Virtuální realita využívá tři metody pro ponoření uživatele do virtuálního prostředí, a to biometrie, biofeedback a situační povědomí. Biometrii lze implementovat pomocí biometrických senzorů jako jsou citlivé pulzní oxymetry a snímače srdeční frekvence.  Biofeedback lze získat prostřednictvím zvuku nebo pomocí haptiky pro dotykové interakce. Pomocí 3D ToF senzorů s vertikální dutinou a laserem (VCSEL) lze mapovat rychlostí 30 snímků za sekundu prostředí a podporovat tak situační povědomí.

Sociální propojení virtuálních světů se nazývá metaverse. Vyvinout a integrovat potřebnou řadu nízkoenergetických snímačů a zpětné vazby pomocí diskrétních součástek je nemožné. Proto existují integrovaná řešení, která nabízí vysoce citlivý pulzní oxymetr, snímání srdeční frekvence, poskytují vysoce účinnou zvukovou a hmatovou zpětnou vazbu třídy D a využívají snímání pomocí 3D ToF založeného na VCSEL, který dokáže detekovat polohy a velikost objektů dokonce i za velmi nepříznivých světelných podmínek.

Tento článek se bude věnovat principu pulzního oxymetru a snímače srdeční frekvence, a ukáže, jak mohou zesilovače třídy D poskytovat vysoce kvalitní, nízkoenergetickou zvukovou zpětnou vazbu. K tomu využije řadu energeticky účinných integrovaných obvodů od Analog Devices pro biometrii, biofeedback a situační povědomí spolu s příslušnými vývojovými deskami.

Snímání biometrických podmínek

Fotopletysmogram (PPG - Photoplethysmogram ) je schopen rozpoznat změny v objemu krve na mikrovaskulární úrovni a často se používá v pulzním oxymetru a monitoru srdeční frekvence. PPG používá lasery k osvětlení kůže a měření změn v absorpci (nebo odrazu) světla na konkrétních vlnových délkách. Výsledný signál PPG zahrnuje složky stejnosměrného (DC) a střídavého proudu (AC). Konstantní odrazivost kůže, svalů, kostí a žilní krve je reprezentován DC signálem. Pulzace srdeční frekvence arteriální krve je primárním zdrojem AC signálu. V systolické (pumpové) fázi se odráží více světla než v diastolické (relaxační) fázi (obrázek 1).

Obrázek 1: Signál PPG v pulzní oxymetrii obsahuje jak stejnosměrné, tak i střídavé složky. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Poměr pulsujícího (AC signálu) k nepulzujícímu (DC signálu) průtoku krve v PPG signálu je perfuzní index (PI). Použitím indexu PI na různých vlnových délkách je možné odhadnout úroveň saturace krve kyslíkem (S_pO₂). Dosažení maximálního poměru PI zvyšuje přesnost odhadů saturace kyslíkem S_pO₂. Pro systémy PPG lze použít transmisivní a reflexní architektury (obrázek 2). Transmisivní systém se používá na místech těla, kde světlo snadno prochází kůží jako jsou ušní lalůčky a konečky prstů. Tyto měření lze realizovat zvýšením PI o 40 až 60 dB. V reflexním PPG je fotodetektor a LED dioda umístěna vedle sebe. Reflexní PPG lze použít na zápěstí, hrudníku nebo jiné oblasti. Použití reflexního designu snižuje PI poměry a vyžaduje použití výkonnějšího analogového front-endu (AFE) na snímači. Rozteč umístění vysílače a přijímače je také důležitým kritériem, aby se zabránilo nasycení AFE. Kromě mechanických a elektrických aspektů návrhu může být významnou výzvou vývoj software pro správnou interpretaci signálů PI.

Obrázek 2: Jedna IR LED může být použita v jednoduchém pulzním oxymetru a snímači srdeční frekvence. Použití více LED se dosáhne kvalitnějšího výstupního signálu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Další výzvou při navrhování systémů PPG je pohyb uživatele během měření. Pohyb může způsobit tlaky, které mohou změnit šířku tepen a žil a ovlivňují tak interakci se světlem, a to změní signály PI. Protože signály PPG i typické pohyby jsou v podobných frekvenčních rozsazích, není možné je jednoduše odfiltrovat. K měření pohybu lze použít akcelerometr, a pomocí software tyto pohybové vlivy identifikovat a odfiltrovat.

Monitorování saturace kyslíku S_pO₂ a srdeční frekvence

Analog Devices nabízí referenční sadu MAXREFDES220#, která poskytuje vše potřebné k monitorování saturace kyslíku a srdeční frekvence:

• Integrovaný modul pulzní oxymetrie a monitor srdečního tepu MAX30101. Tento modul obsahuje interní LED diody, fotodetektory, optické prvky, vysoce výkonný AFE a další nízkošumovou elektroniku pro potlačení okolního světla.
• Biometrický senzorový rozbočovač MAX32664 navržený pro použití s ​​MAX30101. Obsahuje algoritmy pro implementaci měření saturace kyslíku S_PO₂ a monitorování srdeční frekvence a má rozhraní I²C pro komunikaci s hostitelským mikrokontrolerem. Algoritmy také podporují integraci akcelerometru pro korekci pohybu.
• Tříosý akcelerometr ADXL362 se spotřebou menší než 2 µA při výstupní datové rychlosti 100 Hz a 270 nA v režimu probuzení spouštěného pohybem.

