Miten käyttää nopeasti biometriikkaa, biopalautetta ja tilannetietoisuutta immersiivisiä ympäristöjä varten

Immersiivisen virtuaalitodellisuuden (VR), yhdistetyn todellisuuden (MR), lisätyn todellisuuden (AR) ja laajennetun todellisuuden (XR) ympäristöjen luominen metaversumia varten on kompleksinen tehtävä. Suunnittelijat voivat hyödyntää näiden ympäristöjen luonnissa biometriikkaa käyttäjien reaktioiden ja fyysisen tilan ymmärtämiseksi, biopalautetta käyttäjän sitouttamiseen ja tilanneanalyysia ympäristön ymmärtämiseksi. Biometria voidaan toteuttaa erittäin herkän pulssioksimetrin ja sykemittarianturin avulla. Biopalautteessa voidaan käyttää audiosisältöä tai kosketukseen perustuvassa vuorovaikutuksessa haptiikkaa. Lisäksi kolmiulotteiset (3D) VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) -kulkuaikamittausanturit (ToF), jotka pystyvät tallentamaan 30 kuvaa sekunnissa (fps), voivat kartoittaa jatkuvasti ympäristöä ja tukea tilannetietoisuutta.

Metaversumi on nopeasti kehittyvä mahdollisuus. Suunnittelijoihin kohdistuu painetta kehittää ja integroida nopeasti tarvittava joukko erillisiin ratkaisuihin perustuvia vähävirtaisia anturi- ja palautetekniikoita. Samalla täytyy kuitenkin noudattaa markkinoilletuontiaikaa ja kehityskustannuksia koskevia rajoituksia. Lisäksi monet metaversumilaitteet ovat akkukäyttöisiä, mikä tekee vähävirtaisista ratkaisuista välttämättömiä.

Suunnittelijat voivat ratkaista nämä haasteet käyttämällä integroituja ratkaisuja, jotka tukevat erittäin herkkiä pulssioksimetrejä ja sykkeen mittausta, tarjoavat hyvin tehokkaan D-luokan ääni- ja haptisen palautteen ja hyödyntävät VCSEL-pohjaista 3D ToF -mittausratkaisua, joka pystyy havaitsemaan objektien sijainnit ja koot korkealla tarkkuusasteella jopa voimakkaissa ympäristövalo-olosuhteissa.

Tässä artikkelissa tarkastellaan pulssioksimetrien ja sykeantureiden toimintaa ja tarkastellaan, miten D-luokan vahvistimet voivat tarjota korkealaatuista äänipalautetta erittäin alhaisella virrankulutuksella. Siinä esitellään joukko Analog Devices -yrityksen energiatehokkaita mikropiirejä biometriikkaa, biopalautetta ja tilannetietoisuutta varten sekä niihin liittyviä evaluointikortteja.

Biometristen olosuhteiden mittaus

Fotopletysmogrammi (PPG) mittaa veren tilavuuden muutoksia mikrovaskulaarisella tasolla, ja sitä käytetään usein pulssioksimetrin ja sykemittarin toteuttamiseen. PPG käyttää lasereita ihon valaisuun ja valoabsorption (tai heijastuksen) muutosten mittaukseen tietyillä aallonpituuksilla. Tuloksena saatava PPG-signaali sisältää tasavirta (DC)- ja vaihtovirtakomponentteja (AC). Ihon, lihasten, luiden ja laskimoveren vakioheijastavuus tuottaa DC-signaalin. Valtimoveren sykepulsaatio on AC-signaalin ensisijainen lähde. Systolisessa (pumppaus) vaiheessa heijastuu enemmän valoa kuin diastolisessa (lepo) vaiheessa (kuva 1).

Kuva 1: PPG-signaali sisältää pulssioksimetriassa sekä DC- että AC-komponentteja, jotka liittyvät sellaisiin elementteihin kuten kudosrakenne ja valtimoveren kierto. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Perfuusioindeksi (PI) ilmoittaa PPG-signaalissa sykkivän (AC-signaalin) ja ei-sykkivän (DC-signaalin) verenkierron välisen suhteen. Veren happikyllästeisyysaste (S_pO₂) on mahdollista arvioida käyttämällä perfuusioindeksejä eri aallonpituuksilla. PPG-järjestelmän suunnittelu PI-suhteiden maksimoimiseksi lisää S_pO₂-arvioiden tarkkuutta. PI-suhteita voidaan kasvattaa parantamalla mekaanista rakennetta ja käyttämällä tarkempia anturitoteutuksia.

