วิธีการใช้ไบโอเมตริก, ไบโอฟีดแบ็ค และการรับรู้สถานการณ์อย่างรวดเร็วสำหรับสภาพแวดล้อมเสมือนจริง

การสร้างสภาพแวดล้อมความเป็นจริงเสมือน (VR) ความเป็นจริงผสม (MR) ความเป็นจริงเสริม (AR) และความเป็นจริงขยาย (XR) สำหรับเมตาเวิร์สเป็นงานที่ซับซ้อน เพื่อช่วยสร้างสภาพแวดล้อมเหล่านี้ นักออกแบบสามารถได้รับประโยชน์จากการใช้ไบโอเมตริกเพื่อทำความเข้าใจปฏิกิริยาและสภาพร่างกายของผู้ใช้ ไบโอฟีดแบ็คเพื่อมีส่วนร่วมกับผู้ใช้ และการวิเคราะห์สถานการณ์เพื่อทำความเข้าใจสภาพแวดล้อม ไบโอเมตริกสามารถนำไปใช้กับเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดความไวสูงและเซ็นเซอร์วัดอัตราการเต้นของหัวใจ สามารถใช้ไบโอฟีดแบ็คผ่านเนื้อหาแบบเสียงหรือใช้การสัมผัสสำหรับการโต้ตอบแบบสัมผัส ประการสุดท้าย เซ็นเซอร์วัดระยะห่างวัตถุ (Time-of-Flight, ToF) เลเซอร์เปล่งพื้นผิวช่องแนวตั้ง (VCSEL) แบบสามมิติ (3D) ที่สามารถบันทึกได้ที่ 30 เฟรมต่อวินาที (fps) สามารถทำแผนที่สภาพแวดล้อมอย่างต่อเนื่องและสนับสนุนการรับรู้สถานการณ์

เมตาเวิร์สเป็นโอกาสในการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ซึ่งนักออกแบบอาจถูกกดดันให้พัฒนาอย่างรวดเร็วและรวมอาร์เรย์ที่จำเป็นของเทคโนโลยีการตรวจจับพลังงานต่ำและฟีดแบ็กตามโซลูชั่นแยก ในขณะที่ยังคงตอบสนองข้อจำกัดด้านเวลาสู่ตลาดและต้นทุนการพัฒนา นอกจากนี้ อุปกรณ์เมตาเวิร์สจำนวนมากใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ทำให้โซลูชั่นพลังงานต่ำเป็นสิ่งจำเป็น

เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ นักออกแบบสามารถใช้โซลูชันแบบบูรณาการที่รองรับเครื่องวัดค่าออกซิเจนในเลือดความไวสูงและอัตราการเต้นของหัวใจ ให้เสียงคลาส D ที่มีประสิทธิภาพสูงและการตอบสนองแบบสัมผัส และใช้โซลูชันการตรวจจับ ToF แบบ 3D ที่ใช้ VCSEL ซึ่งสามารถตรวจจับตำแหน่งของวัตถุได้ และขนาดที่มีความละเอียดระดับสูง แม้ในสภาวะที่มีแสงจ้า

บทความนี้จะทบทวนการทำงานของเครื่องวัดค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดและเซ็นเซอร์วัดอัตราการเต้นของหัวใจ ดูว่าแอมพลิฟายเออร์คลาส D สามารถให้เสียงตอบรับคุณภาพสูงและใช้พลังงานต่ำมากได้อย่างไร และนำเสนอชุดอาร์เรย์ไอซีที่ประหยัดพลังงานจาก Analog Devices สำหรับไบโอเมตริก ไบโอฟีดแบ็ค และการรับรู้สถานการณ์ พร้อมด้วยบอร์ดการประเมินผลที่เกี่ยวข้อง

