未來時尚 AI 即將來臨 - Lattice 可穿戴設備應用介紹

 若提到穿戴式裝置,興許大家應該都不陌生吧? 當開車或搭乘大眾運輸,甚至是運動,應該有不少人都習慣戴著無線耳機講電話或聽著音樂,而戴在手上的錶,不僅可以看時間,還有訊息、行事曆提醒、心肺量測、血氧量測等等功能。其實,這些穿戴式裝置早已漸漸地融入了我們的生活中,穿戴式裝置已成為現代人不可或缺的貼身助理,根據 IDC 國際數據資訊最新數據顯示,全球穿戴式裝置出貨量於 2021 年第一季首次突破一億台,因此展現市場強勁並熱烈的需求。

 

圖1. AI科技發展未來藍圖
1. AI 科技發展未來藍圖

然而,在設計穿戴式電子設備,設計工程師需要在沒有特定應用晶片組和標準化架構的情況下開發設計出智慧、緊湊且多功能的產品。由於特定應用晶片和標準化架構的缺失,設計工程師需要在穿戴式產品中使用為行動和手持應用設計的器件和互連技術。 

在這段蓬勃發展的時期裡,產品依託的半導體元件的發展將跟不上產品本身反覆運算更新的速度。由於IC的開發時間通常都需要很長,約半年至以上,如果製造商們堅持為穿戴式市場開發 ASIC,很可能導致產品上市時功能並不盡如人意或已然過時的情況。 

又如何在兩個不相關的器件間實現數位和類比功能間的橋接,在設計上是一個不小的挑戰,而這對於空間和功耗都有嚴格限制的穿戴式產品來說,更是難上加難。同時,發展迅速的市場又要求設計工程師產品開發的腳步要緊跟著消費者不斷變化的需求,要即時地將現有產品的功能升級或儘快地推出全新的產品。

 

使用可程式設計邏輯產品 ( FPGA ) 設計優勢,大致分成三個領域:

第一個領域為擴展:使用額外的邏輯和自訂功能擴展現有特殊應用積體電路 ( ASIC ) 和特定應用標準產品 ( ASSP ) 的功能和使用壽命。

第二個領域是升級:使用可程式設計邏輯產品實現新協定和標準及通過橋接實現互不相容元件間的互連,從而將穿戴式產品的設計升級。

第三個領域則是創新:無需為 ASIC 開發投入大量時間和費用,使用可程式設計邏輯產品提供的靈活平台來實現高級功能或全新的特性。

 

 

圖2. 穿戴式設備
2. 穿戴式設備

 

雖然在穿戴式應用中,這類應用專用器件可獲得諸多優勢,但在設計過程中,工程式可能會面臨到諸多挑戰。首先,第一個挑戰是穿戴式產品市場的變化非常快,最初產品中的嵌入式計算器件,可能不具備可支援下一代產品所需新功能的介面和 I/O 功能。然而,為跟上市場變化的步伐,設計工程師必須要為產品設計增加擴展電路或尋找功能更強的 MCU 或 ASSP。

再來,第二項挑戰,也就是穿戴式應用中常用的各種感測器、顯示幕和其他 I/O 元件相關介面。在某些情況下,感測器或顯示幕的介面與系統的資料並不匹配,或與系統應用處理器所使用的格式不相容,這將會導致數位化斷裂的情況發生。

 

 

圖3. Lattice iCE40 Ultra Wearables Infographic
3. Lattice iCE40 Ultra Wearables Infographic


開發平台

方便攜帶並易於使用的開發平臺:iCE40 Ultra 可穿戴應用開發平臺採用 iCE40 Ultra FPGA 和 MachXO2 器件及各種感測器,以及尺寸為緊湊的手錶大小的 1.54 英寸 LCD 顯示幕,助力設計工程師實現和開發適用于可穿戴應用的“永遠線上”功能。該開發平臺可通過內置電池或簡便的 USB mini 電纜供電。

概念驗證演示:多個演示可供下載以加速您的開發進程。

增強的互連特性:內置藍牙模組,可方便地進行互連。

  • iCE40 Ultra 可穿戴應用開發平臺—— 模組化硬體開發板,支援可穿戴應用中常用的幾種功能(包括低功耗藍牙模組、心率/血氧飽和度(SpO2)、溫度偵測、壓力計和加速計/陀螺儀、RGB LED、大電流白光 LED 和大電流紅外 LED、立體聲 MEMs PDM 麥克風等。)iCE40 超可穿戴開發平臺由兩塊板組成:主機板和感測器板。主機板包含 iCE40 Ultra 和 MachXO2 FPGA,用於驅動板上的各種元件。 iCE40 Ultra 專注於與 LED、感測器和 BLE 連接等週邊元件的介面。 MachXO2 專注於從用作幀緩衝器和存放裝置的 Quad SPI 快閃記憶體驅動 MIPI DSI 顯示器。感測器板包含多個感測器,這些感測器通常用於移動和可穿戴設備中。通過將兩者分開板,互連接頭可用於直接與週邊設備連接以進行測試。

 

應用案例分享

傳感器拼接和 I/O 擴充

圖4. Sensor Fusion and I/O Expansion


圖4. Sensor Fusion and I/O Expansion

  • 低延遲、小尺寸
  • 連接各類感測器,打造豐富的用戶體驗
  • 靈活的預處理功能,包括仲裁、時間戳記和濾波
  • 可程式設計的感測器融合演算法

 

顯示屏橋接

圖5.  Lattice Display Bridging
圖5.  Lattice Display Bridging

  • 當處理器不支援顯示幕介面時,可以做橋接顯示幕和處理器
  • 使用 FPGA 內部存儲資源進行壓縮和緩衝
  • 拓展處理器和顯示幕介面數量



低延遲傳感器橋接

圖6. Lattice Low Latency Sensor Bridging
圖6. Lattice 
Low Latency Sensor Bridging

  • 利用 FPGA 的並行架構同時收集來自多個感測器的資料
  • 連接各類感測器,打造豐富的用戶體驗
  • 靈活的預處理功能,包括仲裁、時間戳記和濾波

 

低功耗 AI 處理

圖7. Lattice Low Power AI Processing
圖7. Lattice 
Low Power AI Processing

  • 低功耗設備端基於神經網絡的處理
  • 減少雲端的資料流程量,提升安全性,保護隱私,減少頻寬使用
  • 目標檢測、分類、計數和包括手勢和語音指令的人機交互

 

 

參考資料與圖片來源:

  1. 圖1. AI科技發展未來藍圖

https://ictjournal.itri.org.tw/Content/Messagess/contents.aspx?&MmmID=654304432122064271&MSID=1072341652776363373

  1. Lattice IoTs and Wearables

Low Power, Small Size FPGAs Enable High Performance Devices with Distributed Processing and Flexible I/O Support

https://www.latticesemi.com/en/Solutions/Solutions/SolutionsDetails02/IoT

  1. Lattice iCE40 Ultra Product Brochure

https://www.latticesemi.com/view_document?document_id=50716

  1. Lattice iCE40 UltraLite Product Brochure

https://www.latticesemi.com/view_document?document_id=50948

  1. Lattice Interface - Wearables

https://www.latticesemi.com/en/Solutions/Solutions/SolutionsDetails01/InterfaceWearables

  1. EDN Taiwan 電子技術設計 克服設計穿戴式產品時面臨的挑戰

https://archive.edntaiwan.com/www.edntaiwan.com/ART_8800523427_3000003_TA_ceeb57b5.HTM

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