Hur man snabbt tillämpar biometri, biofeedback och situationsmedvetenhet för fängslande miljöer

Att skapa fängslande miljöer i metaversum för virtuell verklighet (VR), blandad verklighet (MR), förstärkt verklighet (AR) och utökad verklighet (XR) är en komplicerad uppgift. För att skapa dessa miljöer kan konstruktörer dra nytta av biometri för att förstå användarnas reaktioner och fysiska tillstånd, biofeedback för att interagera med användaren och situationsanalys för att förstå omgivningen. Biometri kan tillämpas med en pulsoximeter med hög känslighet och en pulsmätare. Biofeedback kan tillhandahållas via ljudinnehåll eller med hjälp av haptik för interaktioner baserade på beröring. Slutligen kan ToF-givare med tredimensionella VCSEL (vertical cavity side-emitting laser) , som har möjlighet att spela in 30 bilder per sekund, kontinuerligt kartlägga miljön och stödja situationsanpassad medvetenhet.

Metaversumet är en möjlighet som utvecklas snabbt. Konstruktörer kan tvingas att snabbt utveckla och integrera en rad strömsnåla sensor- och feedbackteknologier baserade på diskreta lösningar, samtidigt som de måste möta marknaden och begränsa utvecklingskostnader. Dessutom är många metaversum-enheter batteridrivna vilket gör att lösningar med låg strömförbrukning är en nödvändighet.

För att hantera dessa utmaningar kan konstruktörer använda integrerade lösningar som stödjer pulsoximetrar och pulsmätare med hög känsligehet, ger högeffektivt klass D-ljud, haptisk återkoppling samt nyttja en lösning för ToF-avkänning med tredimensionell VCSEL som kan upptäcka position och storlek för föremål med en hög nivå av noggrannhet - även i starka ljusförhållanden.

Artikeln beskriver hur pulsoximetrar och pulsmätare fungerar, hur klass D-förstärkare kan tillhandahålla högkvalitativ ljudåterkoppling med mycket låg strömförbrukning och så presenteras en rad strömsnåla kretsar från Analog Devices för biometri, biofeedback och situationsanpassad medvetenhet tillsammans med tillhörande utvärderingskort.

Avkänning av biometriska förhållanden

En fotopletysmograf (PPG) mäter förändringar i blodvolymen på mikrovaskulär nivå och används ofta för att implementera en pulsoximeter och pulsmätare. Fotopletysmografen använder laser för att belysa huden och mäta förändringar av ljusabsorption (eller reflektion) vid specifika våglängder. Resultatet från fotopletysmografen innehåller lik- och växelströmssignaler. Den konstanta reflektionsförmågan hos hud, muskler, ben och venöst blod resulterar i likströmssignalen. Hjärtfrekvensens pulserande av arteriellt blod är den primära källan till växelströmssignalen. Mer ljus reflekteras i den systoliska (pumpande) fasen än i den diastoliska (avslappnande) fasen (figur 1).

Figur 1: Fotopletysmografi vid pulsoximetri innehåller både likströms- och växelströmssignaler som är relaterade till exempelvis vävnadsstruktur respektive arteriellt blodflöde. (Bildkälla: Analog Devices)

Förhållandet mellan det pulserande (växelströmssignalen) blodet och det icke-pulserande (likströmssignalen) blodflödet i en fotopletysmografisignal är perfusionsindex (PI). Genom att använda perfusionsindex vid olika våglängder är det möjligt att uppskatta nivån av syremättnad i blodet (S_pO₂). Utformningen av fotopletysmografisystemet för att maximera kvoterna av perfusionsindex ökar noggrannheten i beräkningarna för S_pO₂. Förhållandet för perfusionsindex kan ökas genom förbättrad mekanisk konstruktion och implementering av sensorer med högre precision.

Genomlysande och reflekterande arkitekturer kan användas för system med fotopletysmografi (figur 2). Ett genomlysande system används på delar av kroppen där ljus lätt kan passera igenom, t.ex. örsnibbar och fingertoppar. Konfigurationerna kan ge en ökning av perfusionsindex med 40 till 60 dB. I en reflekterande fotopletysmograf är fotodetektorn och lysdioden placerade sida vid sida. Reflekterande fotopletysmografer kan användas på handleden, bröstet eller andra områden. Genom att använda konstruktionen för reflektion minskar förhållandet av perfusionsindex och kräver användning av en analog front-end (AFE) med högre prestanda på sensorn. Avståndet är också viktigt för att undvika att mätta AFE:n. Förutom de mekaniska och elektriska konstruktionskraven kan det vara en stor utmaning att utveckla programvara som tolkar värdet från perfusionsindex på rätt sätt.