ตรวจจับสภาพไบโอเมตริกซ์

โฟโต้เพลทีสโมแกรม (PPG) วัดการเปลี่ยนแปลงของปริมาณเลือดที่ระดับเส้นเลือดขนาดเล็ก และมักใช้ในการติดตั้งเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดและอัตราการเต้นของหัวใจ โดย PPG ใช้เลเซอร์ในการส่องผิวหนังและวัดการเปลี่ยนแปลงของการดูดกลืนแสง (หรือการสะท้อน) ที่ความยาวคลื่นเฉพาะ ซึ่งสัญญาณ PPG ที่เป็นผลลัพธ์ประกอบด้วยส่วนกระแสตรง (DC) และกระแสสลับ (AC) โดยที่การสะท้อนแสงอย่างต่อเนื่องของผิวหนัง กล้ามเนื้อ กระดูก และเลือดดำส่งผลให้เกิดสัญญาณ DC การเต้นของอัตราการเต้นของหัวใจของเลือดแดงเป็นแหล่งที่มาหลักของสัญญาณ AC แสงสะท้อนในช่วงความดันตัวบน (บีบตัว) มากกว่าในช่วงความดันตัวล่าง (คลายตัว) (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: สัญญาณ PPG ในการวัดค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดของชีพจรมีทั้งส่วน DC และ AC ที่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบต่างๆ เช่น โครงสร้างเนื้อเยื่อและการไหลเวียนของเลือดแดงตามลำดับ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

อัตราส่วนของหลอดเลือดที่เต้นเป็นจังหวะ (สัญญาณ AC) ต่อการไหลเวียนของเลือดที่ไม่เป็นจังหวะ (สัญญาณ DC) ในสัญญาณ PPG คือดัชนีการไหลเวียนเลือด (PI) การใช้ PI ที่ความยาวคลื่นต่างๆ กัน ทำให้สามารถประเมินระดับความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือด (S_pO₂) ซึ่งการออกแบบระบบ PPG ที่เพิ่มอัตราส่วน PI ให้สูงสุดจะเพิ่มความแม่นยำของค่า S_pO₂ ประมาณการ โดยสามารถเพิ่มอัตราส่วน PI ได้ผ่านการออกแบบเชิงกลที่ดีขึ้นและการใช้งานเซ็นเซอร์ที่มีความแม่นยำสูงขึ้น

สถาปัตยกรรมแบบส่งผ่านและแบบสะท้อนแสงสามารถใช้กับระบบ PPG (รูปที่ 2) โดยระบบส่งผ่านจะใช้กับส่วนของร่างกายที่แสงผ่านได้ง่าย เช่น ติ่งหูและปลายนิ้ว การกำหนดค่าเหล่านี้สามารถเพิ่มค่าใน PI ได้ตั้งแต่ 40 ถึง 60 เดซิเบล (dB) ใน PPG แบบสะท้อนแสง ตัวตรวจจับแสงและ LED จะอยู่เคียงข้างกัน สามารถใช้ PPG แบบสะท้อนแสงกับข้อมือ หน้าอก หรือบริเวณอื่นๆ ได้ การใช้การออกแบบการสะท้อนกลับช่วยลดอัตราส่วน PI และจำเป็นต้องใช้ฟรอนต์เอนด์แบบแอนะล็อกประสิทธิภาพสูง (AFE) บนเซ็นเซอร์ พื้นที่ว่างเป็นสิ่งสำคัญเช่นกันเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ AFE อยู่ในสภาวะอิ่มตัว นอกเหนือจากข้อพิจารณาด้านการออกแบบเครื่องกลและไฟฟ้าแล้ว การพัฒนาซอฟต์แวร์เพื่อแปลสัญญาณ PI อย่างถูกต้องอาจเป็นความท้าทายที่สำคัญ

รูปที่ 2: สามารถใช้ IR LED ตัวเดียวในเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดและเซ็นเซอร์วัดอัตราการเต้นของหัวใจ แต่การใช้ LED หลายตัวสามารถสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่มีคุณภาพสูงขึ้นได้ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ความท้าทายเพิ่มเติมในการออกแบบระบบ PPG คือความจำเป็นในการพิจารณาการเคลื่อนไหวของผู้ใช้ในขณะที่ทำการวัด การเคลื่อนไหวสามารถทำให้เกิดแรงดันที่สามารถเปลี่ยนความกว้างของหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ ส่งผลต่อการตอบสนองกับแสง ซึ่งจะเปลี่ยนสัญญาณ PI เนื่องจากทั้งสัญญาณ PPG และวัตถุเคลื่อนไหวทั่วไปอยู่ในช่วงความถี่ที่ใกล้เคียงกัน จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะกรองผลกระทบของการเคลื่อนไหวออกไป สามารถใช้ตัววัดความเร่งเพื่อวัดการเคลื่อนไหวแทนเพื่อให้สามารถยกเลิกได้

