Cum se aplică rapid biometria, biofeedbackul și conștientizarea situației existente pentru mediile imersive

Crearea unor medii imersive de realitate virtuală (VR), realitate mixtă (MR), realitate augmentată (AR) și realitate extinsă (XR) pentru metaverse este o sarcină complexă. Pentru a contribui la crearea acestor medii, proiectanții pot beneficia de utilizarea biometriei pentru a înțelege reacțiile și starea fizică a utilizatorilor, a biofeedbackului pentru a interacționa cu utilizatorul și a analizei situaționale pentru a înțelege mediul înconjurător. Biometria poate fi implementată cu un pulsoximetru de înaltă sensibilitate și un senzor de ritm cardiac. Biofeedbackul poate fi furnizat prin intermediul conținutului audio sau al răspunsului haptic pentru interacțiuni bazate pe atingere. În cele din urmă, senzorii tridimensionali (3D) cu laser cu emisie laterală cu cavitate verticală (VCSEL) cu timp de zbor (ToF), capabili să înregistreze la 30 de cadre pe secundă (fps), pot cartografia în permanență mediul înconjurător și pot sprijini conştientizarea deplină a situaţiei existente.

Metaversul este o oportunitate în evoluție rapidă. Proiectanții pot fi presați să dezvolte și să integreze rapid gama necesară de tehnologii de detecție și feedback de putere redusă bazate pe soluții discrete, respectând, în același timp, constrângerile legate de timpul de comercializare și de costurile de dezvoltare. În plus, multe dispozitive metaverse sunt alimentate de la baterie, fapt ce impune necesitatea soluțiilor cu consum redus de energie.

Pentru a face față acestor provocări, proiectanții pot utiliza soluții integrate care acceptă senzori de înaltă sensibilitate pentru pulsoximetru și ritmul cardiac, oferă feedback audio și răspuns haptic de clasă D de înaltă eficiență și utilizează o soluție de detecție 3D ToF bazată pe VCSEL, care poate detecta pozițiile și dimensiunile obiectelor cu un nivel ridicat de granularitate, chiar și în condiții de lumină ambientală puternică.

Acest articol trece în revistă funcționarea senzorilor de pulsoximetru și de ritm cardiac, analizează modul în care amplificatoarele de clasă D pot oferi feedback audio de înaltă calitate și de foarte mică putere și prezintă o serie de circuite integrate eficiente din punct de vedere energetic de la Analog Devices pentru biometrie, biofeedback și conştientizarea situaţiei existente, împreună cu plăcile de evaluare asociate.

Detectarea condițiilor biometrice

O fotopletismogramă (PPG) măsoară modificările volumului de sânge la nivel microvascular și este adesea utilizată pentru implementarea unui pulsoximetru și a unui monitor al ritmului cardiac. O PPG utilizează lasere pentru a ilumina pielea și pentru a măsura modificările în absorbția (sau reflecția) luminii la anumite lungimi de undă. Semnalul PPG rezultat include componente de curent continuu (c.c.) și de curent alternativ (c.a.). Reflectivitatea constantă a pielii, a mușchilor, a oaselor și a sângelui venos are ca rezultat semnalul de c.c. Pulsația ritmului cardiac al sângelui arterial este sursa principală a semnalului de c.a. În faza sistolică (de pompare) se reflectă mai multă lumină decât în faza diastolică (de relaxare) (Figura 1).

Figura 1: Semnalul PPG în pulsoximetrie include atât componente de c.c., cât și de c.a. legate de elemente precum structura țesutului și, respectiv, fluxul sanguin arterial. (Sursă imagine: Analog Devices)

Raportul dintre fluxul sanguin pulsatoriu (semnal c.a.) și fluxul sanguin nepulsatoriu (semnal c.c.) dintr-un semnal PPG este indicele de perfuzie (IP). Prin utilizarea indicilor de perfuzie la diferite lungimi de undă, este posibilă estimarea nivelului de saturație a oxigenului din sânge (S_pO₂). Proiectarea sistemului PPG pentru a maximiza rapoartele indicilor de perfuzie crește precizia estimărilor S_pO₂. Rapoartele indicilor de perfuzie pot fi mărite prin îmbunătățirea designului mecanic și prin implementarea unor senzori de mai mare precizie.

Pentru sistemele PPG pot fi utilizate arhitecturi transmisive și reflectorizante (Figura 2). Un sistem transmisiv este utilizat pe zonele corpului prin care lumina poate trece ușor, cum ar fi lobul urechii și vârful degetelor. Aceste configurații pot realiza o creștere de 40 până la 60 de decibeli (dB) a indicilor de perfuzie. Într-o PPG reflectorizantă, fotodetectorul și ledul sunt plasate unul lângă altul. PPG-urile reflectorizante pot fi utilizate pe încheietura mâinii, pe piept sau în alte zone. Utilizarea unui design cu reflexie reduce rapoartele indicilor de perfuzie și necesită utilizarea unui front-end analogic (AFE) mai performant pe senzor. De asemenea, spațierea este esențială pentru a evita saturarea AFE. Pe lângă considerentele de proiectare mecanică și electrică, dezvoltarea software-urilor pentru interpretarea corectă a semnalelor indicilor de perfuzie poate reprezenta o provocare majoră.