Figur 2: En enda IR-lysdiod kan användas i en enkel pulsoximeter och pulsmätare, men med flera lysdioder kan man få ut en signal med högre kvalitet. (Bildkälla: Analog Devices)

Ytterligare utmaningar vid utformning av fotopletysmografisystem är behovet av att ta hänsyn till eventuella rörelser hos användaren medan mätningen utförs. Rörelserna kan orsaka tryck som kan ändra artärernas och venernas bredd och påverka deras interaktion med ljus, vilket ändrar värdena för perfusionindex. Eftersom både fotopletysmografisignalerna och typiska rörelseartefakter ligger i liknande frekvensområden är det inte möjligt att bara filtrera bort effekterna av rörelsen. Istället kan en accelerometer som mäter rörelsen användas för att kunna kvitta ut den.

Övervakning av S_pO₂ och hjärtfrekvens

För konstruktörer som behöver införa övervakning av S_PO₂och hjärtfrekvens finns referenskonstruktionen MAXREFDES220# från Analog Devices som innehåller mycket av det som krävs för att snabbt skapa en prototyp av en lösning, inklusive

• MAX30101, en integrerad modul för övervakning av pulsoximetri och hjärtfrekvens. Modulen innehåller interna lysdioder, fotodetektorer, optiska element, en AFE med hög effektivitet samt annan elektronik med lågt brus plus reducering av omgivande ljus.
• MAX32664, en biometrisk hubb för sensorer, utformad för användning tillsammans med MAX30101. Den innehåller algoritmer för övervakning av S_PO₂ och hjärtfrekvens, och den har ett gränssnitt med I²C för kommunikation med en mikrocontroller (MCU) som värd. Algoritmerna stödjer också integrering av en accelerometer för rörelsekorrigering.
• Accelerometern ADXL362 som har tre axlar och förbrukar mindre än 2 µA vid en utdatahastighet på 100 Hz och 270 nA i rörelseaktiverat väckningsläge.

Klass D för ljudåterkoppling

Ljudåterkoppling kan ge möjlighet till kraftfulla interaktioner med användarna. Eller så kan det försämra kvaliteten på upplevelsen om ljudkvaliteten är dålig. De mikrohögtalare som används i vanliga bärbara- och VR/MR/AR/XR-miljöer kan vara svåra att använda på ett ändamålsenligt och effektivt sätt. Ett sätt att hantera detta är att använda en högeffektiv förstärkt, smart, klass D-förstärkare och med en integrerad boost-omvandlare och spänningsskalning för högre effektivitet vid låg utgångseffekt. Den integrerade smarta förstärkningsfunktionen kan öka ljudtrycksnivån (SPL) och basåtergivningen för ett fylligare och mer realistiskt ljud.

Att utforma smart förstärkning är en komplicerad process, men det finns förstärkare med integrerade digitala signalprocessorer (DSP) som automatiskt implementerar smart förstärkning och ger förbättrad högtalarprestanda, inklusive ström-spänningsavkänning (IV) för att kontrollera utgångseffekten och förhindra högtalarskador. Med smart förstärkning kan mikrohögtalare på ett säkert sätt ge högre SPL och bättre basåtergivning. Det finns integrerade lösningar som ger en ökning av nivåer av SPL med 6 till 8 dB och som utökar basåtergivningen ner till en fjärdedel av resonansfrekvensen (figur 3).

Figur 3: Smart förstärkning med konstruktionsklass DG kan på ett säkert och effektivt sätt stödja högre nivåer av SPL och utökad basåtergivning i mikrohögtalare. (Bildkälla: Analog Devices)

Klass D förstärkare för ljudåterkoppling

MAX98390CEWX+T är en högeffektiv smart klass D-förstärkare med en integrerad boost-omvandlare samt Analog Devices Dynamic Speaker Management (DSM) för överlägset ljud som kan stödja högkvalitativ och effektiv ljudåterkoppling. Förstärkaren har spänningsskalning för hög verkningsgrad vid låg utgångseffekt. Dessutom fungerar boost-omvandlaren med batterispänningar ner till 2,65 V och har en utgång som är programmerbar från 6,5 till 10 V i steg om 0,125 V. Boost-omvandlaren har ET (envelope tracking) för att justera utspänningen för maximal effektivitet tillsammans med ett bypass-läge för drift med låg viloström.

