Biometrie, biofeedback en situatiebewustzijn snel toepassen in Immersieve Omgevingen

Het creëren van immersieve virtual reality (VR), mixed reality (MR), augmented reality (AR) en extended reality (XR) omgevingen voor de metaverse is een complexe taak. Bij het creëren van dergelijke omgevingen kunnen ontwerpers biometrie gebruiken om inzicht te krijgen in de reacties en fysieke toestand van de gebruikers, biofeedback om met de gebruiker te communiceren en situational analysis om de omgeving te begrijpen. Biometrie kan worden toegepast met een zeer gevoelige pulsoximeter en een hartslagsensor. Biofeedback kan worden gegeven via audio of via aanraking. Tenslotte kunnen driedimensionale (3D) vertical cavity side-emitting laser (VCSEL) time-of-flight (ToF) sensoren, die met 30 beelden per seconde (fps) kunnen opnemen, de omgeving voortdurend in kaart brengen en de situational awareness ondersteunen.

De metaverse is een snel evoluerende mogelijkheid. Ontwerpers staan onder druk om snel de vereiste reeks sensoren en terugkoppelingstechnologieën met laag vermogen te ontwikkelen en te integreren op basis van discrete oplossingen, terwijl ze toch moeten voldoen aan de vereisten inzake time-to-market en ontwikkelingskosten. Bovendien werken veel metaverse-apparaten op batterijen, waardoor oplossingen met een laag stroomverbruik noodzakelijk zijn.

Om deze uitdagingen aan te gaan, kunnen ontwerpers gebruik maken van geïntegreerde oplossingen die zeer gevoelige pulsoximeters en hartslagsensoren ondersteunen, zeer efficiënte klasse D audio en haptische feedback bieden en gebruik maken van een op VCSEL-gebaseerde 3D ToF-detectieoplossing die objectposities en -afmetingen met een hoge mate van granulariteit kan detecteren, zelfs bij sterk omgevingslicht.

In dit artikel wordt de werking van pulsoximeter- en hartslagsensoren besproken, evenals hoe klasse D-versterkers hoogwaardige en zeer energiezuinige audiofeedback kunnen leveren, en wordt een reeks energiezuinige IC's van Analog Devices voor biometrie, biofeedback en situational awareness besproken, samen met bijbehorende evaluatiekaarten.

Detectie van biometrische omstandigheden

Een fotoplethysmogram (PPG) meet veranderingen in het bloedvolume op microvasculair niveau en wordt vaak gebruikt om een pulsoximeter en een hartslagmonitor te implementeren. Een PPG gebruikt lasers om de huid te belichten en meet de veranderingen in lichtabsorptie (of reflectie) bij specifieke golflengten. Het resulterende PPG-signaal bevat gelijkstroom- en wisselstroomcomponenten. De constante reflectiviteit van huid, spieren, botten en veneus bloed resulteert in de gelijkstroomcomponent. De hartslagpulsatie van arterieel bloed is de primaire bron van de wisselstroomcomponent. In de systolische (pomp)fase wordt meer licht gereflecteerd dan in de diastolische (ontspannings)fase (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het PPG-signaal bij pulsoximetrie omvat zowel gelijkstroom- als wisselstroomcomponenten, die verband houden met elementen als weefselstructuur en arteriële bloedstroom. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De verhouding tussen de pulserende bloedstroom (wisselstroomcomponent) en de niet-pulserende bloedstroom (gelijkstroomcomponent) in een PPG-signaal is de perfusie-index (PI). Door PI's op verschillende golflengten te gebruiken, kan het niveau van de zuurstofverzadiging in het bloed (S_pO₂) worden geschat. Door het PPG-systeem zo te ontwerpen dat de PI-verhoudingen worden gemaximaliseerd, neemt de nauwkeurigheid van de S_pO₂-schattingen toe. De PI-verhoudingen kunnen worden vergroot door een beter mechanisch ontwerp en door nauwkeurigere sensoren te gebruiken.

Voor PPG-systemen kunnen transmissieve en reflectieve architecturen worden gebruikt (afbeelding 2). Een transmissief systeem wordt gebruikt op delen van het lichaam waar het licht gemakkelijk doorheen komt, zoals oorlellen en vingertoppen. Met deze configuraties kan een toename van 40 tot 60 decibel (dB) in de PI worden gerealiseerd. In een reflecterende PPG worden de fotodetector en de led naast elkaar geplaatst. Reflecterende PPG's kunnen worden gebruikt op de pols, de borst of andere gebieden. Het gebruik van een reflectieontwerp verlaagt de PI-verhoudingen en vereist het gebruik van een krachtige analoge front-end (AFE) op de sensor. De juiste afstand is ook essentieel om te voorkomen dat de AFE verzadigd raakt. Naast de mechanische en elektrische ontwerpoverwegingen kan de ontwikkeling van software om de PI-signalen correct te interpreteren een aanzienlijke uitdaging zijn.

