作者：Jeff Shepard

　　為虛擬世界創(chuàng)建沉浸式虛擬現(xiàn)實 (VR)、混合現(xiàn)實 (MR)、增強現(xiàn)實 (AR) 和擴展現(xiàn)實 (XR) 環(huán)境是一項復雜的任務。為了幫助創(chuàng)建這些環(huán)境，設計人員可以受益于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互動，以及使用情境分析來了解周圍環(huán)境。生物識別可以通過高靈敏度脈搏血氧儀和心率傳感器來實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^音頻內容或使用觸覺進行基于觸摸的交互來提供生物反饋。最后，三維 (3D) 垂直腔側發(fā)射激光 (VCSEL) 飛行時間 (ToF) 傳感器能夠以每秒 30 幀 (fps) 的速度進行記錄，可以持續(xù)映射環(huán)境并支持態(tài)勢感知。

　　元宇宙是一個快速發(fā)展的機會。設計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，同時還要滿足上市時間和開發(fā)成本限制。此外，許多 Metaverse 設備都是電池供電的，這使得低功耗解決方案成為必需。

　　為了應對這些挑戰(zhàn)，設計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 傳感解決方案來檢測物體位置和具有高粒度的尺寸——即使在強烈的環(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，用于生物識別、生物反饋和態(tài)勢感知，以及相關的評估委員會。

　　感應生物識別條件

　　光電體積描記圖 (PPG) 測量微血管水平的血容量變化，通常用于實施脈搏血氧儀和心率監(jiān)測器。 PPG 使用激光照亮皮膚并測量特定波長的光吸收(或反射)變化。生成的 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直流信號。動脈血的心率脈動是交流信號的主要來源。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 信號包括分別與組織結構和動脈血流等元素相關的直流和交流分量。 (圖片來源：Analog Devices)

　　PPG 信號中脈動(AC 信號)血流與非脈動(DC 信號)血流之比即為灌注指數(shù) (PI)。通過使用不同波長的 PI，可以估計血氧飽和度 (S p O 2 ) 的水平。設計 PPG 系統(tǒng)以最大化 PI 比率可提高 S p O 2估計的準確性。可以通過改進機械設計和更高精度的傳感器實現(xiàn)來增加 PI 比率。

　　透射式和反射式架構可用于 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。這些配置可以實現(xiàn) PI 增加 40 到 60 分貝 (dB)。在反射式 PPG 中，光電探測器和 LED 并排放置。反光 PPG 可用于手腕、胸部或其他部位。使用反射設計會降低 PI 比率，并且需要在傳感器上使用更高性能的模擬前端 (AFE)。間距對于避免 AFE 飽和也很重要。除了機械和電氣設計考慮外，開發(fā)正確解釋 PI 信號的軟件也是一項重大挑戰(zhàn)。

　　圖 2：單個 IR LED 可用于簡單的脈搏血氧儀和心率傳感器，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(tǒng)時的另一個挑戰(zhàn)是需要考慮用戶在進行測量時的任何運動。運動會產生壓力，從而改變動脈和靜脈的寬度，影響它們與光的相互作用，從而改變 PI 信號。由于 PPG 信號和典型的運動偽影都在相似的頻率范圍內，因此不可能簡單地濾除運動的影響。相反，加速度計可用于測量運動，以便能夠抵消運動。

　　監(jiān)測 S p O 2和心率

　　對于需要實施 S P O 2和心率監(jiān)測的設計人員，Analog Devices 提供了MAXREFDES220#參考設計，它提供了快速制作解決方案原型所需的大部分內容，包括：

　　MAX30101集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測模塊。該模塊包括內部 LED、光電探測器、光學元件、高性能 AFE 和其他低噪聲電子設備以及環(huán)境光抑制功能。

　　MAX32664生物識別傳感器集線器，專為與 MAX30101 配合使用而設計。它包括用于實施 S P O 2和心率監(jiān)測的算法，并且具有用于與主機微控制器單元 (MCU) 通信的I 2 C 接口。該算法還支持集成加速度計以進行運動校正。

　　ADXL362三軸加速度計在 100 赫茲 (Hz) 輸出數(shù)據速率下消耗不到 2 微安 (μA)，在運動觸發(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行強大交互的機會?；蛘撸绻糍|不佳，它可能會降低體驗質量。在典型的可穿戴和 VR/MR/AR/XR 環(huán)境中使用的微型揚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換器和電壓調節(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現(xiàn)更高效率。集成的智能放大功能可以提高聲壓級 (SPL) 以及低音響應，以獲得更豐富、更逼真的音頻。

