作者：Jeff Shepard

　　為虛擬世界創(chuàng)建沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)、混合現(xiàn)實(shí) (MR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí) (XR) 環(huán)境是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。為了幫助創(chuàng)建這些環(huán)境，設(shè)計(jì)人員可以受益于使用生物識(shí)別技術(shù)來(lái)了解用戶的反應(yīng)和身體狀況，使用生物反饋來(lái)與用戶互動(dòng)，以及使用情境分析來(lái)了解周圍環(huán)境。生物識(shí)別可以通過高靈敏度脈搏血氧儀和心率傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以通過音頻內(nèi)容或使用觸覺進(jìn)行基于觸摸的交互來(lái)提供生物反饋。最后，三維 (3D) 垂直腔側(cè)發(fā)射激光 (VCSEL) 飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器能夠以每秒 30 幀 (fps) 的速度進(jìn)行記錄，可以持續(xù)映射環(huán)境并支持態(tài)勢(shì)感知。

　　元宇宙是一個(gè)快速發(fā)展的機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)人員可能被迫基于分立解決方案快速開發(fā)和集成所需的一系列低功耗傳感和反饋技術(shù)，同時(shí)還要滿足上市時(shí)間和開發(fā)成本限制。此外，許多 Metaverse 設(shè)備都是電池供電的，這使得低功耗解決方案成為必需。

　　為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以利用支持高靈敏度脈搏血氧儀和心率傳感的集成解決方案，提供高效 D 類音頻和觸覺反饋，并利用基于 VCSEL 的 3D ToF 傳感解決方案來(lái)檢測(cè)物體位置和具有高粒度的尺寸——即使在強(qiáng)烈的環(huán)境光條件下。

　　本文回顧了脈搏血氧儀和心率傳感器的工作原理，探討了 D 類放大器如何提供高質(zhì)量和極低功耗的音頻反饋，并介紹了Analog Devices的一系列高能效 IC，用于生物識(shí)別、生物反饋和態(tài)勢(shì)感知，以及相關(guān)的評(píng)估委員會(huì)。

　　感應(yīng)生物識(shí)別條件

　　光電體積描記圖 (PPG) 測(cè)量微血管水平的血容量變化，通常用于實(shí)施脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)器。 PPG 使用激光照亮皮膚并測(cè)量特定波長(zhǎng)的光吸收(或反射)變化。生成的 PPG 信號(hào)包括直流 (DC) 和交流 (AC) 分量。皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血的恒定反射率導(dǎo)致直流信號(hào)。動(dòng)脈血的心率脈動(dòng)是交流信號(hào)的主要來(lái)源。與舒張(松弛)相相比，收縮(泵)相反射的光更多(圖 1)。

　　圖 1：脈搏血氧儀中的 PPG 信號(hào)包括分別與組織結(jié)構(gòu)和動(dòng)脈血流等元素相關(guān)的直流和交流分量。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　PPG 信號(hào)中脈動(dòng)(AC 信號(hào))血流與非脈動(dòng)(DC 信號(hào))血流之比即為灌注指數(shù) (PI)。通過使用不同波長(zhǎng)的 PI，可以估計(jì)血氧飽和度 (S p O 2 ) 的水平。設(shè)計(jì) PPG 系統(tǒng)以最大化 PI 比率可提高 S p O 2估計(jì)的準(zhǔn)確性。可以通過改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)和更高精度的傳感器實(shí)現(xiàn)來(lái)增加 PI 比率。

　　透射式和反射式架構(gòu)可用于 PPG 系統(tǒng)(圖 2)。透射系統(tǒng)用于光線容易穿過的身體部位，例如耳垂和指尖。這些配置可以實(shí)現(xiàn) PI 增加 40 到 60 分貝 (dB)。在反射式 PPG 中，光電探測(cè)器和 LED 并排放置。反光 PPG 可用于手腕、胸部或其他部位。使用反射設(shè)計(jì)會(huì)降低 PI 比率，并且需要在傳感器上使用更高性能的模擬前端 (AFE)。間距對(duì)于避免 AFE 飽和也很重要。除了機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)考慮外，開發(fā)正確解釋 PI 信號(hào)的軟件也是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