Afbeelding 2: Een enkele infrarode led kan worden gebruikt in een eenvoudige pulsoximeter en hartslagsensor, maar het gebruik van meerdere leds kan een uitgangssignaal van hogere kwaliteit opleveren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een extra uitdaging bij het ontwerpen van PPG-systemen is de noodzaak rekening te houden met eventuele bewegingen van de gebruiker tijdens de meting. Beweging kan druk veroorzaken waardoor de breedte van de slagaders en aders kan veranderen, met een bijbehorende beïnvloeding van het licht, waardoor de PI-signalen wijzigen. Aangezien zowel de PPG-signalen als de typische bewegingsartefacten zich in hetzelfde frequentiegebied bevinden, is het niet mogelijk de effecten van de beweging eenvoudigweg uit te filteren. In plaats daarvan kan een versnellingsmeter worden gebruikt om beweging te meten, zodat deze kan worden geannuleerd.

Controle van S_pO₂ en hartslag

Voor ontwerpers die S_pO₂- en hartslagbewaking moeten implementeren, biedt Analog Devices het MAXREFDES220# referentieontwerp aan, dat veel bevat van wat nodig is om snel een prototype van een oplossing te maken, inclusief:

• De MAX30101 geïntegreerde module voor pulsoximetrie en hartslagmeting. Deze module heeft interne leds, fotodetectoren, optische elementen, een krachtige AFE en andere ruisarme elektronica, plus omgevingslichtwering.
• De MAX32664 biometrische sensor hub, ontworpen voor gebruik met de MAX30101. Deze bevat algoritmen om S_PO₂ en hartslagbewaking te implementeren, en heeft een I²C-interface voor communicatie met een host microcontroller unit (MCU). De algoritmen ondersteunen ook de integratie van een versnellingsmeter voor bewegingscorrectie.
• De ADXL362 drie-assige versnellingsmeter die minder dan 2 microampère (µA) verbruikt bij een uitgangsgegevenssnelheid van 100 Hertz (Hz), en 270 nanoampère (nA) in de bewegingsgeactiveerde opstartmodus.

Klasse D voor audiofeedback

Audiofeedback kan een mogelijkheid bieden voor krachtige interacties met gebruikers. Maar ook kan bij een slechte geluidskwaliteit de kwaliteit van de ervaring achteruitgaan. Het kan een uitdaging vormen de microluidsprekers, die in typische wearables en VR/MR/AR/XR-omgevingen worden gebruikt, effectief en efficiënt te gebruiken. Eén manier om dit aan te pakken is het gebruik van een uiterst efficiënte slimme klasse D versterker met een geïntegreerde boost converter en spanningsschaling voor een hoger rendement bij een laag uitgangsvermogen. De geïntegreerde slimme versterkingsfunctie kan het geluidsdrukniveau (SPL) en de basrespons verhogen voor een rijker en realistischer geluid.

Het ontwerpen van slimme versterking is een complex proces, maar er zijn versterkers beschikbaar met geïntegreerde digitale signaalprocessoren (DSP's) die automatisch slimme versterking implementeren en zorgen voor betere luidsprekerprestaties, inclusief stroom-spanningsdetectie om het uitgangsvermogen te regelen en schade aan de luidspreker te voorkomen. Met slimme versterking kunnen microluidsprekers veilig hogere SPL's en een betere basweergave leveren. Er zijn geïntegreerde oplossingen beschikbaar die het SPL met 6 tot 8 dB verhogen en de basweergave uitbreiden tot een kwart van de resonantiefrequentie (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Slimme versterking met een klasse DG-ontwerp kan veilig en efficiënt hogere SPL-niveaus en een uitgebreide basrespons in microluidsprekers ondersteunen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Klasse D versterker voor audiofeedback

De MAX98390CEWX+T is een zeer efficiënte klasse D slimme versterker met een geïntegreerde boostconverter en Dynamic Speaker Management (DSM) van Analog Devices voor een superieur geluid dat hoogwaardige en efficiënte audiofeedback kan ondersteunen. Deze versterker beschikt over spanningsschaling voor een hoog rendement bij een laag uitgangsvermogen. Bovendien werkt de boostconverter met accuspanningen tot 2,65 volt en heeft hij een uitgang die programmeerbaar is van 6,5 tot 10 volt in stappen van 0,125 volt. De boostconverter beschikt over envelope tracking om de uitgangsspanning aan te passen voor maximale efficiëntie, samen met een bypass-modus voor een lage ruststroom.

