作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

為元宇宙創(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)人員可以使用生物識別技術(shù)來了解用戶的反應(yīng)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(huán)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(shí)現(xiàn)。生物反饋可以通過音頻內(nèi)容提供，或者使用觸覺技術(shù)來實(shí)現(xiàn)基于觸控的交互。最后，錄制速度可達(dá) 30 fps 的三維 (3D) 垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器，可以連續(xù)映射環(huán)境并支持情景感知。

元宇宙是正在快速發(fā)展的商機(jī)。設(shè)計(jì)人員可能不僅要基于分立解決方案來快速開發(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)成本的限制。此外，許多元宇宙設(shè)備都采用電池供電，因此需要低功耗解決方案。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)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(qiáng)環(huán)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(zhì)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(guān)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(jiān)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(chǎn)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(dǎo)致產(chǎn)生 DC 信號。動(dòng)脈血的心率脈動(dòng)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(jié)構(gòu)和動(dòng)脈血流等因素相關(guān)。（圖片來源：Analog Devices）

PPG 信號中的脈動(dòng)（AC 信號）血流與非脈動(dòng)（DC 信號）血流的比率，稱為灌注指數(shù) (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(shè)計(jì) PPG 系統(tǒng)時(shí)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(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)和提高傳感器精度來提高。

透射式和反射式架構(gòu)可用于 PPG 系統(tǒng)（圖 2）。透射式系統(tǒng)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(shè)計(jì)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(jī)械和電氣設(shè)計(jì)方面的考慮外，開發(fā)能正確解讀 PI 信號的軟件也是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

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

設(shè)計(jì) PPG 系統(tǒng)時(shí)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要考慮到用戶在測量期間的任何運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生壓力而改變動(dòng)脈和靜脈的寬度，影響它們與光線的交互，從而導(dǎo)致 PI 信號發(fā)生變化。由于 PPG 信號和典型運(yùn)動(dòng)偽影都在相近頻率范圍內(nèi)，因此不可能簡單地過濾掉運(yùn)動(dòng)的影響。但可以使用加速計(jì)來測量運(yùn)動(dòng)，以便能夠抵消其影響。

監(jiān)測 Sp氧2和心率

針對需要實(shí)現(xiàn) S磷氧2和心率監(jiān)測的設(shè)計(jì)人員，Analog Devices 推出了 [MAXREFDES220#] 參考設(shè)計(jì)，提供了快速解決方案原型開發(fā)所需的大部分元器件，包括：

• [MAX30101] 集成式脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀模塊。該模塊包括內(nèi)部 LED、光電探測器、光學(xué)元件、高性能 AFE 和其他低噪聲電子元件，并具有環(huán)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(shí)現(xiàn) S磷氧2和心率監(jiān)測的算法，還有一個(gè) I^2^C 接口，用于與主機(jī)微控制器單元 (MCU) 通信。這些算法還支持集成用于運(yùn)動(dòng)校正的加速計(jì)。
• [ADXL362] 三軸加速計(jì)，在 100 Hz 輸出數(shù)據(jù)速率下消耗的電流不到 2 μA，在運(yùn)動(dòng)觸發(fā)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(qiáng)大的交互功能。但如果音質(zhì)不佳，也可能會影響體驗(yàn)。在典型可穿戴設(shè)備和 VR/MR/AR/XR 環(huán)境中使用的微型揚(yáng)聲器，可能難以有效和高效使用。解決這個(gè)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(zhuǎn)換器和電壓調(diào)整功能，在低輸出功率下實(shí)現(xiàn)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(yīng)，從而使音頻更豐富且更真實(shí)。

設(shè)計(jì)智能放大功能是一個(gè)復(fù)雜的過程，但放大器帶有集成式數(shù)字信號處理器 (DSP)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能放大，并提供更好的揚(yáng)聲器性能，包括電流電壓 (IV) 感測，以控制輸出功率并防止揚(yáng)聲器損壞。通過智能放大功能，微型揚(yáng)聲器可安全地提高 SPL 并增加低音響應(yīng)。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(yīng)向下擴(kuò)展到諧振頻率的四分之一（圖 3）。

圖 3：采用 DG 類設(shè)計(jì)的智能放大功能可安全高效地提高微型揚(yáng)聲器的聲壓級并擴(kuò)展低音響應(yīng)。（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(zhuǎn)換器和 Analog Devices 的動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器管理 (DSM) 技術(shù)，可提供優(yōu)異的音質(zhì)，并能夠支持高質(zhì)量和高效的音頻反饋。這款放大器包含電壓調(diào)整功能，可在低輸出功率下實(shí)現(xiàn)高效率。此外，其升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器包含包絡(luò)跟蹤功能，可調(diào)整輸出電壓以實(shí)現(xiàn)最大效率，同時(shí)還提供用于低靜態(tài)電流運(yùn)行的旁路模式。

這款升壓放大器可為 4 Ω 揚(yáng)聲器提供高達(dá) 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(hù)以避免揚(yáng)聲器損壞，并支持更高的聲壓級和更低的低音響應(yīng)。

為了加快使用 MAX98390C 進(jìn)行開發(fā)的速度，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 V 電源、微型揚(yáng)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(gè)步驟實(shí)現(xiàn) DSM。此外，該軟件還隨附 7 分鐘演示視頻，使用微型揚(yáng)聲器展示 DSM 軟件的影響。

圖 4：MAX98390CEVSYS# 套件包括了開發(fā) D 類音頻反饋系統(tǒng)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(shù)

在設(shè)計(jì)依靠觸覺反饋與用戶進(jìn)行交互的系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員可利用 [MAX77501EWV+]高效控制器驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)壓電致動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器針對驅(qū)動(dòng)高達(dá) 2 μF 的壓電元件進(jìn)行了優(yōu)化，可在 2.8 至 5.5 V 的電源電壓下，產(chǎn)生高達(dá) 110 V 峰峰值電壓 (Vpk-pk) 的單端觸覺波形。其可以使用預(yù)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?shù)膶?shí)時(shí)波形。多個(gè)波形可以動(dòng)態(tài)地分配到板載存儲器中，該存儲器可作為實(shí)時(shí)流傳輸?shù)南冗M(jìn)先出 (FIFO) 緩沖器。其利用集成式串行外設(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。此外，它還允許在開機(jī)的 600 μs 啟動(dòng)時(shí)間后進(jìn)行回放。為了確保高效率和最長的電池壽命，該控制器驅(qū)動(dòng)器采用了超低功耗的升壓架構(gòu)，待機(jī)電流為 75 μA，關(guān)斷電流為 1 μA。

要探索 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(dòng)器來驅(qū)動(dòng)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(shù)

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

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

總結(jié)

為元宇宙創(chuàng)建沉浸式交互環(huán)境是一項(xiàng)復(fù)雜而耗時(shí)的任務(wù)。為了加快這一過程，設(shè)計(jì)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(tǒng)的開發(fā)和評估平臺。