Zesilovače třídy D pro zvukovou zpětnou vazbu

Zvuková zpětná vazba poskytuje účinnou interakci s uživateli. Pokud je kvalita audio signálu špatná, výrazně se sníží prožitek z virtuálního prostředí. Pro efektivní využití mikro reproduktorů integrovaných uvnitř viruálních brýlí je použito vysoce účinného inteligentního zesilovače třídy D s integrovaným boost převodníkem a napěťovým škálováním pro vyšší účinnost při nízkém výstupním výkonu. Integrovaná funkce chytrého zesílení zvyšuje hladinu zvukového tlaku (SPL) i odezvu basů pro bohatší a realističtější zvuk.

Návrh chytrého zesílení je složitý proces, ale jsou k dispozici zesilovače s integrovanými digitálními signálovými procesory (DSP), které automaticky implementují chytré zesílení a poskytují adekvátní výkon reproduktorům, včetně snímání proudu a napětí (current-voltage IV) pro řízení výstupního výkonu a zabránění poškození reproduktorů. Díky inteligentnímu zesílení mohou mikro reproduktory bezpečně poskytovat vyšší hladinu SPL se zvýšenými basy. 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 zesilovače třídy DG s Class D mohou bezpečně a efektivně podporovat vyšší úrovně SPL a rozšířenou basovou odezvu v mikro reproduktorech. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

MAX98390CEWX-T je vysoce účinný inteligentní zesilovač třídy D s dynamickou správou reproduktorů DSM (Dynamic Speaker Management) pro dosažení vynikajícího zvuku. Tento zesilovač obsahuje škálování napětí pro vysokou účinnost při nízkém výstupním výkonu. Zesilovací měnič navíc pracuje s napětím baterie až 2,65 V a má výstup, který je programovatelný od 6,5 do 10 V v krocích po 0,125 V. Integrovaný boost převodník obsahuje funkci „sledování obálky (Envelope Tracking)“, která upravuje výstupního napětí pro získání maximální účinnost. Tento zesilovač dokáže dodat výkon až 6,2 W do 4 Ω reproduktoru s pouze 10 % celkovým harmonickým zkreslením plus šumem (THD+N). Obsahuje integrovaný senzor proudu a napětí IV pro ochranu reproduktoru před poškozením.

Pro urychlení vývoje s MAX98390C nabízí Analog Devices vývojovou sadu MAX98390CEVSYS#. Sada obsahuje vývojovou desku MAX98390C, desku zvukového rozhraní, 5V napájecí zdroj, mikro reproduktor, USB kabel, software DSM Sound Studio a vyhodnocovací software MAX98390 (obrázek 4). Software DSM Sound Studio má grafické uživatelské rozhraní, které implementuje DSM v jednoduchém třífázovém procesu. Zahrnuje také sedmiminutovou zvukovou ukázku po zásahu software DSM.

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

Haptika pro hmatovou zpětnou vazbu

Pro hmatovou zpětnou vazbu lze využít vysoce účinný ovladač pro piezoelektrické aktuátory MAX77501EWV+. Je optimalizován pro buzení až 2 µF piezoelektrických prvků a generuje jednostranný haptický průběh až 110 Vpk-pk z napájecího napětí 2,8 až 5,5 voltů. Může pracovat v režimu přehrávání z paměti s předem nahranými průběhy nebo používat průběhy vysílané z MCU v reálném čase. Více křivek lze dynamicky přidělovat vestavěné paměti, která může sloužit jako vyrovnávací paměť typu FIFO pro streamování v reálném čase. Plný přístup k systému a jeho řízení, včetně hlášení poruch a monitorování je podporováno integrovaným rozhraním SPI. Je schopen přehrát danou haptiku již 600 µs od probuzení. Aby byla zajištěna vysoká účinnost a maximální životnost baterie, má tento ovladač extrémně nízkou spotřebu v pohotovostním režimu 75 μA a ve vypnutém stavu 1 μA.

K prozkoumání možností piezo ovladače MAX77501 je k dispozici vývojová sada MAX77501EVKIT#. Sada umožňuje snadné vyhodnocení MAX77501 a jeho schopnost řídit velký haptický signál přes keramický piezo aktuátor. Sada obsahuje software GUI na bázi Windows pro prozkoumání všech funkcí MAX77501.

ToF pro situační povědomí

Situační povědomí je důležitým aspektem virtuálního prostředí. AD -96TOF1-EBZ je vývojová platforma, která zahrnuje desku laserového vysílače VCSEL a desku přijímače AFE pro vývoj funkcí vnímání hloubky ToF (obrázek 5). Propojením této platformy s procesorovou deskou z ekosystému 96Boards nebo rodiny Raspberry Pi lze získat základní prototyp, který lze použít k vývoji software a algoritmů ToF pro aplikace s vysokou úrovní 3D granularity. Systém dokáže detekovat objekty i za velmi nepříznivých světelných podmínek a má několik režimů detekce pro optimalizovaný výkon. Přiložená SDK sada pro vývoj softwaru poskytuje moduly (wrappers) OpenCV, Python, MATLAB, Open3D a RoS.

Obrázek 5: Vysoce výkonné situační systémy ToF lze vyvinout pomocí platformy AD-96TOF1-EBZ. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Vytváření poutavých a interaktivních prostředí pro metaverse je složitý a časově náročný úkol. Pro urychlení procesu se lze obrátit na kompletní řadu kompaktních a energeticky účinných řešení od Analog Devices, včetně vývojových platforem pro biometrické snímání, biofeedback a situační systémy.

Další zajímavé informace lze najít na:

• How to Use High Accuracy Digital Temperature Sensors in Health Monitoring Wearables
• Use a Biosensing Module to Develop Health and Fitness Wearables
• How to Optimize SWaP in High-Performance RF Signal Chains

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com