Förstärkaren kan leverera upp till 6,2 W i en högtalare på 4 Ω med endast 10 % THD +N (total harmonisk distorsion plus brus). Den har en integrerad IV-sensor för att skydda högtalaren mot skador och stödjer högre SPL och lägre basåtergivning.

Analog Devices erbjuder utvärderingssatsen MAX98390CEVSYS# för att påskynda utvecklingen av MAX98390C. Satsen innehåller utvecklingskortet MAX98390C, ett gränssnittskort för ljud, en strömförsörjning på 5 V, en mikrohögtalare, en USB-kabel, programvaran DSM Sound Studio samt programvaran MAX98390 för utvärdering (figur 4). Programvaran DSM Sound Studio har ett grafiskt användargränssnitt (GUI) som implementerar DSM i en enkel process om tre steg. Den innehåller också en sju minuter lång demonstration av effekterna när DSM-programvaran använder mikrohögtalaren.

Bild 4: Satsen MAX98390CEVSYS#- innehåller all hård- och mjukvara som behövs för att utveckla system för ljudåterkoppling i enlighet med klass D. (Bildkälla: Analog Devices)

Haptik för taktil återkoppling

Systemkonstruktörer som är beroende av taktil återkoppling för att engagera användare kan använda sig av högeffektiva styrkretsar för piezoelektriska ställdon i MAX77501EWV+ . Den är optimerad för drivning av piezoelement på upp till 2 µF och genererar en enkelriktad haptisk vågform på upp till 110 V topp-till-topp (Vpk-pk) med en matningsspänning från 2,8 till 5,5 V. Den kan arbeta i minnesuppspelningsläge med förinspelade vågformer eller använda vågformer som strömmas från en microcontroller i realtid. Flera vågformer kan allokeras dynamiskt till det inbyggda minnet, vilken kan fungera som en FIFO-buffert (first-in, first-out) för strömning i realtid. Full systemåtkomst och styrning, inklusive felrapportering och övervakning, stöds med det integrerade seriella gränssnittet för kringutrustning (SPI). Den tillåter också uppspelning efter en starttid på 600 µs från nedstängning. För att säkerställa hög effektivitet och maximal batteritid har styrkretsen en boost-arkitektur med ultralåg effekt, en standby-ström på 75 μA och en avstängningsström på 1 μA.

För att utforska kapaciteten hos piezo-styrkretsen MAX77501 kan konstruktörer använda utvärderingssatsen MAX77501EVKIT# som är monterad och testad fullt ut. Satsen gör det enkelt att utvärdera MAX77501 och dess förmåga att driva en stor haptisk signal genom ett keramiskt piezo-ställdon. Satsen innehåller Windowsbaserad programvara för grafiskt användargränssnitt för att utforska alla funktioner i MAX77501.

ToF för situationsmedvetenhet

Situationsmedvetenhet kan vara en viktig aspekt i VR/MR/AR/XR-miljöer. Utvärderingsplattformen AD-96TOF1-EBZ stödjer denna aspekt genom att inkludera ett sändarkort med VCSEL och ett mottagarkort med AFE för utveckling av funktioner för djupseende med ToF (figur 5). Genom att para ihop denna utvärderingsplattform med ett processorkort från ekosystemet 96Boards eller familjen Raspberry Pi får konstruktörerna en grundkonstruktion som kan användas för att utveckla programvara och algoritmer för tillämpningsspecifika ToF-implementeringar med höga nivåer av tredimensionell noggrannhet. Systemet kan upptäcka och avgränsa objekt under starka omgivande ljusförhållanden och har flera lägen för avståndsdetektering med optimerad prestanda. Medföljande SDK (Software Development Kit) innehåller OpenCV-, Python-, MATLAB-, Open3D- och RoS-wrapper för ökad flexibilitet.

Figur 5: Högeffektivt ToF-system för situationsmedvetenhet kan utvecklas med hjälp av utvärderingsplattformen AD-96TOF1-EBZ. (Bildkälla: Analog Devices)

Sammanfattning

Att skapa fängslande och interaktiva miljöer för metaversum är en komplicerad och tidskrävande uppgift. För att påskynda processen kan konstruktörer använda sig av ett komplett utbud av kompakta och energieffektiva lösningar från Analog Devices, inklusive utvecklings- och utvärderingsplattformar för biometrisk avkänning, biofeedback och system för situationsmedvetenhet.

Rekommenderad läsning

1. Hur man använder digitala temperaturgivare med hög noggrannhet i bärbara enheter vid övervakning av hälsan
2. Använd en biosensormodul för att utveckla bärbara enheter för hälsa och fitness
3. Hur man optimerar SWaP i RF-signalkedjor med hög effektivitet