Jak rychle aplikovat biometrii, biologickou zpětnou vazbu a situační povědomí pro pohlcující prostředí

Vytváření prostředí pohlcující virtuální reality („virtual reality“, VR), smíšené reality („mixed reality“, MR), rozšířené reality („augmented reality“, AR) a prodloužené reality („extended reality“, XR) pro metaverse je složitý úkol. Při vytváření těchto prostředí mohou konstruktéři těžit z používání biometrie k pochopení reakcí a fyzického stavu uživatelů, z biofeedbacku k zapojení uživatele a ze situační analýzy k pochopení okolí. Biometrii lze implementovat pomocí vysoce citlivého pulzního oxymetru a snímače srdečního tepu. Biofeedback lze poskytovat prostřednictvím zvukového obsahu nebo pomocí haptiky pro dotykové interakce. A konečně, trojrozměrné (3D) snímače s laserovou diodou emitující světlo z boku („vertical cavity side-emitting laser“, VCSEL) založené na době průchodu („time-of-flight“, ToF), schopné zaznamenávat rychlostí 30 snímků za sekundu, mohou neustále mapovat prostředí a podporovat situační povědomí.

Metaverse představuje rychle se vyvíjející příležitost. Konstruktéři mohou být nuceni rychle vyvinout a integrovat potřebnou řadu snímacích a zpětnovazebních technologií s nízkou spotřebou energie založených na diskrétních řešeních, a přitom stále dodržovat omezení doby do uvedení na trh a omezení nákladů na vývoj. Kromě toho je mnoho zařízení metaverse napájeno bateriemi, takže řešení s nízkou spotřebou energie jsou nutností.

K řešení těchto výzev mohou konstruktéři využít integrovaná řešení, která podporují vysoce citlivý pulzní oxymetr a snímání srdečního tepu, poskytují vysoce účinnou zvukovou a hmatovou zpětnou vazbu třídy D a využívají řešení snímání 3D ToF založené na diodě VCSEL, které dokáže detekovat polohu a velikost objektů s vysokou úrovní granularity – dokonce i za silného okolního osvětlení.

V tomto článku je shrnuto fungování pulzního oxymetru a snímačů srdečního tepu, zkoumáno, jak mohou zesilovače třídy D poskytovat vysoce kvalitní zvukovou zpětnou vazbu s velmi nízkou spotřebou, a je zde představena řada energeticky úsporných integrovaných obvodů od společnosti Analog Devices pro biometrii, biofeedback a situační povědomí spolu s příslušnými vyhodnocovacími deskami.

Snímání biometrických podmínek

Fotopletysmogram („photoplethysmogram“, PPG) měří změny v objemu krve na mikrovaskulární úrovni a často se používá k implementaci pulzního oxymetru a monitoru srdečního tepu. PPG používá lasery k osvětlení kůže a měření změn v absorpci (nebo odrazu) světla na konkrétních vlnových délkách. Výsledný signál PPG zahrnuje složky stejnosměrného („direct current“, DC) a střídavého („alternating current“, AC) proudu. Konstantní odrazivost kůže, svalů, kostí a žilní krve má za následek DC signál. Pulzace srdečního tepu arteriální krve je primárním zdrojem AC signálu. V systolické (pumpovací) fázi se odráží více světla než v diastolické (relaxační) fázi (obrázek 1).

Obrázek 1: Signál PPG v pulzní oxymetrii zahrnuje jak stejnosměrnou, tak střídavou složku související s prvky, jako je struktura tkáně a arteriální průtok krve. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Poměr pulzující (AC signál) krve k nepulzujícímu (DC signál) průtoku krve v signálu PPG je perfuzní index („perfusion index“, PI). Použitím PI na různých vlnových délkách je možné odhadnout úroveň saturace krve kyslíkem (S_pO₂). Návrh systému PPG pro maximalizaci poměrů PI zvyšuje přesnost odhadů S_pO₂. Poměry PI lze zvýšit pomocí vylepšené mechanické konstrukce a implementací snímačů s vyšší přesností.

Pro systémy PPG lze použít transmisivní a reflexní architekturu (obrázek 2). Transmisivní systém se používá na místech těla, kde světlo snadno prochází, jako jsou ušní lalůčky a konečky prstů. Tyto konfigurace mohou dosáhnout zvýšení PI o 40 až 60 decibelů (dB). V reflexním PPG jsou fotodetektor a LED dioda umístěny vedle sebe. Reflexní PPG lze použít na zápěstí, hrudníku nebo na jiných místech. Použití reflexní konstrukce snižuje poměry PI a vyžaduje použití výkonnějšího analogového front-endu („analog front-end“, AFE) na snímači. Rozteč je také kriticky důležitá, aby nedošlo k nasycení AFE. Kromě mechanických a elektrických aspektů návrhu může být značnou výzvou vývoj softwaru pro správnou interpretaci signálů PI.

