Sådan anvender du hurtigt biometri, biofeedback og situationsbevidsthed til fordybende miljøer

At skabe fordybende virtual reality (VR), mixed reality (MR), augmented reality (AR) og extended reality (XR) miljøer til metaverse er en kompleks opgave. Til at skabe disse miljøer kan designere med fordel bruge biometri til at forstå brugernes reaktioner og fysiske tilstand, biofeedback til at interagere med brugeren sammen med situationsanalyse til at forstå omgivelserne. Biometri kan implementeres med et højfølsomt pulsoximeter og en pulssensor. Biofeedback kan gives via lydindhold eller ved hjælp af haptik til berøringsbaserede interaktioner. Endelig kan tredimensionelle (3D) VCSEL- (Vertical Cavity Side-Emitting Laser) Time-of-Flight (ToF)-sensorer, der kan optage med 30 billeder pr. sekund (fps), løbende kortlægge miljøet og understøtte situationsbevidstheden.

Metaverse er en mulighed i rivende udvikling. Designere kan blive presset til hurtigt at udvikle og integrere det nødvendige udvalg af strømbesparende sensorer og feedback-teknologier baseret på diskrete løsninger, samtidig med at de overholder tidsfrister og udviklingsomkostninger. Derudover er mange metaverse-enheder batteridrevne, hvilket gør strømbesparende løsninger til en nødvendighed.

Til at løse disse udfordringer kan designerne bruge integrerede løsninger, der understøtter højfølsom pulsoximeter- og pulsmåling, giver højeffektiv lyd i klasse D samt haptisk feedback og bruger en VCSEL-baseret 3D ToF-sensorløsning, der kan registrere objektpositioner og -størrelser med en høj grad af granularitet - selv under stærke omgivende lysforhold.

Denne artikel gennemgår pulsoximeter- og pulssensor-funktionen, den ser på, hvordan klasse D-forstærkere kan præstere lydfeedback af høj kvalitet ved meget lavt strømforbrug, og den præsenterer en række strømbesparende IC'er fra Analog Devices til biometri, biofeedback og situationsfornemmelse sammen med tilhørende evalueringsprintkort.

Registrering af biometriske forhold

Et fotopletysmogram (PPG) måler ændringer i blodvolumen på mikrovaskulært niveau og bruges ofte til at implementere et pulsoximeter og en pulsmåler. En PPG benytter laserteknologi til at belyse huden og måle ændringerne i lysabsorptionen (eller refleksionen) ved specifikke bølgelængder. Det resulterende PPG-signal omfatter jævnstrøms- (DC) og vekselstrøms- (AC) komponenter. Den konstante refleksionsevne i hud, muskler, knogler og veneblod resulterer i et jævnstrømssignal. Pulsen i det arterielle blod er den primære kilde til vekselstrømssignalet. Der reflekteres mere lys i den systoliske fase (pumpefasen) end i den diastoliske fase (afslapningsfasen) (figur 1).

Figur 1: PPG-signalet i pulsoximetri omfatter både DC- og AC-komponenter, der er relateret til elementer som henholdsvis vævsstruktur og arteriel blodgennemstrømning. (Billedkilde: Analog Devices)

Forholdet mellem det pulserende blod (AC-signal) og det ikke-pulserende blodflow (DC-signal) i et PPG-signal er perfusionsindekset (PI). Ved at bruge PI'er med forskellige bølgelængder kan man estimere niveauet af iltmætning i blodet (S_pO₂). Ved at designe PPG-systemet til at maksimere PI-forholdene øges nøjagtigheden af S_pO₂-estimaterne. PI-forholdene kan øges gennem forbedret mekanisk design og sensorimplementeringer med højere præcision.

Man kan bruge transmissive og reflekterende arkitekturer til PPG-systemer (figur 2). Et transmissivt system bruges på områder af kroppen, hvor lyset let kan trænge igennem, f.eks. øreflipper og fingerspidser. Disse konfigurationer kan give en stigning i PI på 40 til 60 decibel (dB). I en reflekterende PPG er fotodetektoren og LED'en placeret side om side. Reflekterende PPG'er kan bruges på håndleddet, brystet eller andre steder. Brugen af et refleksionsdesign reducerer PI-forholdene og kræver brug af en højtydende analog front-end (AFE) på sensoren. Afstanden er også afgørende for at undgå at mætte AFE'en. Ud over de mekaniske og elektriske designovervejelser kan udviklingen af software til korrekt fortolkning af PI-signalerne være en betydelig udfordring.

