Ustvarjanje pristnih okolij navidezne resničnosti (VR), mešane resničnosti (MR), obogatene resničnosti (AR) in razširjene resničnosti (XR) za metaverse je zapletena naloga.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Oblikovalci lahko pri ustvarjanju teh okolij uporabijo biometrične podatke za razumevanje odzivov in fizičnega stanja uporabnikov, biološke povratne zanke za sodelovanje z uporabnikom in situacijsko analizo za razumevanje okolice. Biometrija se lahko izvaja z visoko občutljivim pulznim oksimetrom in senzorjem srčnega utripa. Biološke povratne zanke je mogoče zagotoviti prek zvočne vsebine ali z uporabo haptike za interakcije, ki temeljijo na dotiku. Tridimenzionalni (3D) laserski senzorji VCSEL (angl. vertical cavity side-emitting laser) s časom preleta (ToF), ki lahko snemajo s hitrostjo 30 sličic na sekundo (fps), lahko nenehno kartirajo okolje in podpirajo situacijsko zavedanje.
Metaverse je hitro se razvijajoča priložnost. Oblikovalci so včasih prisiljeni hitro razviti in integrirati potreben nabor tehnologij z nizko porabo energije za zaznavanje in povratne informacije, ki temeljijo na diskretnih rešitvah, pri čemer morajo še vedno upoštevati omejitve glede časa do uvedbe na trg in stroškov razvoja. Poleg tega se številne naprave metaverse napajajo iz baterij, zato so rešitve z nizko porabo energije nujne.
Za reševanje teh izzivov lahko oblikovalci uporabijo integrirane rešitve, ki podpirajo visoko občutljivo zaznavanje pulznega oksimetra in srčnega utripa, zagotavljajo visoko učinkovit zvok razreda D in haptične povratne informacije ter uporabljajo rešitev 3D zaznavanja ToF na osnovi VCSEL, ki lahko zazna položaj in velikost predmetov z visoko stopnjo zrnatosti – tudi pod močno svetlobo okolice.
Ta članek obravnava delovanje senzorjev pulznega oksimetra in srčnega utripa, preučuje, kako lahko ojačevalniki D razreda zagotavljajo visokokakovostne povratne informacije zvoka z zelo majhno porabo energije, in predstavlja vrsto energetsko učinkovitih integriranih vezij podjetja Analog Devices za biometrijo, biološke povratne zanke in situacijsko zavedanje, skupaj s pripadajočimi ocenjevalnimi ploščami.
Pogoji zaznavanje biometrije
Fotopletizmogram (PPG) meri spremembe volumna krvi na mikrovaskularni ravni in se pogosto uporablja za uvajanje pulznega oksimetra in monitorja srčnega utripa. PPG z laserji osvetljuje kožo in meri spremembe v absorpciji (ali odboju) svetlobe pri določenih valovnih dolžinah. Tako dobljeni PPG signal vključuje enosmerni (DC) in izmenični (AC) tok. Stalna odbojnost kože, mišic, kosti in venske krvi oddaja enosmerni signal. Pulziranje srčnega utripa arterijske krvi je glavni vir izmeničnega signala. Več svetlobe se odbije v sistolični (črpalni) fazi kot v diastolični (relaksacijski) fazi (slika 1).
Razmerje med pulzirajočim (AC signal) in nepulzirajočim (DC signal) pretokom krvi v PPG signalu je perfuzijski indeks (PI). Z uporabo PI z različnimi valovnimi dolžinami je mogoče oceniti raven nasičenosti krvi s kisikom (SpO2). Načrtovanje PPG sistema za maksimiranje PI razmerij poveča natančnost ocen SpO2. PI razmerja je mogoče povečati z izboljšano mehansko zasnovo in natančnejšimi izvedbami senzorjev.
Za PPG sisteme se lahko uporabljajo transmisivne in refleksivne arhitekture (slika 2). Prepustni sistem se uporablja na delih telesa, skozi katere svetloba zlahka prehaja, kot so ušesne mečice in konice prstov. Te konfiguracije lahko povečajo PI za 40 do 60 decibelov (dB). V odsevnem PPG-ju sta fotodetektor in LED-ica nameščena drug ob drugem. Odsevne PPG-je se lahko uporablja na zapestju, prsih ali drugih delih. Uporaba refleksijske zasnove zmanjša PI razmerja in zahteva uporabo zmogljivejšega analognega vmesnika (AFE) na senzorju. Razmik je ključnega pomena tudi zato, da se prepreči zasičenje AFE sistema. Poleg mehanskega in električnega načrtovanja je lahko velik izziv tudi razvoj programske opreme za pravilno interpretacijo PI signalov.
