如何將生物識別、生物反饋和情景感知技術快速應用于沉浸式環境

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

為元宇宙創建沉浸式虛擬現實 (VR)、混合現實 (MR)、增強現實 (AR) 和擴展現實 (XR) 環境是一項復雜的任務。為了幫助創建這些環境，設計人員可以使用生物識別技術來了解用戶的反應和身體狀況，使用生物反饋來與用戶交互，并使用情景分析來了解周邊環境。生物識別可以通過高靈敏度的脈搏血氧儀和心率傳感器來實現。生物反饋可以通過音頻內容提供，或者使用觸覺技術來實現基于觸控的交互。最后，錄制速度可達 30 fps 的三維 (3D) 垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 飛行時間 (ToF) 傳感器，可以連續映射環境并支持情景感知。

元宇宙是正在快速發展的商機。設計人員可能不僅要基于分立解決方案來快速開發和集成所需的一系列低功耗傳感和反饋技術，同時還要滿足上市時間和開發成本的限制。此外，許多元宇宙設備都采用電池供電，因此需要低功耗解決方案。

為了應對這些挑戰，設計人員可以利用集成解決方案，這些方案支持高靈敏度脈搏血氧儀和心率感測、提供高效的 D 類音頻和觸覺反饋，并利用即使在強環境光照條件下也能以高粒度檢測物體位置和大小的 VCSEL 型 3D ToF 傳感解決方案。

本文將介紹脈搏血氧儀和心率傳感器的工作方式、探討 D 類放大器如何能夠提供高質量且極低功耗的音頻反饋，并展示 [Analog Devices]的一系列高能效生物識別、生物反饋和情景感知 IC，以及相關的評估板。

感測生物識別條件

光電容積描記法 (PPG) 測量微血管水平的血容量變化，通常用于脈搏血氧儀和心率監測儀。PPG 使用激光照射皮膚并測量特定波長的光吸收（或反射）變化。產生的 PPG 信號包括直流 (DC) 和交流 (AC) 分量。皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血的恒定反射率導致產生 DC 信號。動脈血的心率脈動是 AC 信號的主要來源。心臟收縮（泵送）階段的反射光多于心臟舒張（松弛）階段（圖 1）。

圖 1：脈搏血氧儀中的 PPG 信號包括 DC 和 AC 分量，分別與組織結構和動脈血流等因素相關。（圖片來源：Analog Devices）

PPG 信號中的脈動（AC 信號）血流與非脈動（DC 信號）血流的比率，稱為灌注指數 (PI)。使用不同波長下的 PI，可以估算血氧飽和度 (Sp氧 2 ) 水平。設計 PPG 系統時最大限度提高 PI 比值，可提高 Sp氧2的估算精確度。PI 比值可以通過改進機械設計和提高傳感器精度來提高。

透射式和反射式架構可用于 PPG 系統（圖 2）。透射式系統用于光線容易通過的人體部位，如耳垂和指尖。這些配置可使 PI 增加 40 到 60 dB。在反射式 PPG 中，光電探測器和 LED 并排放置。反射式 PPG 可用在手腕、胸部或其他部位。使用反射設計會減小 PI 比值，需要在傳感器上使用更高性能的模擬前端 (AFE)。間距對于避免 AFE 飽和也非常重要。除了機械和電氣設計方面的考慮外，開發能正確解讀 PI 信號的軟件也是一項重大挑戰。

圖 2：在簡單的脈搏血氧儀和心率傳感器中，可以使用單個紅外 LED，但使用多個 LED 可產生更高質量的輸出信號。（圖片來源：Analog Devices）

設計 PPG 系統時的另一個挑戰是需要考慮到用戶在測量期間的任何運動。運動可能產生壓力而改變動脈和靜脈的寬度，影響它們與光線的交互，從而導致 PI 信號發生變化。由于 PPG 信號和典型運動偽影都在相近頻率范圍內，因此不可能簡單地過濾掉運動的影響。但可以使用加速計來測量運動，以便能夠抵消其影響。

監測 Sp氧2和心率

針對需要實現 S磷氧2和心率監測的設計人員，Analog Devices 推出了 [MAXREFDES220#] 參考設計，提供了快速解決方案原型開發所需的大部分元器件，包括：

• [MAX30101] 集成式脈搏血氧儀和心率監測儀模塊。該模塊包括內部 LED、光電探測器、光學元件、高性能 AFE 和其他低噪聲電子元件，并具有環境光抑制功能。
• [MAX32664]生物識別傳感器中樞，旨在與 MAX30101 配合使用。其包括實現 S磷氧2和心率監測的算法，還有一個 I^2^C 接口，用于與主機微控制器單元 (MCU) 通信。這些算法還支持集成用于運動校正的加速計。
• [ADXL362] 三軸加速計，在 100 Hz 輸出數據速率下消耗的電流不到 2 μA，在運動觸發的喚醒模式下消耗的電流為 270 nA。

用于音頻反饋的 D 類放大器

音頻反饋可為用戶提供強大的交互功能。但如果音質不佳，也可能會影響體驗。在典型可穿戴設備和 VR/MR/AR/XR 環境中使用的微型揚聲器，可能難以有效和高效使用。解決這個問題的一種方法是使用高效的升壓 D 類智能放大器，并搭配集成式升壓轉換器和電壓調整功能，在低輸出功率下實現更高的效率。集成的智能放大功能可以提高聲壓級 (SPL) 并增加低音響應，從而使音頻更豐富且更真實。

