A biometriának, a biológiai visszajelzéseknek és a helyzet ismeretének gyors felhasználása a beleélést segítő környezetekben

A beleélést segítő, virtuális valóság (VR, virtual reality), kevert valóság (MR, mixed reality), kiterjesztett valóság (AR, augmented reality) és kibővített valóság (XR, extended reality) jellegű környezetek létrehozása a metaverzumhoz meglehetősen összetett feladat. Az ilyen környezetek létrehozása során a tervezők hasznát vehetik a biometrikus adatoknak a felhasználók reakcióinak és fizikai állapotának megértéséhez, a biológiai visszajelzésnek a felhasználóval való kapcsolattartáshoz, valamint a helyzetelemzésnek a környezet megértéséhez. A biometria nagy érzékenységű pulzoximéterrel és pulzusszám-érzékelővel valósítható meg. A biológiai visszajelzés történhet hanganyag útján vagy érintésalapú párbeszédes műveletek esetében tapintással érzékelhető módon. Végül pedig a 30 képkocka/másodperc (fps, frames per second) sebességű képrögzítésre alkalmas háromdimenziós (3D) függőleges üregű, oldalra sugárzó lézeres (VCSEL ([e.: vikszel]) visszaverődésiidő-mérő (ToF, time-of-flight) érzékelők képesek folyamatosan feltérképezni a környezetet, és segíteni a helyzetmeghatározást.

A metaverzum egy gyorsan fejlődő lehetőség. A tervezőkre nagy nyomás nehezedhet, hogy gyorsan fejlesszék ki és építsék be az eszközökbe a diszkrét megoldásokon alapuló, kis fogyasztású érzékelő- és visszajelző technikák szükséges széles skáláját, és közben feleljenek meg a piacra kerülési időre és a fejlesztési költségekre vonatkozó korlátozásoknak is. Emellett számos metaverzumeszköz akkumulátorról működik, ami kis fogyasztású megoldásokat tesz szükségessé.

Ezeknek a feladatoknak a megoldására a tervezők használhatnak olyan integrált áramkörös megoldásokat, amelyek lehetővé teszik a nagy érzékenységű pulzoximéteres méréseket és pulzusszám-érzékelést, jó hatásfokú D osztályú erősítőre épülő hangalapú és tapintással érzékelhető visszajelzést kínálnak, és valami olyan VCSEL-alapú 3D-s visszaverődésiidő-méréses érzékelőtechnikát használnak, amely nagy felbontással képes érzékelni a tárgyak helyzetét és méretét, még erős környezeti megvilágítás esetén is.

Ez a cikk áttekinti a pulzoximéterek és pulzusszám-érzékelők működését, megvizsgálja, hogy lehet D osztályú erősítőkkel kiváló minőségű és nagyon kis fogyasztású hangvisszajelzést megvalósítani, valamint bemutatja az Analog Devices néhány biometriához, biológiai visszajelzéshez és a helyzetmeghatározáshoz készült energiatakarékos IC-jét és a hozzájuk kapcsolódó fejlesztőkártyákat.

A biometrikus viszonyok érzékelése

A fotopletizmogram (PPG, photoplethysmogram) a vér térfogatának változását méri mikrovaszkuláris szinten, és gyakran használják pulzoximéterekhez és pulzusszámmérőkhöz. A PPG lézerrel világítja meg a bőrt, és a fényelnyelés (vagy -visszaverődés) változását méri bizonyos hullámhosszokon. Az így kapott PPG-jel tartalmaz egyenáramú (DC) és váltakozó áramú (AC) összetevőket is. A bőr, az izom, a csont és a vénás vér állandó visszaverő képessége egyenáramú jelet eredményez. A váltakozó áramú jel elsődleges forrása az artériás vér szívritmus szerinti lüktetése. A szisztolés (pumpáló) fázisban a vér több fényt ver vissza, mint a diasztolés (elernyedt) fázisban (1. ábra).

1. ábra: A pulzoximetriában használt PPG-jel egyenáramú és váltakozó áramú összetevőket is tartalmaz, amelyek olyan elemekhez kapcsolódnak, mint a szövetszerkezet és az artériás véráramlás (ábra: Analog Devices)

A PPG-jelben a pulzáló vér (váltakozó áramú jel) és a nem pulzáló véráramlás (egyenáramú jel) aránya a perfúziós index (PI) (magyarul átáramoltatási mutató). A különböző hullámhosszú perfúziós indexek használatával megbecsülhető a vér oxigéntelítettségi szintje (S_pO₂). Ha a PPG-rendszert úgy tervezik, hogy maximálisra növelje a perfúziósindex-arányokat, azzal növelhető az S_pO₂-becslések pontossága. A perfúziósindex-arányok növelhetők jobb mechanikai kialakítással és a nagyobb pontosságú érzékelők létrehozásával.