Dodaten izziv pri načrtovanju PPG sistemov predstavlja potreba po upoštevanju morebitnega gibanja uporabnika med merjenjem. Gibanje lahko povzroči pritiske, ki spremenijo širino arterij in ven, kar vpliva na njihovo interakcijo s svetlobo, zaradi česar se spremenijo PI signali. Ker se PPG signali in tipični artefakti gibanja nahajajo v podobnih frekvenčnih območjih, učinkov gibanja ni mogoče preprosto izločiti. Namesto tega se lahko za merjenje gibanja uporabi merilnik pospeška, ki omogoča izničevanje gibanja.
Nadzorovanje SpO2 in srčnega utripa
Za oblikovalce, ki morajo implementirati SPO2 in spremljanje srčnega utripa, družba Analog Devices ponuja referenčno zasnovo MAXREFDES220#, ki zagotavlja veliko potrebnega za hiter prototip rešitve, kar vključuje:
- Integrirani modul za pulzno oksimetrijo in spremljanje srčnega utripa MAX30101. Ta modul vključuje notranje LED-ice, fotodetektorje, optične elemente, visokozmogljiv AFE in drugoelektroniko z nizko stopnjo glasnosti ter preprečevanje svetlobe iz okolice.
- Vozlišče biometričnega senzorja MAX32664, zasnovano za uporabo z MAX30101. Vključuje algoritme za izvajanje spremljanja SPO2 in srčnega utripa ter ima I2C vmesnik za komunikacijo z gostiteljsko mikrokontrolersko enoto (MCU). Algoritmi podpirajo tudi integracijo merilnika pospeška za korekcijo gibanja.
- Triosni merilnik pospeška ADXL362, ki porabi manj kot 2 mikroampera (µA) pri izhodni hitrosti podatkov 100 Hz in 270 nanoamperov (nA) v načinu prebujanja, ki ga sproži gibanje.
Razred D za avdio povratno zanko
Avdio povratne zanke so lahko priložnost za bistvene interakcije z uporabniki. Lahko pa tudi poslabšajo kvaliteto izkušnje, če je kvaliteta zvoka slaba. Mikro zvočnike, ki se uporabljajo v tipičnih nosljivih okoljih in okoljih VR/MR/AR/XR, je lahko težko učinkovito in uspešno uporabljati. Eden od načinov za reševanje tega problema je uporaba pametnega ojačevalnika razreda D z visokim izkoristkom, z vgrajenim pretvornikom navzgor in skaliranjem napetosti za večji izkoristek pri nizki izhodni moči. Vgrajena funkcija pametnega ojačenja lahko poveča raven zvočnega tlaka (SPL) in odzivnost nizkih tonov za bogatejši in bolj realističen zvok.
Načrtovanje pametnega ojačenja je zapleten proces, vendar so na voljo ojačevalniki z vgrajenimi digitalnimi signalnimi procesorji (DSP), ki samodejno izvajajo pametno ojačenje in zagotavljajo boljše delovanje zvočnikov, vključno z zaznavanjem tokovne napetosti (IV) za nadzor izhodne moči in preprečevanje poškodb zvočnikov. S pametnim ojačenjem lahko mikro zvočniki varno zagotavljajo višjo raven SPL in večjo odzivnost nizkih tonov. Na voljo so integrirane rešitve, ki povečajo SPL za 6 do 8 dB in razširijo nizke tone do ene četrtine resonančne frekvence (slika 3).
Ojačevalnik razreda D za avdio povratno zanko
MAX98390CEWX+T je pametni ojačevalnik razreda D z visokim izkoristkom, vgrajenim pretvornikom navzgor in sistemom Dynamic Speaker Management (DSM) družbe Analog Devices za vrhunski zvok, ki lahko podpira kakovostne in učinkovite povratne informacije zvoka. Ta ojačevalnik vključuje skaliranje napetosti za visoko učinkovitost pri nizki izhodni moči. Poleg tega pretvornik navzgor deluje pri napetosti baterije do 2,65 V in ima izhod, ki ga je mogoče programirati od 6,5 do 10 V v korakih po 0,125 V. Pretvornik navzgor vključuje sledenje ovojnice za prilagajanje izhodne napetosti za največjo učinkovitost in obvodni način za delovanje z nizkim mirujočim tokom.
Ta izboljšani ojačevalnik lahko v 4 Ohm (Ω) zvočnik z impulzom odda do 6,2 W z le 10-odstotnim skupnim harmonskim popačenjem in šumom (THD + N). Vključuje vgrajeno zaznavanje tokovne napetosti (IV) za zaščito zvočnika pred poškodbami ter podpira višje vrednosti SPL in nižje nizke tone.