　　圖 2：?jiǎn)蝹€(gè) IR LED 可用于簡(jiǎn)單的脈搏血氧儀和心率傳感器，但使用多個(gè) LED 可產(chǎn)生更高質(zhì)量的輸出信號(hào)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　設(shè)計(jì) PPG 系統(tǒng)時(shí)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要考慮用戶在進(jìn)行測(cè)量時(shí)的任何運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生壓力，從而改變動(dòng)脈和靜脈的寬度，影響它們與光的相互作用，從而改變 PI 信號(hào)。由于 PPG 信號(hào)和典型的運(yùn)動(dòng)偽影都在相似的頻率范圍內(nèi)，因此不可能簡(jiǎn)單地濾除運(yùn)動(dòng)的影響。相反，加速度計(jì)可用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)，以便能夠抵消運(yùn)動(dòng)。

　　監(jiān)測(cè) S p O 2和心率

　　對(duì)于需要實(shí)施 S P O 2和心率監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)人員，Analog Devices 提供了MAXREFDES220#參考設(shè)計(jì)，它提供了快速制作解決方案原型所需的大部分內(nèi)容，包括：

　　MAX30101集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)模塊。該模塊包括內(nèi)部 LED、光電探測(cè)器、光學(xué)元件、高性能 AFE 和其他低噪聲電子設(shè)備以及環(huán)境光抑制功能。

　　MAX32664生物識(shí)別傳感器集線器，專為與 MAX30101 配合使用而設(shè)計(jì)。它包括用于實(shí)施 S P O 2和心率監(jiān)測(cè)的算法，并且具有用于與主機(jī)微控制器單元 (MCU) 通信的I 2 C 接口。該算法還支持集成加速度計(jì)以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校正。

　　ADXL362三軸加速度計(jì)在 100 赫茲 (Hz) 輸出數(shù)據(jù)速率下消耗不到 2 微安 (μA)，在運(yùn)動(dòng)觸發(fā)喚醒模式下消耗 270 納安 (nA) 。

　　D類音頻反饋

　　音頻反饋可以提供與用戶進(jìn)行強(qiáng)大交互的機(jī)會(huì)。或者，如果音質(zhì)不佳，它可能會(huì)降低體驗(yàn)質(zhì)量。在典型的可穿戴和 VR/MR/AR/XR 環(huán)境中使用的微型揚(yáng)聲器可能難以有效且高效地使用。解決此問題的一種方法是使用具有集成升壓轉(zhuǎn)換器和電壓調(diào)節(jié)功能的高效率升壓 D 類智能放大器，以在低輸出功率下實(shí)現(xiàn)更高效率。集成的智能放大功能可以提高聲壓級(jí) (SPL) 以及低音響應(yīng)，以獲得更豐富、更逼真的音頻。

　　設(shè)計(jì)智能放大是一個(gè)復(fù)雜的過程，但放大器帶有集成數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能放大并提供改進(jìn)的揚(yáng)聲器性能，包括用于控制輸出功率和防止揚(yáng)聲器損壞的電流電壓 (IV) 感應(yīng)。通過智能放大，微型揚(yáng)聲器可以安全地提供更高的 SPL 和增強(qiáng)的低音響應(yīng)。集成解決方案可提供 6 至 8 dB 的 SPL 提升，并將低音響應(yīng)擴(kuò)展至共振頻率的四分之一(圖 3)。

　　圖 3：采用 DG 類設(shè)計(jì)的智能放大可以安全有效地支持微型揚(yáng)聲器中更高的 SPL 水平和擴(kuò)展的低音響應(yīng)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　用于音頻反饋的 D 類放大器

　　MAX98390CEWX +T是一款高效 D 類智能放大器，集成升壓轉(zhuǎn)換器和 Analog Devices 的動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器管理 (DSM)，可提供出色的音效，支持高質(zhì)量、高效的音頻反饋。該放大器包括電壓縮放功能，可在低輸出功率下實(shí)現(xiàn)高效率。此外，升壓轉(zhuǎn)換器可在低至 2.65 伏的電池電壓下工作，并具有可編程的輸出，范圍為 6.5 至 10 伏，增量為 0.125 伏。升壓轉(zhuǎn)換器包括包絡(luò)跟蹤以調(diào)整輸出電壓以獲得最大效率，以及用于低靜態(tài)電流操作的旁路模式。

　　這款升壓放大器可為 4 歐姆 (Ω) 揚(yáng)聲器提供高達(dá) 6.2 瓦的功率，總諧波失真加噪聲 (THD+N) 僅為 10%。它包括一個(gè)集成的 IV 感應(yīng)器，可保護(hù)揚(yáng)聲器免受損壞，并支持更高的 SPL 和更低的低音響應(yīng)。