Deze versterker kan tot 6,2 watt leveren aan een 4 ohm (Ω) luidspreker met slechts 10% totale harmonische vervorming plus ruis (THD+N). Hij bevat een geïntegreerde IV-sensor om de luidspreker te beschermen tegen schade en ondersteunt hogere SPL's en een lagere basrespons.

Om de ontwikkeling van de MAX98390C te versnellen, biedt Analog Devices de MAX98390CEVSYS# evaluatieset aan. De set bevat de MAX98390C-ontwikkelingskaart, een audio-interfacekaart, een 5 volt-voeding, een microluidspreker, een USB-kabel, DSM Sound Studio-software en MAX98390-evaluatiesoftware (afbeelding 4). De DSM Sound Studio software beschikt over een grafische gebruikersinterface (GUI) die DSM in een eenvoudig proces van drie stappen implementeert. De set bevat verder een zeven minuten durende demonstratie van het effect van de DSM-software met behulp van de microluidspreker.

Afbeelding 4: De MAX98390CEVSYS#-set bevat alle hardware en software die nodig is om klasse D-audiofeedbacksystemen te ontwikkelen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Haptiek voor tactiele feedback

Ontwerpers van systemen die vertrouwen op tactiele feedback om met gebruikers te communiceren, kunnen gebruik maken van de MAX77501EWV+ zeer efficiënte controller driver voor piëzo-elektrische actuatoren. Hij is geoptimaliseerd voor het aansturen van maximaal 2 microfarad (µF) piëzo-elementen en genereert een enkele haptische golfvorm van maximaal 110 volt piek tot piek (Vpk-pk) uit een voedingsspanning van 2,8 tot 5,5 volt. Hij kan werken in de geheugenafspeelmodus met vooraf opgenomen golfvormen of kan real-time golfvormen gebruiken die vanuit een MCU worden gestreamd. Meerdere golfvormen kunnen dynamisch aan het ingebouwde geheugen worden toegewezen, dat kan dienen als een first-in, first-out (FIFO) buffer voor real-time streaming. Volledige toegang tot en controle over het systeem, inclusief foutmelding en bewaking, wordt ondersteund door de geïntegreerde seriële perifere interface (SPI). Hij kan ook terugspelen na een opstarttijd van 600 microseconden (µs) na uitschakeling. Om een hoge efficiëntie en een maximale levensduur van de batterij te garanderen, heeft deze controller driver een ultra-low-power boost architectuur met een stand-by stroom van 75 μA en een uitschakelstroom van 1 μA.

Om de mogelijkheden van de MAX77501 piëzodriver te verkennen, kunnen ontwerpers de MAX77501EVKIT# evaluatieset gebruiken, die volledig is geassembleerd en getest. De set maakt een eenvoudige evaluatie mogelijk van de MAX77501 en het vermogen daarvan om een groot haptisch signaal aan te sturen via een keramische piëzo actuator. De set bevat op Windows gebaseerde GUI-software om alle functies van de MAX77501 te onderzoeken.

ToF voor situational awareness

Situational awareness kan een belangrijk aspect zijn van VR/MR/AR/XR-omgevingen. Het evaluatieplatform AD-96TOF1-EBZ ondersteunt dit aspect door een VCSEL-laserzenderkaart en een AFE-ontvangstkaart voor de ontwikkeling van ToF-diepteperceptiefuncties (afbeelding 5). Door dit evaluatieplatform te combineren met een processorkaart uit het 96Boards ecosysteem of de Raspberry Pi-familie, krijgen ontwerpers een basisontwerp dat kan worden gebruikt voor de ontwikkeling van software en algoritmen voor toepassingsspecifieke ToF-implementaties met een hoge mate van 3D-granulariteit. Het systeem kan objecten detecteren en de afstand daartoe bepalen bij sterk omgevingslicht en heeft meerdere modi voor afstandsdetectie voor optimale prestaties. De meegeleverde software development set (SDK) biedt OpenCV, Python, MATLAB, Open3D en RoS wrappers om de flexibiliteit te vergroten.

Afbeelding 5: Met het AD-96TOF1-EBZ-eval-platform kunnen hoogwaardige ToF-situational awareness-systemen worden ontwikkeld. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Het creëren van immersieve en interactieve omgevingen voor de metaverse is een complexe en tijdrovende taak. Om het proces te versnellen, kunnen ontwerpers zich wenden tot een complete reeks compacte en energie-efficiënte oplossingen van Analog Devices, waaronder ontwikkelings- en evaluatieplatforms voor biometrische detectie, biofeedback en situational awareness-systemen.

Aanbevolen leesmateriaal

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