可穿戴电子设备对规划工程师提出了史无前例的应战—规划工程师需求在没有专用芯片组或规范化架构的状况下创立智能、紧凑和多功用的产品。因为专用芯片组(规范化架构)的缺失，规划工程师需求在可穿戴产品中运用为移动和手持运用规划的器材和互连技能。
如安在两个不相关的器材之间完结数字与模仿“间隔”的桥接是一个不小的规划应战，而这关于有严厉空间和功耗束缚的可穿戴设备来说更是难上加难。一起，开展迅速的商场要求规划工程师紧跟顾客不断改变的需求，快速晋级现有产品的功用并推出全新的产品。
本文将针对可穿戴产品的规划应战进行研究，并将探究怎么运用可编程逻辑产品来处理这些问题。文章相关的规划实例旨在阐明怎么将专用可编程器材运用于以下三个方面：
扩展。运用额定的逻辑和定制功用扩展现有ASIC和ASSP的功用和运用寿数。
晋级。运用可编程逻辑产品完结新协议和规范，并经过桥接完结互不兼容元器材间的互连，以此晋级可穿戴设备的规划。
立异。无需为ASIC开发投入许多时刻和费用，运用可编程逻辑产品供给的灵敏渠道来完结高档功用或全新的特性。
可穿戴设备带来史无前例的规划应战
可穿戴电子产品正处于开展前期，技能没有老练，就像地球上的生命进化进程相同，将发生像寒武纪生命大迸发相同百家争鸣的技能立异。可以预见至少在未来的3到5年内将不断有各式各样的产品和试作问世，构成具有以下特征的商场：
● 商场快速立异，而顾客的需求也以相同的速度快速改变;
● 全新类型的产品呈现和开展，有时候也会终究消失;
● 呈现许多相互竞争的产品，但未能构成规范的功用集;
● 即便有也只要很少的规范化架构或接口规范。
在这段蓬勃开展的时期里，产品依托的半导体器材的开展将跟不上产品自身迭代更新的速度。因为IC开发一般需求12至18个月，假如制造商坚持为可穿戴商场开发ASIC，很或许导致产品上市时功用并不尽善尽美或已然过期。
没有专为运用优化的微操控器(MCU)和ASSP，可穿戴设备规划工程师就有必要运用通用的MCU或运用来自更老练运用的高度集成器材，如来自智能手机、平板电脑以及其他手持/移动设备中的器材。上述这两种办法都为规划工程师供给了高集成度的嵌入式核算渠道，无需为开发专用器材投入许多的时刻和本钱。不仅如此，许多开发东西和运用软件都支撑大多数这些现成器材，这也是额定的优势。
虽然在可穿戴运用中运用这类移动专用器材可获得许多优势，可是规划工程师仍是会在规划进程中面对许多应战。第一个应战是可穿戴设备商场的改变非常快，开始产品中所运用的嵌入式核算器材或许不具有相关的接口和I/O功用用以支撑下一代产品所需的一切新功用。为了跟上商场改变的脚步，规划工程师有必要要为产品规划增加扩展电路或寻觅功用更强的MCU/ASSP。
第二个应战， 也正是更遍及的问题—大部分这些嵌入式核算器材并不具有相关接口用于可穿戴运用中最常用的各类传感器、显现屏和其他I/O器材。在某些状况下，传感器或显现屏的接口不匹配体系的数据总线，或不兼容体系运用处理器运用的格局，这将导致“数字开裂(DigitalDisconnect)”的发生(图1)。
图1：“数字开裂”常见于大多数CMOS图画传感器的LVDS接口和许多常用运用处理器运用的CSI-2 I/O总线之间。
例如，常用于CMOS图画传感器的Sub-LVDS接口选用与许多常用运用处理器运用的CSI-2接口不同的数据帧格局(图1)。此外，器材的接口还或许具有不同数量的串行通道。另一个导致“数字开裂”的原因是，许多通用MCU具有GPIO以及其他并行接口，其有必要要转化成一种现在大多数传感器和显现屏运用的串行格局。此外，可穿戴运用中选用的紧凑封装MCU的引脚数量太少，束缚了其可直接拜访的器材数量。
运用处理器所支撑的接口与许多传感器和输出设备所要求的接口之间也存在着“ 功用性间隔” 。一个简略的比如是，可穿戴设备可完结电视机或其他电子产品的红外长途操控。而这种状况下，大多数MCU并不具有的LED驱动才能成为了运用处理器和红外(IR)LED之间的“功用性间隔”。
IR编码器是一种纯数字功用，至少从理论上来说可以由MCU的运用处理器完结。可是在许多状况中，这并不是最理想的处理方案，因为实时编码需求占用的处理器资源现已超过了体系可以节约的资源。而且，运用处理器在编码使命上花费的额定时刻将导致耗费过多有限的体系功耗，因而最好运用硬件完结。
依据FPGA的处理方案
现在，FPGA可供给高性价比的办法来完结接口间的桥接以及为现有的器材增加新功用并缩短规划周期。而前期的可编程逻辑器材相对来说过于贵重，而且功耗惊人，所以常用来作为初代规划或小批量产品的原型规划东西和“胶合”元件。
步入21世纪后，深亚微米工艺和新架构的开展带动了功用和通用性增强的新式FPGA的完结，并明显下降了本钱和功耗。这使得现在的FPGA可以在可穿戴电子设备中发挥多种作用。