　　為加速 MAX98390C 的開發(fā)，Analog Devices 提供了MAX98390CEVSYS#評(píng)估套件。該套件包括 MAX98390C 開發(fā)板、音頻接口板、5 伏電源、微型揚(yáng)聲器、USB 電纜、DSM Sound Studio軟件和 MAX98390 評(píng)估軟件(圖 4)。 DSM Sound Studio 軟件具有圖形用戶界面 (GUI)，可通過簡(jiǎn)單的三步過程實(shí)施 DSM。它還包括使用微型揚(yáng)聲器對(duì) DSM 軟件的影響進(jìn)行七分鐘的演示。

　　圖 4：MAX98390CEVSYS# 套件包括開發(fā) D 類音頻反饋系統(tǒng)所需的所有硬件和軟件。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　用于觸覺反饋的觸覺

　　依靠觸覺反饋來(lái)吸引用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以求助于 MAX77501EWV +用于壓電執(zhí)行器的高效控制器驅(qū)動(dòng)器。它針對(duì)驅(qū)動(dòng)高達(dá) 2 微法拉 (μF) 的壓電元件進(jìn)行了優(yōu)化，并在 2.8 至 5.5 伏的電源電壓下生成高達(dá) 110 伏峰峰值 (Vpk-pk) 的單端觸覺波形。它可以使用預(yù)先錄制的波形在內(nèi)存回放模式下運(yùn)行，也可以使用從 MCU 流式傳輸?shù)膶?shí)時(shí)波形。多個(gè)波形可以動(dòng)態(tài)分配給板載內(nèi)存，它可以作為實(shí)時(shí)流的先進(jìn)先出 (FIFO) 緩沖器。集成串行外設(shè)接口 (SPI) 支持完整的系統(tǒng)訪問和控制，包括故障報(bào)告和監(jiān)控。它還允許在關(guān)機(jī)后 600 微秒 (μs) 的啟動(dòng)時(shí)間后進(jìn)行播放。為確保高效率和最長(zhǎng)的電池壽命，該控制器驅(qū)動(dòng)器具有超低功耗升壓架構(gòu)，待機(jī)電流為 75 μA，關(guān)斷電流為 1 μA。

　　為了探索 MAX77501 壓電驅(qū)動(dòng)器的功能，設(shè)計(jì)人員可以使用經(jīng)過全面組裝和測(cè)試的MAX77501EVKIT#評(píng)估套件。該套件可以輕松評(píng)估 MAX77501 及其通過陶瓷壓電執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)大觸覺信號(hào)的能力。該套件包括基于 Windows 的 GUI 軟件，用于探索 MAX77501 的所有特性。

　　用于態(tài)勢(shì)感知的 ToF

　　態(tài)勢(shì)感知可能是 VR/MR/AR/XR 環(huán)境的一個(gè)重要方面。 AD -96TOF1-EBZ評(píng)估平臺(tái)通過包括用于開發(fā) ToF 深度感知功能的 VCSEL 激光發(fā)射器板和 AFE 接收器板來(lái)支持這方面(圖 5)。通過將此評(píng)估平臺(tái)與來(lái)自 96Boards 生態(tài)系統(tǒng)或 Raspberry Pi 系列的處理器板配對(duì)，設(shè)計(jì)人員可以獲得一個(gè)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，該基準(zhǔn)設(shè)計(jì)可用于為具有高水平 3D 粒度的特定應(yīng)用 ToF 實(shí)現(xiàn)開發(fā)軟件和算法。該系統(tǒng)可以在強(qiáng)環(huán)境光條件下檢測(cè)和測(cè)距物體，并具有多種測(cè)距模式以優(yōu)化性能。隨附的軟件開發(fā)套件 (SDK) 提供 OpenCV、Python、MATLAB、Open3D 和 RoS 包裝器以增強(qiáng)靈活性。

　　圖 5：可以使用 AD-96TOF1-EBZ 評(píng)估平臺(tái)開發(fā)高性能 ToF 態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　結(jié)論

　　為元宇宙創(chuàng)建身臨其境的交互式環(huán)境是一項(xiàng)復(fù)雜且耗時(shí)的任務(wù)。為加快這一過程，設(shè)計(jì)人員可以求助于 Analog Devices 的全套緊湊型節(jié)能解決方案，包括用于生物識(shí)別傳感、生物反饋和態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的開發(fā)和評(píng)估平臺(tái)。