Za pospešitev razvoja z MAX98390C je družba Analog Devices razvila razvojni komplet MAX98390CEVSYS#. Komplet vsebuje razvojno ploščo MAX98390C, ploščo zvočnega vmesnika, 5-voltno napajanje, mikro zvočnik, USB kabel, programsko opremo DSM Sound Studio in programsko opremo za razvoj MAX98390 (slika 4). Programska oprema DSM Sound Studio ima grafični uporabniški vmesnik (GUI), ki izvaja DSM v preprostem postopku v treh korakih. Vključuje tudi sedemminutni prikaz vpliva programske opreme DSM z uporabo mikro zvočnika.
Haptika za otipne povratne informacije
Oblikovalci sistemov, ki se zanašajo na haptične povratne informacije, da bi pritegnili uporabnike, lahko uporabijo visoko učinkovit krmilnik MAX77501EWV+ za piezoelektrične aktuatorje. Optimiziran je za krmiljenje do 2 mikrofaradnih (µF) piezoelementov in z napajalno napetostjo od 2,8 do 5,5 volta ustvarja enojno haptično valovno obliko do 110 voltov od vrha do vrha (Vpk-pk). Deluje lahko v pomnilniškem načinu predvajanja z vnaprej posnetimi oblikami valov ali pa uporablja oblike valov v realnem času, ki jih posreduje mikrokontrolerska enota (MCU). Več oblik valovanja je mogoče dinamično dodeliti v vgrajeni pomnilnik, ki lahko služi kot medpomnilnik po načelu “prvi noter, prvi ven” (FIFO) za pretakanje v realnem času.
Vgrajeni serijski periferni vmesnik (SPI) omogoča popoln dostop do sistema in nadzor nad njim, vključno s poročanjem o napakah in spremljanjem. Omogoča tudi predvajanje po 600 mikrosekundah (µs) zagona po izklopu. Za zagotavljanje visoke učinkovitosti in najdaljše življenjske dobe baterije ima ta gonilnik krmilnika arhitekturo z izjemno nizko porabo energije, s tokom pripravljenosti 75 μA in tokom izklopa 1 μA.
Za raziskovanje zmogljivosti piezoelektričnega gonilnika MAX77501 lahko oblikovalci uporabijo razvojni komplet MAX77501EVKIT#, ki je v celoti sestavljen in preizkušen. Komplet omogoča enostavno preizkušanje gonilnika MAX77501 in njegove zmožnosti, da preko keramičnega piezoelektričnega gonilnika poganja velik haptični signal. Komplet vključuje programsko opremo z grafičnim uporabniškim vmesnikom, ki temelji na operacijskem sistemu Windows in omogoča raziskovanje vseh funkcij MAX77501.
Čas preleta (ToF) za situacijsko zavedanje
Situacijsko zavedanje je lahko pomemben vidik okolij VR/MR/AR/XR. Ocenjevalna platforma AD-96TOF1-EBZ podpira ta vidik, saj vključuje ploščo laserskega oddajnika VCSEL in ploščo sprejemnika AFE za razvoj funkcij zaznavanja globine ToF (slika 5). S povezavo te razvojne platforme s procesorsko ploščo iz ekosistema 96Boards ali družine Raspberry Pi je oblikovalcem na voljo osnovna zasnova, ki se lahko uporabi za razvoj programske opreme in algoritmov za aplikacijsko specifične izvedbe ToF z visoko stopnjo 3D-granularnosti. Sistem lahko zaznava predmete in jih oddaljuje pod močno svetlobo okolice ter ima več načinov zaznavanja oddaljenosti za optimizirano delovanje. Vključeni komplet za razvoj programske opreme (SDK) zagotavlja ovoje OpenCV, Python, MATLAB, Open3D in RoS za večjo prilagodljivost.
Zaključek
Ustvarjanje pristnih in interaktivnih okolij za metaverse je zapletena in dolgotrajna naloga. Da bi pospešili postopek, se lahko oblikovalci obrnejo na celotno paleto kompaktnih in energetsko učinkovitih rešitev družbe Analog Devices, vključno z razvojnimi platformami za biometrično zaznavanje, biološke povratne zanke in sisteme situacijskega zavedanja.
Priporočeno branje:
- How to Use High Accuracy Digital Temperature Sensors in Health Monitoring Wearables [1]
- Use a Biosensing Module to Develop Health and Fitness Wearables [2]
- How to Optimize SWaP in High-Performance RF Signal Chains [3]
Viri:
https://www.digikey.si/en/articles/how-to-use-high-accuracy-digital-temperature-sensors-in-health-monitoring-wearables
https://www.digikey.si/en/articles/use-a-biosensing-module-to-develop-health-and-fitness-wearables
https://www.digikey.si/en/articles/how-to-optimize-swap-in-high-performance-rf-signal-chains
