服装用模块化计算机系统设计

摘  要： 针对计算机与服装一体化集成设计中系统结构和功能融合方面的问题，研究服装用模块化计算机系统的设计与实现。将服装用穿戴计算机系统的问题归纳为可靠性、集成性、人机交互性能等三个方面，为实现该系统，提出了模块化的计算机结构和三层的服装结构，通过高密度布线实现计算机模块的微小型化，基于织物编织技术的织物线缆设计实现了模块间的柔性互联。
关键词： 穿戴计算机；智能服装；模块化
   　随着信息技术的快速发展，各种便携电子设备和微型计算机系统已不断融入大众日常生活中，发挥着医疗监护[1-2]、设备维修[3]、现场检测[4]等作用，提高了人们处理信息的能力和效率。为描述这种基于信息技术的新型人机协同的个人移动计算系统，Mann提出可穿戴计算机系统(WearComp)概念。在CHI’97的可穿戴计算机大会上将其特征归纳为可在运动状态下使用、非双手操作、与衣物集成、操作者可控制和持续可用等五大特征。针对上述要求，不同的研究者从系统结构、功能应用、组件开发等不同方面进行了大量的实践[5-8]，不断丰富着可穿戴计算机的研究内容。
1 可穿戴计算机关键问题
　可穿戴计算机的五大特征从实际应用角度对系统进行了限定，从系统设计与实现的角度其关键问题有：(1)高可靠性。特别是对复杂的自然环境和激烈人体运动的适应能力；(2)高度集成。以服装为载体实现电子设备的隐蔽与保护，实现两者之间的高度融合；(3)多样的人机交互。穿戴计算机应是智能辅助系统，需提供人性化、自然的交互方式，充分利用人的各种感知器官实现信息的多途径传递。
服装用模块化计算机系统针对上述三个主要问题，按照穿戴式计算机的理念，结合电子设备与服装各自的特点，在系统层面统筹考虑计算机与服装的结构和功能，将功能和应用进行分解和模块化处理，再经过一体化集成重构，实现一种高效的人机协同系统。
2 系统结构设计
　服装计算机系统结构设计如图1所示。将计算机按功能应用进行模块化、微小型化设计，同时与服装进行联合设计，实现模块的无缝嵌入；为提供友好的人机界面，系统设计有语音、触屏、按键等三种控制方式和视频、音频两种信息输出方式。按方便就近、自然携行的原则，将硬质模块分布于服装的不同位置，便于信息的交互，减少对人体的干扰；通过扁平织物线缆连接各个模块，在实现信息、能量传输的同时对服装进行加固。通过一体化集成设计，提高系统的可靠和集成性能。
   
   2.1 计算机结构设计
　为满足使用过程中所需运算功能、人机交互功能、信息采集和数据输出的性能，将计算机系统具有的功能按表1进行拆解，实现模块化，同时结合多层高密度电路板设计，以有效减小单个模块的体积和重量。
高低速电路模块组成系统的核心运算单元，采用AMD公司低功耗LX800中央处理器及CS5536协处理器，配置有512 MB内存实现高速的数字计算和强大的外部设备的管理能力；接口电路模块通过USBHUB芯片，设计有USB、串口、网口、音频口等多个标准的计算机接口的扩展，用于连接触屏控制器、GPS、蓝牙无线模块、耳机麦克风等功能电路模块，实现系统应用扩展。高低速及接口电路模块间通过柔性电路板进行连接，使模块间有一定的柔性，便于穿戴。
　计算机系统实现效果如图2所示，计算机接插件均采用高密度紧凑接插件，以减少接插距离和体积。通过模块化高密度设计将单个模块的体积控制在60 mm×60 mm×9 mm以内，以提高模块穿戴的舒适性，便于模块在服装中的集成。模块间采用柔性电路连接，使系统能很好地适应使用者的身体，增强系统穿戴性能。