Obrázek 2: V jednoduchém pulzním oxymetru a snímači srdečního tepu lze použít jednu IR LED diodu, ale použití více LED diod může vést ke kvalitnějšímu výstupnímu signálu. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Další výzvou při navrhování systémů PPG je nutnost vzít v úvahu jakýkoli pohyb uživatele během měření. Pohyb může způsobit tlaky, které mohou změnit šířku tepen a žil, a ovlivnit tak jejich interakci se světlem, což změní signály PI. Vzhledem k tomu, že signály PPG i typické pohybové artefakty jsou v podobných frekvenčních rozsazích, není možné jednoduše odfiltrovat účinky pohybu. Místo toho lze k měření pohybu použít akcelerometr, který umožní jeho potlačení.

Monitorování S_pO₂ a srdečního tepu

Pro konstruktéry, kteří potřebují implementovat monitorování S_PO₂ a srdečního tepu, nabízí společnost Analog Devices referenční návrh MAXREFDES220#, který poskytuje mnoho z toho, co je potřeba k rychlému prototypování řešení, včetně následujících zařízení:

• Integrovaný modul pulzní oxymetrie a monitoru srdečního tepu MAX30101. Tento modul obsahuje interní LED diody, fotodetektory, optické prvky, vysoce výkonný AFE a další elektroniku s nízkým šumem plus potlačení okolního světla.
• Biometrický snímačový hub MAX32664 navržený pro použití se zařízením MAX30101. Obsahuje algoritmy pro implementaci S_PO₂ a monitorování srdečního tepu a má rozhraní I²C pro komunikaci s hostitelským mikrokontrolérem („microcontroller unit“, MCU). Algoritmy podporují také integraci akcelerometru pro korekci pohybu.
• Tříosý akcelerometr ADXL362, který spotřebuje méně než 2 µA při výstupní datové rychlosti 100 Hz a 270 nA v režimu probuzení spuštěného pohybem.

Třída D pro zvukovou zpětnou vazbu

Zvuková zpětná vazba může poskytnout příležitost pro účinnou interakci s uživateli. Nebo může snížit kvalitu zážitku, pokud je kvalita zvuku špatná. Efektivní a účinné používání mikroreproduktorů používaných v typické nositelné elektronice a prostředích VR/MR/AR/XR může být problematické. Jedním ze způsobů, jak to vyřešit, je použití vysoce účinného, zesíleného inteligentního zesilovače třídy D s integrovaným zesilovacím převodníkem a napěťovým škálováním pro vyšší účinnost při nízkém výstupním výkonu. Integrovaná funkce chytrého zesílení může zvýšit hladinu akustického tlaku („sound pressure level“, SPL) i odezvu basů pro bohatší a realističtější zvuk.

Navrhování chytrého zesílení je složitý proces, ale jsou k dispozici zesilovače s integrovanými digitálními signálovými procesory („digital signal processor“, DSP), které automaticky implementují chytré zesílení a zajišťují lepší výkon reproduktorů, včetně snímání proudu a napětí (IV) pro řízení výstupního výkonu a zabránění poškození reproduktorů. Díky inteligentnímu zesílení mohou mikroreproduktory bezpečně poskytovat vyšší SPL a zvýšenou basovou odezvu. K dispozici jsou integrovaná řešení, která poskytují zesílení SPL o 6 až 8 dB a rozšiřují basovou odezvu až na jednu čtvrtinu rezonanční frekvence (obrázek 3).

Obrázek 3: Inteligentní zesílení s návrhem třídy DG může v mikroreproduktorech bezpečně a efektivně podporovat vyšší úrovně SPL a rozšířenou basovou odezvu. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Zesilovač třídy D pro zvukovou zpětnou vazbu

Zařízení MAX98390CEWX+T je vysoce účinný inteligentní zesilovač třídy D s integrovaným zesilovacím převodníkem a dynamickou správou reproduktorů („Dynamic Speaker Management“, DSM) od společnosti Analog Devices pro vynikající zvuk, který může podporovat vysoce kvalitní a efektivní zvukovou zpětnou vazbu. Tento zesilovač obsahuje škálování napětí pro vysokou účinnost při nízkém výstupním výkonu. Zesilovací převodník navíc pracuje s napětím baterie až do 2,65 voltu a má výstup, který je programovatelný od 6,5 do 10 voltů v krocích po 0,125 voltu. Zesilovací převodník obsahuje technologii envelope tracking k nastavení výstupního napětí pro maximální účinnost, spolu s režimem obcházení pro provoz s nízkým klidovým proudem.