PPG-järjestelmissä voidaan käyttää transmissiivisiä ja heijastavia arkkitehtuureja (kuva 2). Transmissiivistä järjestelmää käytetään kehon alueilla, jotka valo läpäisee helposti, kuten korvalehdet ja sormenpäät. Näillä konfiguraatioilla perfuusioindeksiä voidaan nostaa 40–60 desibeliä (dB). Heijastavassa PPG-arkkitehtuurissa valoilmaisin ja ledi on sijoitettu vierekkäin. Heijastavia PPG-laitteita voidaan käyttää ranteessa, rinnassa tai muilla alueilla. Heijastusrakenteen käyttö laskee PI-suhteita ja vaatii anturissa suorituskykyisemmän analogisen etuasteen (AFE) käyttöä. Myös etäisyys on kriittinen analogisen etuasteen saturaation välttämiseksi. Mekaanisen ja sähköisen rakenteen lisäksi PI-signaaleja oikein tulkitsevan ohjelmiston kehittäminen voi olla merkittävä haaste.

Kuva 2: Yksinkertaisessa pulssioksimetrissä ja sykemittarin anturissa voidaan käyttää yhtä ainutta IR-lediä. Useita ledejä käyttämällä voidaan kuitenkin tuottaa laadukkaampi lähtösignaali. (Kuvan lähde: Analog Devices)

PPG-järjestelmien suunnittelun ylimääräisenä haasteena on tarve ottaa huomioon käyttäjän mahdollinen liike mittauksen aikana. Liike voi aiheuttaa painetta, joka voi muuttaa valtimoiden ja laskimoiden leveyttä. Se vaikuttaa niiden vuorovaikutukseen valon kanssa, mikä puolestaan muuttaa PI-signaaleja. Koska sekä PPG-signaalit että tyypilliset liikeartefaktit sijaitsevat samankaltaisilla taajuusalueilla, liikkeen vaikutuksia ei ole mahdollista yksinkertaisesti suodattaa pois. Liikettä voidaan sen sijaan mitata kiihtyvyysanturilla sen vaikutusten kumoamiseksi.

S_pO₂-arvon ja sykkeen seuranta

Analog Devices tarjoaa suunnittelijoille, joiden täytyy toteuttaa S_PO₂-arvon ja sykkeen seuranta, referenssimallin MAXREFDES220#. Se tarjoaa paljon ominaisuuksia, jotka tarvitaan prototyyppien nopeaan luontiin ratkaisuja varten. Niihin sisältyvät:

• Integroitu pulssioksimetria- ja sykemittarimoduuli MAX30101. Tähän moduuliin kuuluu sisäisiä ledejä, valoilmaisimia, optisia elementtejä, huipputehokas analoginen etuaste ja muuta vähäkohinaista elektroniikkaa sekä ympäristövalon vaimennus.
• Biometrinen anturikeskitin MAX32664, joka on suunniteltu käytettäväksi MAX30101-moduulin kanssa. Se sisältää algoritmeja S_PO₂-arvon ja sykkeen seurannan toteuttamiseksi ja tarjoaa I²C-rajapinnan kommunikaatioon isäntämikrokontrollerin (MCU) kanssa. Algoritmit tukevat myös kiihtyvyysanturin integrointia liikekorjausta varten.
• Kolmiakselinen kiihtyvyysmittari ADXL362, joka kuluttaa alle 2 mikroampeeria (µA) 100 hertsin (Hz) lähtötiedonsiirtonopeudella ja 270 nanoampeeria (nA) liikeaktivoituvassa herätystilassa.