　　設計智能放大是一個復雜的過程，但放大器帶有集成數(shù)字信號處理器 (DSP)，可自動實現(xiàn)智能放大并提供改進的揚聲器性能，包括用于控制輸出功率和防止揚聲器損壞的電流電壓 (IV) 感應。通過智能放大，微型揚聲器可以安全地提供更高的 SPL 和增強的低音響應。集成解決方案可提供 6 至 8 dB 的 SPL 提升，并將低音響應擴展至共振頻率的四分之一(圖 3)。

　　圖 3：采用 DG 類設計的智能放大可以安全有效地支持微型揚聲器中更高的 SPL 水平和擴展的低音響應。 (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 D 類智能放大器，集成升壓轉換器和 Analog Devices 的動態(tài)揚聲器管理 (DSM)，可提供出色的音效，支持高質量、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現(xiàn)高效率。此外，升壓轉換器可在低至 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。升壓轉換器包括包絡跟蹤以調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) 揚聲器提供高達 6.2 瓦的功率，總諧波失真加噪聲 (THD+N) 僅為 10%。它包括一個集成的 IV 感應器，可保護揚聲器免受損壞，并支持更高的 SPL 和更低的低音響應。

　　為加速 MAX98390C 的開發(fā)，Analog Devices 提供了MAX98390CEVSYS#評估套件。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)，可通過簡單的三步過程實施 DSM。它還包括使用微型揚聲器對 DSM 軟件的影響進行七分鐘的演示。

　　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。 (圖片來源：Analog Devices)

　　用于觸覺反饋的觸覺

　　依靠觸覺反饋來吸引用戶的系統(tǒng)設計人員可以求助于 MAX77501EWV +用于壓電執(zhí)行器的高效控制器驅動器。它針對驅動高達 2 微法拉 (μF) 的壓電元件進行了優(yōu)化，并在 2.8 至 5.5 伏的電源電壓下生成高達 110 伏峰峰值 (Vpk-pk) 的單端觸覺波形。它可以使用預先錄制的波形在內存回放模式下運行，也可以使用從 MCU 流式傳輸?shù)膶崟r波形。多個波形可以動態(tài)分配給板載內存，它可以作為實時流的先進先出 (FIFO) 緩沖器。集成串行外設接口 (SPI) 支持完整的系統(tǒng)訪問和控制，包括故障報告和監(jiān)控。它還允許在關機后 600 微秒 (μs) 的啟動時間后進行播放。為確保高效率和最長的電池壽命，該控制器驅動器具有超低功耗升壓架構，待機電流為 75 μA，關斷電流為 1 μA。

　　為了探索 MAX77501 壓電驅動器的功能，設計人員可以使用經過全面組裝和測試的MAX77501EVKIT#評估套件。該套件可以輕松評估 MAX77501 及其通過陶瓷壓電執(zhí)行器驅動大觸覺信號的能力。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)勢感知的 ToF

　　態(tài)勢感知可能是 VR/MR/AR/XR 環(huán)境的一個重要方面。 AD -96TOF1-EBZ評估平臺通過包括用于開發(fā) ToF 深度感知功能的 VCSEL 激光發(fā)射器板和 AFE 接收器板來支持這方面(圖 5)。通過將此評估平臺與來自 96Boards 生態(tài)系統(tǒng)或 Raspberry Pi 系列的處理器板配對，設計人員可以獲得一個基準設計，該基準設計可用于為具有高水平 3D 粒度的特定應用 ToF 實現(xiàn)開發(fā)軟件和算法。該系統(tǒng)可以在強環(huán)境光條件下檢測和測距物體，并具有多種測距模式以優(yōu)化性能。隨附的軟件開發(fā)套件 (SDK) 提供 OpenCV、Python、MATLAB、Open3D 和 RoS 包裝器以增強靈活性。

　　圖 5：可以使用 AD-96TOF1-EBZ 評估平臺開發(fā)高性能 ToF 態(tài)勢感知系統(tǒng)。 (圖片來源：Analog Devices)

　　結論

　　為元宇宙創(chuàng)建身臨其境的交互式環(huán)境是一項復雜且耗時的任務。為加快這一過程，設計人員可以求助于 Analog Devices 的全套緊湊型節(jié)能解決方案，包括用于生物識別傳感、生物反饋和態(tài)勢感知系統(tǒng)的開發(fā)和評估平臺。