Slik kan du raskt ta i bruk biometri, biofeedback og situasjonsbevissthet for omsluttende miljøer

Oppretting av miljøer med omsluttende virtuell virkelighet (VR – virtual reality), blandet virkelighet (MR – mixed reality), forlenget virkelighet (AR – augmented reality) og utvidet virkelighet (XR – extended reality) for metaverset (the metaverse), er en kompleks oppgave. For å hjelpe til med å skape disse miljøene, kan konstruktører dra nytte av å bruke biometri for å forstå brukernes reaksjoner og fysiske tilstand, biofeedback for å engasjere seg med brukeren og situasjonsanalyse for å forstå omgivelsene. Biometri kan implementeres med et høyfølsomt pulsoksymeter og en puls-/hjerterytmesensor. Biofeedback kan leveres via lydinnhold eller ved å bruke haptikk for berøringsbaserte interaksjoner. Til slutt kan tredimensjonale (3D) VCSEL (vertical cavity side-emitting laser) ToF-sensorer (ToF –Time of Flight – flyvetid), som er i stand til å gjøre opptak på 30 bilder i sekundet (fps), kontinuerlig kartlegge omgivelsene og støtte situasjonsbevissthet.

Metaverset er en mulighet som er i rask utvikling. Konstruktører kan presses til å raskt utvikle og integrere det nødvendige utvalget av sensor- og feedbackteknologier med lavt strømforbruk basert på frittstående løsninger, samtidig som de får bukt med begrensninger forbundet med utviklingskostnader og tiden det tar å få det endelige produktet ut på markedet. I tillegg er mange metavers-enheter batteridrevne, noe som gjør lavstrømsløsninger en nødvendighet.

For å møte disse utfordringene kan konstruktører benytte seg av integrerte løsninger som støtter høyfølsom pulsoxymeter- og hjerterytmedeteksjon, gir høyeffektiv lyd i klasse D og haptikk-feedback og bruker en VCSEL-basert 3D ToF-sensorløsning som kan detektere objektposisjoner og -størrelser med et høyt nivå av granularitet – selv under forhold med sterkt omgivelseslys.

Denne artikkelen gjennomgår driften av pulsoxymeter- og pulssensorer, ser på hvordan klasse D-forsterkere kan gi lydfeedback med høy kvalitet og svært lavt strømforbruk og presenterer en rekke energieffektive IC-er fra Analog Devices for biometri, biofeedback og situasjonsbevissthet, sammen med tilknyttede evalueringskort.

Deteksjon av biometriske forhold

Et fotoplethysmogram (PPG – photoplethysmogram) måler endringer i blodvolum på mikrovaskulært nivå og brukes ofte til å implementere et pulsoksymeter og en hjertefrekvensmåler. En PPG-enhet bruker lasere til å belyse huden og måle endringer i lysabsorpsjon (eller refleksjon) ved bestemte bølgelengder. Det resulterende PPG-signalet omfatter likestrøms (DC)- og vekselstrøms (AC)-komponenter. Den konstante reflektiviteten til hud, muskler, bein og venøst blod resulterer i DC-signalet. Hjertefrekvenspulsen til arterielt blod er hovedkilden til AC-signalet. Mer lys reflekteres i den systoliske (pumpe) fasen enn i den diastoliske (relaksasjon) fasen (figur 1).

Figur 1: PPG-signalet i pulsoxymetri omfatter både DC- og AC-komponenter relatert til elementer som henholdsvis vevsstruktur og arteriell blodstrøm. (Bildekilde: Analog Devices)

Forholdet mellom pulserende (AC-signal) blod og ikke-pulserende (DC-signal) blodstrøm i et PPG-signal, er perfusjonsindeksen (PI). Ved å bruke PI ved forskjellige bølgelengder, er det mulig å estimere nivået av oksygenmetning i blodet (S_pO₂). Konstruksjon av PPG-systemet slik at det maksimerer PI-forholdene, øker nøyaktigheten til S_pO₂-estimatene. PI-forholdene kan økes gjennom forbedret mekanisk konstruksjon og sensorimplementeringer med høyere nøyaktighet.

Transmissive og reflekterende arkitekturer kan brukes for PPG-systemer (figur 2). Et system med spesifikk gjennomslipping (et transmissivt system) brukes på områder av kroppen der lys lett kan passere gjennom, som øreflipper og fingertupper. Disse konfigurasjonene kan realisere en økning i PI på 40 til 60 desibel (dB). I en reflekterende PPG, er fotodetektoren og LED-en plassert side om side. Reflekterende PPG-er kan brukes på håndleddet, brystet eller andre områder. Bruken av refleksjonskonstruksjon reduserer PI-forholdene og krever at en analog front-end (AFE) med høyere ytelse brukes på sensoren. Avstand er også avgjørende for å unngå å mette AFE-en. I tillegg til de mekaniske og elektriske konstruksjonsfaktorene, kan utviklingen av programvare, som kan tolke PI-signalene riktig, være en stor utfordring.