Figura 2: Un singur led IR poate fi utilizat într-un senzor simplu de pulsoximetru și de ritm cardiac, dar utilizarea mai multor leduri poate produce un semnal de ieșire de calitate superioară. (Sursă imagine: Analog Devices)

O provocare suplimentară în proiectarea sistemelor PPG este necesitatea de a ține cont de orice mișcare a utilizatorului în timpul efectuării măsurătorilor. Mișcarea poate cauza presiuni ce pot modifica lățimea arterelor și a venelor, afectând interacțiunea acestora cu lumina, ceea ce modifică semnalele indicilor de perfuzie. Deoarece atât semnalele PPG, cât și artefactele de mișcare tipice se află în intervale de frecvență similare, este imposibil să se filtreze, pur și simplu, efectele mișcării. În schimb, se poate utiliza un accelerometru pentru a măsura mișcarea, pentru a permite anularea acesteia.

Monitorizarea S_pO₂ și a ritmului cardiac

Pentru proiectanții care au nevoie să implementeze monitorizarea S_PO₂ și a ritmului cardiac, Analog Devices oferă proiectul de referință MAXREFDES220# care furnizează o mare parte din ceea ce este necesar pentru a crea rapid un prototip de soluție, inclusiv:

• Modulul integrat MAX30101 de monitorizare a pulsului și a ritmului cardiac. Acest modul include leduri interne, fotodetectoare, elemente optice, un AFE de înaltă performanță și alte componente electronice cu zgomot redus, plus respingerea luminii ambientale.
• Hubul pentru senzori biometrici MAX32664, conceput pentru a fi utilizat cu MAX30101. Acesta include algoritmi pentru implementarea monitorizării S_PO₂ și a ritmului cardiac și dispune de o interfață I²C pentru comunicarea cu o unitate microcontroler (MCU) gazdă. Algoritmii acceptă, de asemenea, integrarea unui accelerometru pentru corecția mișcării.
• Accelerometrul cu trei axe ADXL362 care consumă mai puțin de 2 microamperi (µA) la o rată de ieșire a datelor de 100 Hertzi (Hz) și 270 nanoamperi (nA) în modul de activare declanșat de mișcare.

Clasa D pentru feedback audio

Prin feedbackul audio se deschide posibilitatea pentru interacțiuni intense cu utilizatorii. Sau calitatea experienței poate fi poate diminuată din cauza acestuia în cazul în care calitatea sunetului este slabă. Microdifuzoarele utilizate în mediile tipice purtabile și VR/MR/AR/XR pot fi dificil de utilizat în mod eficient și eficace. O modalitate de rezolvare a acestei probleme este utilizarea unui amplificator inteligent de înaltă eficiență, amplificat în clasa D, cu un convertor de amplificare integrat și scalarea tensiunii pentru o eficiență mai mare la o putere de ieșire redusă. Funcția de amplificare inteligentă integrată poate crește nivelul de presiune a sunetului (SPL), precum și răspunsul basului pentru un sunet mai bogat și mai realist.

Proiectarea unei amplificări inteligente este un proces complex, dar sunt disponibile amplificatoare cu procesoare de semnal digital (DSP) integrate care implementează automat amplificarea inteligentă și oferă performanțe îmbunătățite ale difuzoarelor, inclusiv detectarea curent-tensiune (IV) pentru a controla puterea de ieșire și a preveni deteriorarea difuzoarelor. Cu o amplificare inteligentă, microdifuzoarele pot oferi în siguranță SPL-uri mai mari și un răspuns mai bun al basului. Sunt disponibile soluții integrate care oferă o creștere de 6 până la 8 dB a nivelului SPL și care extind răspunsul basului până la o pătrime din frecvența de rezonanță (Figura 3).

Figura 3: Amplificarea inteligentă cu un design de clasă DG poate susține în siguranță și în mod eficient niveluri SPL mai ridicate și un răspuns extins al basului în microdifuzoare. (Sursă imagine: Analog Devices)

Amplificator de clasă D pentru feedbackul audio

MAX98390CEWX+T este un amplificator inteligent de clasă D de înaltă eficiență, cu un convertor de amplificare integrat și sistem de gestionare dinamică a difuzoarelor (DSM) de la Analog Devices pentru un sunet superior care poate susține un feedback audio eficient și de înaltă calitate. Acest amplificator include scalarea tensiunii pentru o eficiență ridicată la o putere de ieșire redusă. În plus, convertorul de amplificare funcționează cu tensiuni ale bateriei de până la 2,65 volți și are o ieșire care poate fi programată de la 6,5 la 10 volți în trepte de 0,125 volți. Convertorul de amplificare include tehnica „envelope tracking” pentru a regla tensiunea de ieșire pentru o eficiență maximă, împreună cu un mod de bypass pentru funcționare cu curent de repaus scăzut.

