成为了可穿戴计算机设计中的瓶颈和关键技术之一。通用串行总线USB（Universal Serial Bus）是应用在PC领域的新型接口技术，是Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通讯公司花了近两年时间于1995年11月正式制定的USB规范。USB是一种高速的、半双工、等时的、可动态连接（热插拔）的低成本串行接口，可满足现在和未来的计算机平台的需求。将USB接口应用到可穿戴计算机中，不但可以充分发挥USB接口的通用、高速、可扩展和热插拔的特性，而且可大大简化可穿戴计算机的设计，提高它的集成度是解决可穿戴计算机接口瓶颈的一种有效方法，也是可穿戴计算技术发展的一个新的方向。

　　2 可穿戴计算技术的发展

　　"可穿戴计算技术"概念早在1955年就被Edward O.Thop提出。正像大多数其它数学定理的发现一样，这个概念也是从一个赌博游戏中产生的。当时有一个叫做"轮盘赌"的赌博游戏十分盛行，而Edward O.Thop一心想弄清楚其中的奥秘，但为了逃避开赌场的人的监视，Edward便想到如果有一台可以随身携带的小型计算机装在衣兜中，用它所带的小型摄像装置将"轮盘赌"旋转过程（速度与时间）记录下来，然后再用计算机进行数据处理，便可提前预测到赌局的结果。基于此目的，Edward与Claude Shannon在1966年研制出第一台可穿戴计算机，该系统是一个带有4个按键的香烟盒大小的模拟计算机，一个数据采集器通过按键来获取并显示轮盘赌的速度，并通过音频信号将结果传给赌徒，以此来指导他下赌注。尽管当时的机器功能比较简单，但它却代表了一种新的思想和研究方向。

　　自从Edward O.Thop提出了"可穿戴计算技术"概念以后，许多人认识到它的重要性并相继展开了研究，如美国卡内基梅隆大学（CMU）和麻省理工大学（MIT）都建立了可穿戴技术研究室，并研制出各自的可穿戴计算机。纵观各种可穿戴计算机不难发现，其共性是人机交互更为方便、可以移动计算、体积小、重量轻、功耗小、功能强、携带方便，使人的双手完全从控制计算机中解脱出来，所以它的应用也十分广泛。在医疗上，可以借助它做外科手术；在工业中，可以帮助工程维护人员进行检修和维护工作；在旅游业上可以辅助导航；在军事上可用于完成军事侦察、指挥决策及远程协作作战等：在日常生活中，可以帮助人们记忆重要的事务，等等。

　　可穿戴计算机的主要组成部分包括：低功耗嵌入式CPU、多种多样的便携式外设以及其接口设备和能量高体积小的电源。基本的外设主要有输出设备和输入设备，为了便于携带，用头盔显示器或眼镜显示器代替了传统的桌面台式显示器作为输出设备，用语音控制或较少按键的袖珍键盘代替了传统的键盘作为输入设备。另外，根据用户不同的需求，还需配备相应的外部设备，如无线通讯设备、语音输入输出设备、图像采集设备、全球定位系统（GPS）以及各种各样的传感器。然而，为了将这众多的外设有机的集成在一起，必需将相应的接口电路集成在主板上，所以接口电路设计技术是可穿戴技术中关键技术之一，此外还包括系统集成技术、低功耗设计技术和增强现实技术等。

　　3 USB技术简介

USB是一种基于PC机的工业标准扩展总线，制定USB总线规范的目的在于：①易于PC机外围设备的扩展；②提供一种高传输率、低成