Figur 2: En enkel IR-lysdiode kan brukes i et enkelt pulsoksymeter og en hjerterytmesensor, men et utgangssignal av høyere kvalitet kan oppnås ved å bruke flere lysdioder. (Bildekilde: Analog Devices)

En annen utfordring når PPG-systemer konstrueres, er behovet for å ta hensyn til alle bevegelsene til brukeren mens målingen blir tatt. Bevegelse kan forårsake trykk som kan endre bredden på arteriene og venene, noe som kan påvirke samspillet de har med lys, og dermed endre PI-signalene. Siden både PPG-signalene og typiske bevegelsesfenomener ligger i lignende frekvensområder, er det ikke mulig å bare filtrere ut virkningene av bevegelsen. I stedet kan et akselerometer brukes til å måle bevegelse slik at den kan kanselleres.

Overvåking av S_pO₂ og hjerterytme

For konstruktører som har behov for å implementere S_PO₂- og hjerterytmeovervåking, tilbyr Analog Devices MAXREFDES220#-referansekonstruksjonen som tilbyr mye av det som trengs for rask prototyping av en løsning, deriblant:

• MAX30101, en integrert modul for pulsoxymetri- og hjerterytmeovervåking. Denne modulen inkluderer interne lysdioder, fotodetektorer, optiske elementer, en høyytelses AFE og annen elektronikk med lav støy, pluss avvisning av omgivelseslys.
• MAX32664, en biometrisk sensorhub konstruert for bruk med MAX30101. Den omfatter algoritmer for å implementere S_PO₂- og hjerterytmeovervåking, og den har et I²C-grensesnitt for kommunikasjon med en vertsmikrokontroller (MCU). Algoritmene støtter også integrasjon av et akselerometer for bevegelseskorreksjon.
• ADXL362, et treakset akselerometer som bruker mindre enn 2 mikroampere (µA) ved en utdatafrekvens på 100 Hz, og 270 nanoampere (nA) når den er i modus for bevegelsesutløst oppvåkning.

Klasse D for lydfeedback

Lydfeedback kan være en mulighet for kraftig samhandling med brukere. Kvaliteten på opplevelsen kan også reduseres hvis lydkvaliteten er dårlig. Mikrohøyttalerne som brukes i typiske kroppsbårne enheter og VR/MR/AR/XR-miljøer kan være utfordrende å bruke på en effektiv måte. Én måte å løse dette på er å bruke en høyeffektiv, opptransformerende (boosted) smartforsterker i klasse D med en integrert opptransformeringsomformer og spenningsskalering for å oppnå høyere virkningsgrad ved lav utgangseffekt. Den integrerte funksjonen for smartforsterkning kan øke lydtrykknivået (SPL – sound pressure level) og bassresponsen for å gi rikere og mer realistisk lyd.

Konstruksjon av smart forsterkning er en kompleks prosess, men forsterkere er tilgjengelige med integrerte digitale signalprosessorer (DSP) som automatisk implementerer smart forsterkning og gir forbedret høyttalerytelse, inkludert strøm-spenning-deteksjon (IV-deteksjon) for å styre utgangseffekten og forhindre høyttalerskader. Med smart forsterkning kan mikrohøyttalere trygt levere høyere SPL og økt bassrespons. Integrerte løsninger som gir en økning på 6 til 8 dB for SPL er tilgjengelige, og disse utvider bassresponsen ned til en fjerdedel av resonansfrekvensen (figur 3).

Figur 3: Smart forsterkning med konstruksjon i DG-klassen kan trygt og effektivt støtte høyere SPL-nivåer og utvidet bassrespons i mikrohøyttalere. (Bildekilde: Analog Devices)

Klasse D for lydfeedback

MAX98390CEWX+T er en høyeffektiv smartforsterker i klasse D som har en integrert opptransformeringsomformer og Analog Devices sin DSM (dynamic speaker management) for overlegen lyd som kan støtte høykvalitets og effektiv lydfeedback. Denne forsterkeren inkluderer spenningsskalering for høy virkningsgrad ved lav utgangseffekt. I tillegg fungerer opptransformeringsomformeren med batterispenninger ned til 2,65 volt og har en utgang som kan programmeres fra 6,5 til 10 volt, i trinn på 0,125 volt. Opptransformeringsomformeren inkluderer områdesporing (envelope tracking) for å justere utgangsspenningen slik at maksimal effektivitet kan oppnås, sammen med en forbikoblingsmodus for drift med lav hvilestrøm.

Denne forsterkeren kan forsyne opptil 6,2 watt i en høyttaler på 4 ohm (Ω) med bare 10 % total oversvingningsforvrengning pluss støy (THD+N – total harmonic distortion plus noise). Den inkluderer en integrert IV-sensor for å beskytte høyttaleren mot skade og støtter høyere SPL og lavere bassrespons.