Figur 2: En enkelt IR-LED kan bruges i et simpelt pulsoximeter og en pulssensor, men ved at bruge flere LED'er kan man producere et udgangssignal af højere kvalitet. (Billedkilde: Analog Devices)

En yderligere udfordring ved design af PPG-systemer er behovet for at tage højde for brugerens eventuelle bevægelser, mens målingen foretages. Bevægelse kan forårsage tryk, der kan ændre bredden af arterier og vener, hvilket påvirker deres interaktion med lys, hvilket ændrer PI-signalerne. Da både PPG-signalerne og de typiske bevægelsesartefakter ligger i samme frekvensområde, er det ikke muligt blot at filtrere bevægelseseffekterne væk. I stedet kan man bruge et accelerometer til at måle bevægelsen, så den kan udlignes.

Overvågning af S_pO₂ og puls

For designere, der har brug for at implementere S_PO₂ og pulsmåling, tilbyder Analog Devices MAXREFDES220# referencedesignet, der indeholder meget af det, der kræves for hurtigt at udvikle prototype en løsning, herunder:

• MAX30101 er et integreret modul til pulsoximetri og pulsmåling. Dette modul indeholder interne lysdioder, fotodetektorer, optiske elementer, en højtydende AFE og anden støjsvag elektronik samt afvisning af omgivende lys.
• Den biometriske sensorhub MAX32664 er designet til brug sammen med MAX30101. Den indeholder algoritmer til at implementere S_PO₂ og pulsmåling, og den har I²C-interface til kommunikation med en værtsmikrocontrollerenhed (MCU). Algoritmerne understøtter også integration af et accelerometer til bevægelseskorrektion.
• ADXL362 er et tre-akset accelerometer, der bruger mindre end 2 mikroampere (µA) ved en datahastighed på 100 Hertz (Hz) og 270 nanoampere (nA) i bevægelsesudløst opvågningstilstand.

Klasse D til lydfeedback

Lydfeedback kan give mulighed for stærke interaktioner med brugerne. Eller det kan forringe kvaliteten af oplevelsen, hvis lydkvaliteten er dårlig. De mikrohøjttalere, der bruges i typiske wearable- og VR/MR/AR/XR-miljøer, kan være udfordrende at bruge effektivt og pålideligt. En måde at løse dette på er at bruge en højeffektiv, boostet klasse D smart forstærker med en integreret boost-konverter og spændingsskalering for højere effektivitet ved lav udgangseffekt. Den integrerede smarte forstærkningsfunktion kan øge lydtrykniveauet (SPL) samt basresponsen for en rigere og mere realistisk lyd.

Det er en kompleks proces at designe intelligent forstærkning, men der findes forstærkere med integrerede digitale signalprocessorer (DSP'er), som automatisk implementerer intelligent forstærkning og giver forbedret højttalerydelse, herunder strømspændingsmåling (IV) for at kontrollere udgangseffekten og forhindre højttalerskader. Med smart forstærkning kan mikrohøjttalere sikkert levere højere lydtryk og øget basrespons. Der findes integrerede løsninger, som giver et løft på 6 til 8 dB til SPL, og som udvider basresponsen ned til en fjerdedel af resonansfrekvensen (figur 3).

Figur 3: Smart forstærkning med et klasse DG-design kan sikkert og effektivt understøtte højere SPL-niveauer og udvidet basrespons i mikrohøjttalere. (Billedkilde: Analog Devices)

Klasse D-forstærker til lydfeedback

MAX98390CEWX+T er en højeffektiv klasse D-smartforstærker med en integreret boost-konverter og Analog Devices' Dynamic Speaker Management (DSM) for overlegen lyd, der kan understøtte effektiv lydfeedback i høj kvalitet. Denne forstærker har spændingsskalering for høj virkningsgrad ved lav udgangseffekt. Derudover fungerer boost-konverteren med batterispændinger ned til 2,65 volt og har et output, der kan programmeres fra 6,5 til 10 volt i intervaller på 0,125 volt. Boost-konverteren har envelope tracking til at justere udgangsspændingen for maksimal effektivitet, sammen med en bypass-tilstand til drift med lav hvilestrøm.