設計智能放大功能是一個復雜的過程，但放大器帶有集成式數字信號處理器 (DSP)，可自動實現智能放大，并提供更好的揚聲器性能，包括電流電壓 (IV) 感測，以控制輸出功率并防止揚聲器損壞。通過智能放大功能，微型揚聲器可安全地提高 SPL 并增加低音響應。許多集成解決方案可提供 6 至 8 dB 的聲壓級提升，并將低音響應向下擴展到諧振頻率的四分之一（圖 3）。

圖 3：采用 DG 類設計的智能放大功能可安全高效地提高微型揚聲器的聲壓級并擴展低音響應。（圖片來源：Analog Devices）

用于音頻反饋的 D 類放大器

[MAX98390CEWX+T]是一款高效率 D 類智能放大器，配備集成式升壓轉換器和 Analog Devices 的動態揚聲器管理 (DSM) 技術，可提供優異的音質，并能夠支持高質量和高效的音頻反饋。這款放大器包含電壓調整功能，可在低輸出功率下實現高效率。此外，其升壓轉換器的電池工作電壓低至 2.65 V，提供 6.5 至 10 V（增量為 0.125 V）的可編程輸出。該升壓轉換器包含包絡跟蹤功能，可調整輸出電壓以實現最大效率，同時還提供用于低靜態電流運行的旁路模式。

這款升壓放大器可為 4 Ω 揚聲器提供高達 6.2 W 的功率，總諧波失真加噪聲 (THD+N) 僅為 10%。其集成 IV 感測功能，可提供保護以避免揚聲器損壞，并支持更高的聲壓級和更低的低音響應。

為了加快使用 MAX98390C 進行開發的速度，Analog Devices 提供了 [MAX98390CEVSYS#]評估套件。該套件包括 MAX98390C 開發板、音頻接口板、5 V 電源、微型揚聲器、USB 電纜、[DSM Sound Studio] 軟件和 MAX98390 評估軟件（圖 4）。DSM Sound Studio 軟件具有圖形用戶界面 (GUI)，可通過簡單的三個步驟實現 DSM。此外，該軟件還隨附 7 分鐘演示視頻，使用微型揚聲器展示 DSM 軟件的影響。

圖 4：MAX98390CEVSYS# 套件包括了開發 D 類音頻反饋系統需要的所有硬件和軟件。（圖片來源：Analog Devices）

用于觸覺反饋的觸控技術

在設計依靠觸覺反饋與用戶進行交互的系統中，設計人員可利用 [MAX77501EWV+]高效控制器驅動器實現壓電致動器。該驅動器針對驅動高達 2 μF 的壓電元件進行了優化，可在 2.8 至 5.5 V 的電源電壓下，產生高達 110 V 峰峰值電壓 (Vpk-pk) 的單端觸覺波形。其可以使用預先錄制的波形在存儲回放模式下工作，也可以使用從 MCU 流傳輸的實時波形。多個波形可以動態地分配到板載存儲器中，該存儲器可作為實時流傳輸的先進先出 (FIFO) 緩沖器。其利用集成式串行外設接口 (SPI)，支持完整的系統訪問和控制，包括故障報告和監控。此外，它還允許在開機的 600 μs 啟動時間后進行回放。為了確保高效率和最長的電池壽命，該控制器驅動器采用了超低功耗的升壓架構，待機電流為 75 μA，關斷電流為 1 μA。

要探索 MAX77501 壓電驅動器的功能，設計人員可以使用經過完全組裝和測試的 [MAX77501EVKIT#] 評估套件。使用該套件可輕松評估 MAX77501 及其通過陶瓷壓電致動器來驅動大觸覺信號的能力。該套件包括基于 Windows 的 GUI 軟件，可用于探索 MAX77501 的全部功能。

用于情景感知的 ToF 技術

情景感知可能成為 VR/MR/AR/XR 環境的一個重要方面。[AD-96TOF1-EBZ]評估平臺包括用于開發 ToF 深度感知功能的 VCSEL 激光發射器板和 AFE 接收器板，因而可以支持情景感知（圖 5）。通過將該評估平臺與 96Boards 生態系統或 Raspberry Pi 系列的處理器板配對，可為設計人員提供用于開發軟件和算法的基線設計，以高 3D 粒度實現應用特定的 ToF。該系統可在強烈環境光照條件下對物體進行檢測和測距，并提供多種測距模式以優化性能。附帶的軟件開發套件 (SDK) 提供 OpenCV、Python、MATLAB、Open3D 和 RoS 包裝器，以增強靈活性。

圖 5：使用 AD-96TOF1-EBZ 評估平臺可以開發高性能 ToF 情景感知系統。（圖片來源：Analog Devices）

總結

為元宇宙創建沉浸式交互環境是一項復雜而耗時的任務。為了加快這一過程，設計人員可以借助 Analog Devices 提供的一整套緊湊型高能效解決方案，包括用于生物識別感測、生物反饋和情景感知系統的開發和評估平臺。