D-luokka äänipalautetta varten

Äänipalaute voi tarjota mahdollisuuden tehokkaaseen vuorovaikutukseen käyttäjien kanssa. Se voi myös heikentää kokemuksen laatua, jos äänenlaatu on huono. Tyypillisissä puettavissa laitteissa ja VR/MR/AR/XR-ympäristöissä käytettäviä mikrokaiuttimia voi olla haastavaa käyttää tehokkaasti ja menestyksellisesti. Yksi tapa ratkaista tämä ongelma on käyttää korkean hyötysuhteen tehostettua D-luokan älyvahvistinta, jossa on integroitu korotusmuunnin ja jänniteskaalaus. Se parantaa hyötysuhdetta pienellä lähtöteholla. Integroitu älykäs vahvistustoiminto voi kasvattaa äänenpainetasoa (SPL) sekä bassovastetta, jolloin äänestä tulee täyteläisempi ja realistisempi.

Älykkään vahvistuksen suunnittelu on monimutkainen prosessi, mutta saatavilla on vahvistimia, joissa on integroidut digitaaliset signaaliprosessorit (DSP). Ne toteuttavat älykkään vahvistuksen automaattisesti ja parantavat kaiuttimien tehokkuutta ja sisältävät virran ja jännitteen (IV) mittauksen lähtötehon ohjaamiseksi ja kaiutinvaurioiden estämiseksi. Älykkäällä vahvistuksella mikrokaiuttimet voivat tuottaa turvallisesti korkeampia äänenpainetasoja ja parantaa bassovastetta. Saatavilla on integroituja ratkaisuja, jotka parantavat äänenpainetasoa 6–8 dB ja laajentavat bassovasteen neljäsosaan resonanssitaajuudesta (kuva 3).

Kuva 3: Älykäs vahvistus DG-luokan tekniikalla voi tukea turvallisesti ja tehokkaasti korkeampia SPL-tasoja ja laajennettua bassovastetta mikrokaiuttimissa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

D-luokan vahvistin äänipalautetta varten

MAX98390CEWX+T on erittäin tehokas D-luokan älyvahvistin, jossa on integroituna korotusmuunnin sekä Analog Devices -yrityksen Dynamic Speaker Management (DSM) -tuki erinomaiselle äänelle, joka tukee korkealaatuista ja tehokasta äänipalautetta. Tämä vahvistin sisältää jänniteskaalauksen, joka takaa korkean hyötysuhteen pienellä lähtöteholla. Lisäksi korotusmuunnin toimii jopa vain 2,65 voltin akkujännitteillä, ja sen lähtö on asetettavissa 6,5–10 voltin välille 0,125 voltin portain. Korotusmuunnin tarjoaa envelope-seurannan lähtöjännitteen säätämiseksi maksimaalista hyötysuhdetta varten sekä matalavirtaisen lepovirtakäytön mahdollistavan ohitustilan.

Tämä tehostettu vahvistin voi syöttää jopa 6,2 wattia 4 ohmin (Ω) kaiuttimeen vain 10 %:n harmonisella kokonaissäröllä ja kohinalla (THD+N). Siihen on integroitu IV-mittaus, joka suojaa kaiutinta vaurioilta. Laite myös tukee korkeampia SPL-arvoja ja matalampaa bassovastetta.

Analog Devices tarjoaa evaluointisarjan MAX98390CEVSYS#, joka nopeuttaa kehitystyötä MAX98390C-vahvistinta käytettäessä. Sarjan sisältöön kuuluvat MAX98390C-kehitysalusta, äänirajapintakortti, 5 voltin virtalähde, mikrokaiutin, USB-kaapeli, DSM Sound Studio -ohjelmisto ja MAX98390-evaluointiohjelmisto (kuva 4). DSM Sound Studio -ohjelmistossa on graafinen käyttöliittymä (GUI), joka toteuttaa DSM-tuen yksinkertaisessa kolmivaiheisessa prosessissa. Se tarjoaa myös seitsemänminuuttisen esittelyn DSM-ohjelmiston vaikutuksesta mikrokaiuttimen käyttöön.