Denne boostede forstærker kan levere op til 6,2 watt til en 4 ohms (Ω) højttaler med kun 10 % total harmonisk forvrængning plus støj (THD+N). Den har en integreret IV-sensor, der beskytter højttaleren mod skader og understøtter højere lydtryk og lavere basrespons.

For at fremskynde udviklingen med MAX98390C tilbyder Analog Devices evalueringssættet MAX98390CEVSYS#. Sættet indeholder MAX98390C-udviklingskortet, et lydinterfacekort, en 5 volt strømforsyning, en mikrohøjttaler, et USB-kabel, DSM Sound Studio-software og MAX98390-evalueringssoftware (figur 4). DSM Sound Studio-softwaren har en grafisk brugergrænseflade (GUI), der implementerer DSM i en enkel tretrinsproces. Den indeholder også en syv minutter lang demonstration af effekten af DSM-softwaren ved hjælp af mikrohøjttaleren.

Figur 4: MAX98390CEVSYS#-sættet indeholder al nødvendig hardware og software til at udvikle klasse D-lydfeedback-systemer. (Billedkilde: Analog Devices)

Haptik til taktil feedback

Designere af systemer, der er afhængige af taktil feedback for at engagere brugerne, kan bruge den højeffektive MAX77501EWV+ controller-driver til piezoelektriske aktuatorer. Den er optimeret til at drive op til 2 mikrofarad (µF) piezoelementer og genererer en single-ended haptisk bølgeform på op til 110 volt peak to peak (Vpk-pk) fra en forsyningsspænding på 2,8 til 5,5 volt. Den kan fungere i hukommelsesafspilningstilstand med forudindspillede kurver eller bruge realtidskurver, der streames fra en MCU. Flere bølgeformer kan dynamisk allokeres til den indbyggede hukommelse, som kan fungere som en FIFO-buffer (first-in, first-out) til streaming i realtid. Fuld systemadgang og -kontrol, herunder fejlrapportering og overvågning, understøttes af det integrerede serielle perifere interface (SPI). Det tillader også afspilning efter en opstartstid på 600 mikrosekunder (µs) fra nedlukning. For at sikre høj effektivitet og maksimal batterilevetid har denne controller-driver en ultra-low-power boost-arkitektur med en standby-strøm på 75 μA og en shutdown-strøm på 1 μA.

For at udforske MAX77501-piezodriverens muligheder kan designere bruge MAX77501EVKIT#-evalueringssættet, som er fuldt samlet og testet. Sættet giver mulighed for nem evaluering af MAX77501 og dens evne til at drive et stort haptisk signal gennem en keramisk piezoaktuator. Sættet indeholder Windows-baseret GUI-software til udforskning af alle funktionerne i MAX77501.

ToF til situationsbevidsthed

Situationsbevidsthed kan være et vigtigt aspekt i VR/MR/AR/XR-miljøer. Evalueringsplatformen AD-96TOF1-EBZ understøtter dette aspekt ved at inkludere et VCSEL-lasersenderkort og et AFE-modtagerkort til udvikling af ToF-dybdeperceptionsfunktioner (figur 5). Ved at parre denne evalueringsplatform med et processorkort fra 96Boards-økosystemet eller Raspberry Pi-familien får designerne et baseline-design, der kan bruges til at udvikle software og algoritmer til applikationsspecifikke ToF-implementeringer med høje niveauer af 3D-granularitet. Systemet kan detektere og række objekter under stærke omgivende lysforhold og har flere afstandsdetekteringstilstande for optimeret ydeevne. Det medfølgende softwareudviklingskit (SDK) indeholder OpenCV, Python, MATLAB, Open3D og RoS wrappers for at øge fleksibiliteten.

Figur 5: Højtydende ToF-situationsbevidsthedssystemer kan udvikles ved hjælp af AD-96TOF1-EBZ eval-platformen. (Billedkilde: Analog Devices)

Konklusion

At skabe fordybende og interaktive miljøer til metaverse er en kompleks og tidskrævende opgave. For at fremskynde processen kan designere henvende sig til et komplet udvalg af kompakte og energieffektive løsninger fra Analog Devices, herunder udviklings- og evalueringsplatforme til biometrisk sensing, biofeedback og situationsbevidsthedssystemer.

Anbefalet læsning

1. Sådan bruger du digitale temperatursensorer med høj nøjagtighed i wearables til sundhedsovervågning
2. Brug et biosensormodul til at udvikle wearables til sundhed og fitness
3. Sådan optimerer du SWaP i højtydende RF-signalkæder