A PPG-rendszerekhez transzmisszív (áthatoló) és reflektív (visszaverődéses) architektúrák is használhatók (2. ábra). A transzmisszív rendszert a test olyan területein használják, amelyeken a fény könnyen áthatolhat, mint például a fülcimpák és az ujjbegyek. Ezen összeállítások esetében a perfúziósindex-arányok 40–60 dB-es növekedése érhető el. A reflektív PPG-kben a fényérzékelő és a LED egymás mellett helyezkedik el. A reflektív PPG-ket a csuklón, a mellkason vagy a test más területein lehet használni. A reflexiós kialakítás használata csökkenti a perfúziósindex-arányokat, és nagyobb teljesítményű analóg bemeneti (AFE, analog front-end) áramkör használatát teszi szükségessé az érzékelőnél. Az analóg bemeneti áramkör telítődésének elkerülése érdekében a távolság is kritikus. A mechanikai és villamos tervezési szempontok mellett a perfúziósindex-jelek megfelelő értelmezéséhez szükséges szoftver kifejlesztése is jelentős kihívást jelenthet.

2. ábra: Az egyszerű pulzoximéterekben és pulzusszám-érzékelőkben egyetlen infravörös LED is használható, de több LED használatával jobb minőségű kimeneti jelet lehet előállítani (ábra: Analog Devices)

A PPG-rendszerek tervezésekor további kihívást jelent, hogy tekintettel kell lenni arra is, hogy a felhasználó mozoghat a mérés során. A mozgás olyan nyomásokat okozhat, amely megváltoztathatják az artériák és a vénák vastagságát, befolyásolva a fényre gyakorolt hatásukat, ami megváltoztatja a perfúziósindex-jeleket. Mivel a PPG-jelek és a mozgás okozta jellegzetes jelenségek hasonló frekvenciatartományokban vannak, a mozgás hatásait nem lehet egyszerűen kiszűrni. Ehelyett egy gyorsulásmérővel lehet mérni a mozgást, hogy lehetővé váljon a mozgás hatásainak kiszűrése.

A pulzusszámnak és a vér oxigéntelítettségi szintjének figyelése

A pulzusszámnak és a vér oxigéntelítettségi szintjének (S_PO₂) figyelését megvalósítani kívánó tervezők számára az Analog Devices a MAXREFDES220# referenciatervet kínálja, amely sok mindent tartalmaz, amire a készülék prototípusának gyors elkészítéséhez szükség lehet, többek között a következőket:

• MAX30101 egybeépített pulzoximetriás és pulzusszámmérő modul. Ez a modul belső LED-eket, fényérzékelőket, optikai elemeket, nagy teljesítményű analóg bemeneti áramkört (AFE) és egyéb kis zajszintű elektronikát, valamint környezetifény-tompítást (ALR, ambient light rejection) tartalmaz.
• MAX32664 biometrikus érzékelőközpont, amelyet a MAX30101 modullal való használatra terveztek. Tartalmaz a vér oxigéntelítettségi szintje és a pulzusszám figyelésére szolgáló algoritmusokat, valamint I²C illesztőfelületet a mikrovezérlő egységgel (MCU, microcontroller unit) való kommunikációhoz. Az algoritmusok a mozgás miatti helyesbítésre szolgáló gyorsulásmérő rendszerbe illesztését is támogatják.
• ADXL362 háromtengelyes gyorsulásmérő, amely kevesebb mint 2 µA áramot fogyaszt 100 Hz kimeneti adatátviteli sebesség mellett, és 270 nA-t, amikor mozgás kiváltotta ébresztést használó üzemmódban van.

D osztályú erősítős hangvisszajelzés

A hangvisszajelzés lehetőséget adhat a felhasználókkal való hathatós együttműködésre – vagy csökkentheti az élmény minőségét, ha rossz a hangminőség. A jellegzetes viselhető eszközökben található és VR/MR/AR/XR-környezetekben használt mikrohangszórók hatékony és eredményes használata komoly feladatot jelenthet. Ennek egyik megoldása a jó hatásfokú, megnövelt erősítésű D osztályú intelligens erősítő, valamint hozzá a kis kimenőteljesítmény melletti jobb hatásfok érdekében állítható kimenőfeszültségű beépített feszültségnövelő áramátalakító használata. A beépített intelligens erősítő funkció képes növelni a hangnyomásszintet (SPL, sound pressure level), valamint a gazdagabb és valósághűbb hangzás érdekében javítani a mélyhangvisszaadást.