当然，FPGA仍在其传统的运用领域中不断发挥作用，如供给“ 胶合”逻辑、完结根底功用，包含供给额定的逻辑单元(门电路、锁存器、触发器等)，增加输入信号调理(电平转化、施密特触发器和反相器)，以及为已有的主机处理器I/O互连供给扩展途径。
FPGA还能用于完结前文所说到的更杂乱的功用。其最简略的方式是供给桥接功用，如图2所示，FPGA能处理图1中展现的传感器Sub-LVDS接口与运用处理器的CSI-2 I/O总线之间的桥接问题。
图2：嵌入式图画传感器和运用处理器间的桥接。
在串/并转化运用中也常常运用依据FPGA的桥接。图3展现了可编程逻辑器材是怎样将运用处理器的规范并行总线转化成现在的可穿戴设备显现屏最常用的MIPI DSI接口的串行格局的。在该运用中，FPGA担任完结以下功用：
从头界说图画传感器的LVDS输出格局，以匹配运用处理器支撑的通道数量和数据速率;
将传感器的数据时钟信号传输至运用处理器，完结任何所需的信号编码;
运用可编程逻辑而不是运用处理器有限的机器周期来完结屏幕改写动作。
图3：用于可穿戴设备显现屏的GPIO/DSI桥接。
桥接功用也可用作依据FPGA的更大体系元件的构建模块，如完结图4中的双输入桥接/处理器，它将接纳来自2个独立图画传感器的CSI-2串行数据流，并将其处理为单个CSI-2或并行或HiSPI输出。依据所选的算法，可对独立的数据流进行颜色调整或在时刻或空间上进行补偿生成单幅3D图画，或在屏幕坐标空间的不同方位对其独自显现发生画中画作用。
图4：FPGA可用于完结实时视频处理功用，如生成3D立体图画、视场或画中画。
FPGA助力节能技能
在前面的几个比如中，规划的首要意图是为了增强运用处理器自身的互连或功用。但这些依据FPGA的处理方案还供给了另一个重要的长处：使得MCU或ASSP无需一起履行一个或多个核算密集型使命，然后节约了有限的处理器资源。
可是，在许多状况下，这些规划的功耗下降具有更重要的含义。例如，图3中的规划包含了一个硬件屏幕改写功用，其仅需耗费传统处理器内核所需功率的一小部分。相同，图4中的一些小尺度、低功耗FPGA逻辑器材独立于主机处理器履行图画处理使命，这使得主机处理器大部分时刻可处于节能睡觉形式。
下面讨论的许多运用都运用这种节能规划办法，适用于大多数有低功耗需求的可穿戴运用。
FPGA可加快规划晋级和新规划完结
可穿戴电子设备开展迅速，每一代新产品都比上一代增加了更多的功用和特性。在这些运用中，小尺度、低本钱的FPGA常常被用来扩展可穿戴式设备运用处理器的基本功用。
许多现代的微操控器都有强壮的核算才能来办理传感器和处理其发生的数据，并将它与其他数据流进行整合。但运用微操控器来完结这些作业会占用名贵的I/O资源，并要求处理器长时刻处于作业状况，然后会影响电池寿数。
而FPGA可以用来创立半自主的I/O模块，可以从多个传感器搜集数据，并在没有处理器干涉的状况下完结其他高档功用。“永久在线”的低功耗计步器选用3轴加快度计作为首要传感器，记载佩带者的步数，核算所走的间隔并测定焚烧的卡路里以及运动时刻。
在该规划中，一些FPGA逻辑单元被装备用作加快度计的I2C接口和运用处理器SP I/O总线之间的桥接。其他的FPGA功用块用于装备和办理加快度计。可编程逻辑也可以用于处理原始的加快度计数据，针对带有噪声的数据流选用统计学滤波和步数检测算法。FPGA的另一部分功用是用来缓存得到的步数和加快度信息，直到主机处理器从低功耗睡觉状况唤醒并搜集这些数据。选用可编程逻辑内核来履行这些核算密集型使命，可使运用处理器长时刻处于睡觉形式，然后有助于削减计步器的功耗。经过FPGA完结这些功用也使规划人员可以在不影响计步器的功用和精度的状况下，运用更简略、更低功耗的微操控器。
FPGA供给可扩展的处理方案
选用FPGA的另一个长处是，FPGA厂商一般会供给一系列相似的器材，每个器材有不同的可编程逻辑和I/O组合。运用FPGA作为ASIC的弥补或代替，规划工程师可以挑选他们现在所需的逻辑门数量，开发巨细适宜的处理方案。
因为同一FPGA系列的器材同享参数、特性和开发资源，各种逻辑密度和I/O装备挑选使得制造商可以采纳“晋级时再购买”的战略，为现有的规划增加新的功用，或重组现有的功用开发新的产品。因为同一系列器材同享通用的东西链和IP库，规划工程师可以迅速将晋级和后续规划从想象变为产品推向商场。
总结
可穿戴设备的规范架构、功用集和专用芯片的缺失为本来就面对严重本钱、功耗和尺度束缚的移动消费电子规划带来了许多史无前例的应战。本文介绍了FPGA可以经过一些简略的办法协助规划工程师处理上述问题，例如：为现有微操控器、传感器、显现器等之间的接口桥接，为现有的微操控器和ASSP 增加新的互连和功用，以及在某些状况下供给了一种代替ASIC或SoC的挑选。
因为其灵敏性、可扩展性和较低的处理方案本钱，FPGA为许多类型的产品从头界说了传统的规划周期，为规划工程师供给了许多逾越传统AS%&&&&&%的长处。