Tento zesílený zesilovač dokáže dodat až 6,2 wattu do 4Ω reproduktoru s pouze 10% celkovým harmonickým zkreslením plus šumem (THD+N). Obsahuje integrované snímání IV k ochraně reproduktoru před poškozením a podporuje vyšší SPL a nižší basovou odezvu.

K urychlení vývoje se zařízením MAX98390C nabízí společnost Analog Devices vyhodnocovací sadu MAX98390CEVSYS#. Sada obsahuje vývojovou desku MAX98390C, desku audiorozhraní, 5V napájecí zdroj, mikroreproduktor, USB kabel, software DSM Sound Studio a vyhodnocovací software MAX98390 (obrázek 4). Software DSM Sound Studio má grafické uživatelské rozhraní („graphical user interface“, GUI), které implementuje DSM v jednoduchém třífázovém procesu. Zahrnuje také sedmiminutovou ukázku dopadu softwaru DSM s využitím mikroreproduktoru.

Obrázek 4: Sada MAX98390CEVSYS# obsahuje veškerý hardware a software potřebný k vývoji systémů zvukové zpětné vazby třídy D. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Haptika pro hmatovou zpětnou vazbu

Konstruktéři systémů, které při zapojení uživatelů spoléhají na hmatovou zpětnou vazbu, mohou využít vysoce účinnou řídicí jednotku-řadič MAX77501EWV+ pro piezoelektrické aktuátory. Jednotka je optimalizována pro napájení až 2 µF piezoelektrických prvků a generuje jednostranný haptický průběh až 110 voltů mezi špičkami (Vš-š) z napájecího napětí 2,8 až 5,5 voltu. Zařízení může pracovat v režimu přehrávání z paměti s předem nahranými průběhy nebo používat průběhy v reálném čase vysílané z MCU. Více křivek lze dynamicky přidělovat vestavěné paměti, která může sloužit jako vyrovnávací paměť typu první dovnitř, první ven (first-in, first-out“, FIFO) pro streamování v reálném čase. Plný přístup k systému a jeho řízení, včetně hlášení poruch a monitorování, je podporován integrovaným sériovým periferním rozhraním („serial peripheral interface“, SPI). Umožňuje také přehrávání po době spuštění 600 µs od vypnutí. K zajištění vysoké účinnosti a maximální životnosti baterie má tato řídicí jednotka-řadič architekturu zesílení s extrémně nízkou spotřebou s pohotovostním proudem 75 μA a vypínacím proudem 1 μA.

Chtějí-li konstruktéři prozkoumat možnosti piezo ovladače MAX77501, mohou využít vyhodnocovací sadu MAX77501EVKIT#, která je kompletně sestavena a otestována. Sada umožňuje snadné vyhodnocení ovladače MAX77501 a jeho schopnosti řídit velký haptický signál přes keramický piezoelektrický ovládač. K prozkoumání všech funkcí ovladače MAX77501 obsahuje sada software GUI založený na systému Windows.

ToF pro situační povědomí

Situační povědomí může být důležitým aspektem prostředí VR/MR/AR/XR. Vyhodnocovací platforma AD-96TOF1-EBZ podporuje tento aspekt tím, že zahrnuje desku laserového vysílače VCSEL a desku přijímače AFE pro vývoj funkcí vnímání hloubky ToF (obrázek 5). Spojením této vyhodnocovací platformy s procesorovou deskou z ekosystému 96Boards nebo řady Raspberry Pi získají konstruktéři základní návrh, který lze použít pro vývoj softwaru a algoritmů k implementaci ToF specifické pro aplikaci s vysokou úrovní 3D granularity. Systém dokáže detekovat a zaměřit objekty za silného okolního osvětlení a pro optimalizaci výkonu má několik režimů detekce vzdálenosti. Přiložená sada pro vývoj softwaru („software development kit“, SDK) poskytuje ke zvýšení flexibility balíčky OpenCV, Python, MATLAB, Open3D a RoS.

Obrázek 5: Pomocí vyhodnocovací platformy AD-96TOF1-EBZ lze vyvinout vysoce výkonné situační systémy ToF. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Závěr

Vytváření pohlcujících a interaktivních prostředí pro metaverse je složitý a časově náročný úkol. K urychlení procesu mohou konstruktéři využít kompletní řadu kompaktních a energeticky úsporných řešení od společnosti Analog Devices, včetně vývojových a vyhodnocovacích platforem pro biometrické snímání, biofeedback a situační systémy.

Doporučeno k přečtení

1. Jak používat vysoce přesné digitální teplotní senzory v nositelné elektronice na monitorování zdraví
2. Používání biosenzorického modulu k vývoji nositelné elektroniky pro monitorování zdraví a kondice
3. Jak optimalizovat SWaP ve vysoce výkonných RF signálových řetězcích