Az intelligens erősítés tervezése összetett folyamat, de már kaphatók olyan integrált áramkörös digitális jelfeldolgozó processzorokkal (DSP, digital signal processors) ellátott erősítők, amelyek automatikusan megvalósítják az intelligens erősítést, és jobb hangszóró-teljesítményt kínálnak, beleértve az áram–feszültség (IV) érzékelést a kimeneti teljesítmény szabályozására és a hangszóró károsodásának megelőzésére. Az intelligens erősítéssel a mikrohangszórók biztonságosan képesek nagyobb hangnyomásszintet és jobb mélyhangvisszaadást nyújtani. Kaphatók olyan integrált áramkörös megoldások, amelyek 6–8 dB-es hangnyomásszint-növelést tesznek lehetővé, és a mélyhangvisszaadás a rezonanciafrekvencia egynegyedéig terjed (3. ábra).

3. ábra: A DG osztályú erősítővel megvalósított intelligens erősítés biztonságosan és jó hatásfokkal segíti a mikrohangszórók magasabb hangnyomásszintjeinek elérését és a megnövelt frekvenciatartományú mélyhangvisszaadást (ábra: Analog Devices)

Hangvisszajelzésre szolgáló D osztályú erősítő

A MAX98390CEWX+T egy jó hatásfokú D osztályú intelligens erősítő beépített feszültségnövelő áramátalakítóval és az Analog Devices dinamikus hangszóróvezérlő (DSM, Dynamic Speaker Management) funkciójával. Az így létrejövő kiváló hangzással megteremthető a kiváló minőségű és hatékony hangvisszajelzés. Ez az erősítő a kis kimeneti teljesítmény melletti jó hatásfok érdekében állítható kimenőfeszültségű. Ezenkívül a feszültségnövelő áramátalakító lefelé egészen 2,65 V-os akkumulátorfeszültségig működik, a kimenőfeszültsége pedig 6,5 V és 10 V között, 0,125 V-os lépésekben állítható. A feszültségnövelő áramátalakító a kimenőfeszültség lehető legjobb hatásfokra történő beállításához burkológörbe-követést használ, a kis nyugalmi áramú működéshez pedig megkerülő üzemmóddal is el van látva.

Ez a megnövelt erősítésű erősítő 4 Ω ellenállású hangszóróra akár 6,2 W-ot is képes leadni, mindössze 10%-os teljes harmonikus torzítás plusz zaj (THD+N, total harmonic distortion plus noise) mellett. A hangszóró károsodás elleni védelme érdekében beépített áram–feszültség (IV) érzékelőt tartalmaz, és támogatja a nagyobb hangnyomásszinteket és a mélyebb basszushangok visszaadását.

A MAX98390C használatával történő fejlesztés felgyorsításához az Analog Devices a MAX98390CEVSYS# fejlesztőkészletet kínálja. A készlet tartalmazza a MAX98390C fejlesztőkártyát, egy hangkártyát, egy 5 V-os tápegységet, egy mikrohangszórót, egy USB-kábelt, a DSM Sound Studio szoftvert és a MAX98390 kiértékelőszoftvert (4. ábra). A grafikus kezelőfelületű (GUI) DSM Sound Studio szoftver egy egyszerű, háromlépéses eljárással valósítja meg a dinamikus hangszóróvezérlést. A készlet ezenkívül tartalmaz még egy hétperces bemutatót is a DSM szoftvernek a mikrohangszóróra gyakorolt hatásáról.