For å fremskynde utviklingen med MAX98390C, tilbyr Analog Devices MAX98390CEVSYS#-evalueringssettet. Settet inneholder MAX98390C-utviklingskortet, et lydgrensesnittkort, en 5-volts strømforsyning, en mikrohøyttaler, en USB-kabel, DSM Sound Studio-programvare og MAX98390-evalueringsprogramvare (figur 4). DSM Sound Studio-programvaren har et grafisk brukergrensesnitt (GUI) som implementerer DSM i en enkel tre-trinns prosess. Den inkluderer også en syv-minutters demonstrasjon av virkningen til DSM-programvaren ved å bruke mikrohøyttaleren.

Figur 4: MAX98390CEVSYS#-settet inneholder all maskinvare og programvare som trengs for å utvikle lydfeedbacksystemer i klasse D. (Bildekilde: Analog Devices)

Haptikk for taktil feedback

Konstruktører av systemer som er avhengige av taktil feedback for å engasjere brukerne, kan bruke den høyeffektive MAX77501EWV+-styringsdriveren for piezoelektriske aktuatorer. Den er optimalisert for å drive piezoelementer på opptil 2 mikrofarad (µF) og genererer en enkeltsidig haptisk bølgeform på opptil 110 volt spiss-til-spiss (Vpk-pk) fra en forsyningsspenning på 2,8 til 5,5 volt. Den kan være virksom i minneavspillingsmodus med forhåndsinnspilte bølgeformer eller bruke sanntidsbølgeformer strømmet fra en mikrokontroller. Flere bølgeformer kan bli dynamisk tildelt til det innebygde minnet, som kan fungere som en FIFO-buffer (FIFO – first-in, first-out) for sanntidsstrømming. Full systemtilgang og -styring, inkludert feilrapportering og -overvåking, støttes med det integrerte serielle periferigrensesnittet (SPI – serial peripheral interface). Det muliggjør også avspilling etter en oppstartstid på 600 mikrosekunder (µs) fra avstengning. For å sikre høy virkningsgrad og maksimal batterilevetid, har denne styringsdriveren en opptransformeringsarkitektur med svært lav effekt, og en hvilestrøm på 75 μA og en avstengningsstrøm på 1 μA.

For å utforske egenskapene til MAX77501-piezodriveren, kan konstruktører bruke MAX77501EVKIT#-evalueringssettet, som er ferdigmontert og testet. Settet muliggjør enkel evaluering av MAX77501 og evnen til å drive et stort haptisk signal gjennom en keramisk piezoaktuator. Settet inneholder Windows-basert GUI-programvare for å utforske alle funksjonene til MAX77501.

Flyvetid (ToF) for situasjonsbevissthet

Situasjonsbevissthet kan være et viktig aspekt for VR/MR/AR/XR-miljøer. AD-96TOF1-EBZ-evalueringsplattformen støtter dette aspektet ved å inkludere et VCSEL-lasersenderkort og et AFE-mottakerkort for å utvikle ToF-dybdepersepsjonsfunksjoner (figur 5). Ved å forbinde denne evalueringsplattformen med et prosessorkort fra 96Boards-økosystemet eller Raspberry Pi-familien, vil konstruktører være utstyrt med en grunnleggende konstruksjon som kan brukes til å utvikle programvare og algoritmer for utrustningsspesifikke ToF-implementeringer med høye nivåer av 3D-granularitet. Systemet kan detektere og vurdere avstanden til objekter i omgivelser med sterkt lys, og har flere deteksjonsmoduser for rekkevidde for å gi optimalisert ytelse. Det medfølgende programvareutviklingssettet (SDK) gir OpenCV-, Python-, MATLAB-, Open3D- og RoS-wrappere for å øke fleksibiliteten.

Figur 5: Høyytelses systemer med ToF-situasjonsbevissthet kan utvikles ved å bruke AD-96TOF1-EBZ-evalueringsplattformen. (Bildekilde: Analog Devices)

Konklusjon

Det å skape omsluttende interaktive miljøer for metaverset, er en kompleks og tidkrevende oppgave. For å fremskynde prosessen kan konstruktører bruke et komplett utvalg av kompakte og energieffektive løsninger fra Analog Devices, deriblant utviklings- og evalueringsplattformer for biometrisk deteksjon, biofeedback og systemer for situasjonsbevissthet.

Anbefalt lesing

1. Slik bruker du digitale temperatursensorer med høy nøyaktighet i kroppsbårne enheter for helseovervåking
2. Bruk en biodeteksjonsmodul for å utvikle kroppsbårne enheter til helse og trening
3. Slik optimaliserer du SWaP i RF-signalkjeder med høy ytelse