Acest amplificator îmbunătățit poate furniza până la 6,2 wați într-un difuzor de 4 ohmi (Ω) cu o distorsiune armonică totală plus zgomot (THD+N) de numai 10%. Acesta include un senzor IV integrat pentru a proteja difuzorul împotriva deteriorării și suportă SPL-uri mai mari și un răspuns mai scăzut al basului.

Pentru a accelera dezvoltarea cu MAX98390C, Analog Devices oferă kitul de evaluare MAX98390CEVSYS#. Kitul include placa de dezvoltare MAX98390C, o placă de interfață audio, o sursă de alimentare de 5 volți, un microdifuzor, un cablu USB, software-ul DSM Sound Studio și software-ul de evaluare MAX98390 (Figura 4). Software-ul DSM Sound Studio are o interfață grafică cu utilizatorul (GUI) care implementează DSM printr-un proces simplu în trei pași. Acesta include, de asemenea, o demonstrație de șapte minute a impactului software-ului DSM cu ajutorul microdifuzorului.

Figura 4: Kitul MAX98390CEVSYS# include toate componentele hardware și software necesare pentru a dezvolta sisteme de feedback audio de clasă D. (Sursă imagine: Analog Devices)

Răspunsul haptic pentru feedbackul tactil

Proiectanții de sisteme care se bazează pe feedbackul tactil pentru a atrage utilizatorii pot apela la driverul de controler de înaltă eficiență MAX77501EWV+ pentru actuatoare piezoelectrice. Acesta este optimizat pentru a comanda elemente piezoelectrice de până la 2 microfarazi (µF) și generează o formă de undă haptică cu un singur capăt de până la 110 volți de la vârf la vârf (Vpk-pk) de la o tensiune de alimentare de la 2,8 până la 5,5 volți. Acesta poate funcționa în modul de redare în memorie cu forme de undă preînregistrate sau poate utiliza forme de undă în timp real transmise de la o MCU. Mai multe forme de undă pot fi alocate în mod dinamic în memoria integrată, care poate servi ca o memorie-tampon de tip FIFO (primul intrat, primul ieșit) pentru streaming în timp real. Accesul și controlul complet al sistemului, inclusiv raportarea și monitorizarea defecțiunilor, sunt susținute de interfața periferică serială (SPI) integrată. De asemenea, permite redarea după un timp de pornire de 600 microsecunde (µs) de la oprire. Pentru a asigura o eficiență ridicată și o durată de viață maximă a bateriei, acest driver de controler are o arhitectură de amplificare de putere foarte redusă, cu un curent de așteptare de 75 μA și un curent de închidere de 1 μA.

Pentru a explora capacitățile driverului piezo MAX77501, proiectanții pot utiliza kitul de evaluare MAX77501EVKIT#, care este complet asamblat și testat. Kitul permite o evaluare ușoară a MAX77501 și a capacității sale de a comanda un semnal haptic mare prin intermediul unui actuator piezo ceramic. Kitul include un software GUI bazat pe Windows pentru a explora toate caracteristicile MAX77501.

ToF pentru conştientizarea situaţiei existente

Conștientizarea situației existente poate fi un aspect important al mediilor VR/MR/AR/XR. Platforma de evaluare AD-96TOF1-EBZ susține acest aspect prin includerea unei plăci de emisie laser VCSEL și a unei plăci de recepție AFE pentru dezvoltarea funcțiilor de percepție a adâncimii ToF (Figura 5). Prin asocierea acestei platforme de evaluare cu o placă de procesor din ecosistemul 96Boards sau din familia Raspberry Pi, proiectanții au la dispoziție un proiect de bază care poate fi utilizat pentru dezvoltarea software-ului și a algoritmilor pentru implementări ToF specifice aplicațiilor cu niveluri ridicate de granularitate 3D. Sistemul poate detecta și distanța obiectelor în condiții de lumină ambientală puternică și dispune de mai multe moduri de detectare a distanței pentru o performanță optimizată. Kitul de dezvoltare software (SDK) inclus oferă aplicații OpenCV, Python, MATLAB, Open3D și RoS pentru a spori flexibilitatea.

Figura 5: Cu ajutorul platformei de evaluare AD-96TOF1-EBZ pot fi dezvoltate sisteme de conștientizare a situației existente ToF de înaltă performanță. (Sursă imagine: Analog Devices)

Concluzie

Crearea unor medii imersive și interactive pentru metaverse este o sarcină complexă și consumatoare de timp. Pentru a accelera procesul, proiectanții pot apela la o gamă completă de soluții compacte și eficiente din punct de vedere energetic de la Analog Devices, inclusiv platforme de dezvoltare și evaluare pentru sisteme de detecție biometrică, biofeedback și sisteme de conștientizare a situației existente.

Lectură recomandată

1. Cum se utilizează senzorii digitali de temperatură, de înaltă precizie, în dispozitivele purtabile pentru monitorizarea stării de sănătate
2. Utilizarea unui modul de biodetecție pentru dezvoltarea dispozitivelor portabile pentru sănătate și fitness
3. Cum se optimizează SWaP în lanțurile de semnale RF de înaltă performanță