4. ábra: A MAX98390CEVSYS# fejlesztőkészlet tartalmazza a D osztályú erősítős hangvisszajelző rendszerek fejlesztéséhez szükséges összes hardvert és szoftvert (kép: Analog Devices)

Érintőeszközök tapintással érzékelhető visszajelzéshez

A felhasználók bevonása érdekében tapintásos visszajelzést használó rendszerek tervezői használhatják a piezoelektromos működtetőelemekhez készült, jó hatásfokú MAX77501EWV+ vezérlőegységet. Ez maximum 2 µF kapacitású piezoelektromos elemek meghajtására van optimalizálva, és 2,8–5,5 V tápfeszültségről akár 110 V amplitúdójú (Vpp) közös földpontú hullámformát állít elő tapintással érzékelhető visszajelzésekhez. Működhet memórialejátszási üzemmódban előre felvett hullámformákkal, vagy használhatja a mikrovezérlőről kapott valós idejű hullámformákat. Több hullámforma dinamikusan hozzárendelhető az áramköri lapon lévő memóriához, amely FIFO (first-in, first-out) pufferként szolgálhat a valós idejű adatáramoltatáshoz. A beépített soros perifériás illesztőfelület (SPI, serial peripheral interface) támogatja a teljes rendszerelérést és -vezérlést, beleértve a hibajelentést és a felügyeletet is. Emellett a kikapcsolást követő 600 µs indítási idő után lehetővé teszi a lejátszást. A jó hatásfok és a lehető legnagyobb akkumulátor-üzemidő elérése érdekében ennek a vezérlőegységnek rendkívül kis fogyasztású a feszültségnövelő áramköre, 75 μA készenléti árammal és 1 μA kikapcsolási árammal.

A MAX77501 piezomeghajtó modul képességeinek felfedezéséhez a tervezők használhatják a teljesen összeszerelt és tesztelt MAX77501EVKIT# fejlesztőkészletet. A készlet lehetővé teszi a MAX77501 modulnak és a modul azon tulajdonságának egyszerű kiértékelését, hogy képes nagy tapintással érzékelhető jelet vezérelni egy kerámia piezoelektromos működtetőelemen keresztül. A készlet része egy Windows-alapú grafikus kezelőfelületű szoftver is a MAX77501 összes funkciójának felfedezéséhez.

Visszaverődésiidő-mérés a helyzetmeghatározáshoz

A helyzet ismerete fontos szempont lehet a VR/MR/AR/XR-környezetekben. Az AD-96TOF1-EBZ fejlesztőplatform úgy támogatja ezt az igényt, hogy egy VCSEL (függőleges üregű, oldalra sugárzó lézeres) lézeradó kártyát és egy analóg bemeneti (AFE) áramkörös vevőkártyát tartalmaz a visszaverődésiidő-mérésen alapuló távolságérzékelési funkciók fejlesztéséhez (5. ábra). Ezt a fejlesztőplatformot a 96Boards ökoszisztémából vagy a Raspberry Pi termékcsaládból származó processzorkártyával párosítva a tervezők olyan alapkészüléket kapnak, amely jól használható a szoftver és az algoritmusok fejlesztéséhez az alkalmazásfüggő, nagy 3D felbontású visszaverődésiidő-mérésen alapuló készülékek létrehozásához. A rendszer erős környezeti megvilágítás mellett is képes a tárgyak észlelésére és a távolságmérésére, és az optimális teljesítmény elérése érdekében több távolságmérési üzemmódja is van. A mellékelt szoftverfejlesztő készlet (SDK, software development kit) a rugalmasság növelése érdekében OpenCV-, Python-, MATLAB-, Open3D- és RoS-burkolóprogramokat tartalmaz.

5. ábra: Az AD-96TOF1-EBZ fejlesztőplatform segítségével visszaverődésiidő-mérésen alapuló nagy teljesítményű helyzetmeghatározó rendszerek fejleszthetők (kép: Analog Devices)

Összegzés

A beleélést segítő és párbeszédes környezetek létrehozása a metaverzumhoz összetett és időigényes feladat. A folyamat felgyorsítása érdekében a tervezők használhatják az Analog Devices kis méretű és energiatakarékos eszközeinek teljes skáláját, beleértve a biometrikus érzékelő-, biológiai visszajelző és helyzetmeghatározó rendszerek fejlesztésére és értékelésére szolgáló platformokat.

Ajánlott olvasnivaló

1. How to Use High Accuracy Digital Temperature Sensors in Health Monitoring Wearables (Nagy pontosságú digitális hőmérséklet-érzékelők használata a viselhető egészségfigyelő eszközökben)
2. Use a Biosensing Module to Develop Health and Fitness Wearables (Biológiai érzékelőmodulok használata egészségvédelmi és fitnesz célú viselhető eszközök fejlesztéséhez)
3. How to Optimize SWaP in High-Performance RF Signal Chains (A méret, a tömeg és a teljesítmény (SWaP) optimalizálása a nagy teljesítményű rádiófrekvenciás jelláncokban)