Kuva 4: MAX98390CEVSYS#-sarja sisältää kaikki D-luokan äänipalautejärjestelmien kehittämiseen tarvittavat laitteistot ja ohjelmistot. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Haptiikka taktiilipalautetta varten

Suunnittelijat, jotka käyttävät taktiilipalautteeseen perustuvia järjestelmiä käyttäjien sitouttamiseen, voivat valita erittäin tehokkaan pietsosähköisille aktuaattoreille tarkoitetun ohjainajurin MAX77501EWV+. Se on optimoitu jopa 2 mikrofaradin (µF) pietsoelementtien ohjaukseen ja se generoi 2,8–5,5 voltin syöttöjännitteestä epäsymmetrisen haptisen aaltomuodon (Vpk-pk), joka on jopa 110 volttia huipusta huippuun. Se voi toimia toistotilassa käyttäen muistiin valmiiksi tallennettuja aaltomuotoja tai käyttää mikrokontrollerin lähettämiä reaaliaikaisia aaltomuotoja. Useita aaltomuotoja voidaan varata dynaamisesti sisäiseen muistiin, joka voi toimia FIFO-puskurina (first-in, first-out) reaaliaikaista suoratoistoa varten. Integroitu SPI (Serial Peripheral Interface) mahdollistaa kaikkien järjestelmän ominaisuuksien käytön ja ohjauksen vikailmoitukset ja valvonta mukaan lukien. Laitteen ollessa sammutustilassa toisto voidaan aloittaa 600 mikrosekunnin (µs) käynnistysajan kuluttua. Tämä ohjainajuri tarjoaa korkean hyötysuhteen ja pariston maksimaalisen keston varmistamiseksi erittäin vähävirtaisen jännitteenkorotusarkkitehtuurin, jonka virta valmiustilassa on 75 μA ja pysäytystilassa 1 μA.

Suunnittelijat voivat tutustua pietso-ohjaimen MAX77501 ominaisuuksiin käyttämällä valmiiksi koottua ja testattua evaluointisarjaa MAX77501EVKIT#. Sarja mahdollistaa MAX77501-pietso-ohjaimen helpon evaluoinnin ja suuren haptisen signaalin ohjauksen keraamisen pietsoaktuaattorin kautta. Sarja sisältää Windows-pohjaisen GUI-ohjelmiston, jonka kautta voidaan tutustua MAX77501-pietso-ohjaimen kaikkiin ominaisuuksiin.

Kulkuaikamittaus (ToF) tilannetietoisuutta varten

Tilannetietoisuus voi olla tärkeä näkökulma VR/MR/AR/XR-ympäristöissä. Evaluointialusta AD-96TOF1-EBZ tukee tätä tarvetta, sillä se sisältää VCSEL-laserlähetinkortin ja AFE-vastaanotinkortin ToF-syvyyshavainnointitoimintojen kehittämistä varten (kuva 5). Jos suunnittelijat yhdistävät tämän evaluointialustan 96Boards-ekosysteemiin tai Raspberry Pi -perheeseen kuuluvaan prosessorikorttiin, he saavat käyttöönsä perusratkaisun, jonka avulla kehittää ohjelmistoja ja algoritmeja sovelluskohtaisiin ToF-toteutuksiin korkealla 3D-tarkkuudella. Järjestelmä voi tunnistaa ja mitata kohteita voimakkaassa ympäristövalossa, ja se tarjoaa useita suorituskykyä optimoivia etäisyysmittaustiloja. Mukana toimitettava ohjelmistokehityssarja (SDK) lisää käyttövaihtoehtoja tarjoamalla OpenCV-, Python-, MATLAB-, Open3D- ja RoS-adapterit.

Kuva 5: Evaluointialustan AD-96TOF1-EBZ avulla voidaan kehittää erittäin suorituskykyisiä ToF-tilannetietoisuusjärjestelmiä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Yhteenveto

Metaversumin immersiivisten ja interaktiivisten ympäristöjen luominen on kompleksinen ja aikaa vievä tehtävä. Suunnittelijat voivat nopeuttaa prosessia käyttämällä Analog Devices -yrityksen kompakteja ja energiatehokkaita ratkaisuja, joihin kuuluvat biometrisen tunnistuksen, biopalautteen ja tilannetietoisuusjärjestelmien kehitys- ja evaluointialustat.

Suositeltavaa luettavaa

1. Huipputarkkojen digitaalisten lämpötila-antureiden käyttö terveysseurantaan tarkoitetuissa puettavissa laitteissa
2. Kehitä puettavia terveys- ja kuntoilulaitteita käyttämällä biosensorimoduulia
3. SWaP-optimointi suorituskyvyltään korkeissa RF-signaaliketjuissa