การตรวจวัด S_pO₂ & อัตราการเต้นของหัวใจ

สำหรับนักออกแบบที่ต้องการใช้ S_PO₂ และการตรวจวัดอัตราการเต้นของหัวใจ Analog Devices นำเสนอ MAXREFDES220# การออกแบบอ้างอิงที่ให้สิ่งที่จำเป็นในการสร้างต้นแบบโซลูชันอย่างรวดเร็ว รวมถึง:

• MAX30101 โมดูลวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดและอัตราการเต้นของหัวใจในตัว โมดูลนี้ประกอบด้วยไฟ LED ภายใน, เครื่องตรวจจับภาพ, องค์ประกอบออปติคัล, AFE ประสิทธิภาพสูง และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำอื่นๆ รวมถึงการตัดแสงโดยรอบ
• MAX32664 ฮับเซ็นเซอร์ไบโอเมตริกซ์ ออกแบบมาเพื่อใช้กับ MAX30101 ประกอบด้วยอัลกอริทึมสำหรับใช้งาน S_PO₂ และการตรวจวัดอัตราการเต้นของหัวใจ และมี I² อินเตอร์เฟส C สำหรับการสื่อสารกับหน่วยโฮสต์ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) อัลกอริทึมยังรองรับการรวมมาตรความเร่งสำหรับการแก้ไขการเคลื่อนไหว
• ADXL362 มาตรวัดความเร่งแบบสามแกนที่ใช้น้อยกว่า 2 ไมโครแอมแปร์ (µA) ที่อัตราข้อมูลเอาต์พุต 100 เฮิรตซ์ (Hz) และ 270 นาโนแอมแปร์ (nA) เมื่ออยู่ในโหมดเตือนด้วยการเคลื่อนไหว

คลาส D สำหรับฟีดแบ็คเสียง

ฟีดแบ็คเสียงสามารถเปิดโอกาสให้มีการโต้ตอบกับผู้ใช้ที่มีประสิทธิภาพ หรืออาจทำให้คุณภาพของประสบการณ์ลดลงหากคุณภาพเสียงไม่ดี ลำโพงขนาดเล็กที่ใช้ในสภาพแวดล้อมแบบสวมใส่ทั่วไปและสภาพแวดล้อม VR/MR/AR/XR อาจเป็นเรื่องยากที่จะใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพและประสิทธิผล วิธีหนึ่งในการแก้ไขปัญหานี้คือการใช้แอมพลิฟายเออร์อัจฉริยะคลาส D ที่เพิ่มประสิทธิภาพสูงพร้อมบูสต์คอนเวอร์เตอร์ในตัวและปรับพิกัดแรงดันไฟฟ้าเพื่อประสิทธิภาพที่สูงขึ้นโดยใช้กำลังเอาต์พุตต่ำ ฟังก์ชันการขยายเสียงอัจฉริยะในตัวสามารถเพิ่มระดับแรงดันเสียง (SPL) รวมถึงการตอบสนองของเสียงเบสเพื่อให้ได้เสียงที่สมบูรณ์และสมจริงยิ่งขึ้น

การออกแบบแอมพลิฟายเออร์อัจฉริยะเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน แต่แอมพลิฟายเออร์มาพร้อมกับตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัลในตัว (DSP) ที่ใช้แอมพลิฟายเออร์อัจฉริยะโดยอัตโนมัติและให้ประสิทธิภาพของลำโพงที่ดีขึ้น รวมถึงการตรวจจับแรงดันกระแสไฟฟ้า (IV) เพื่อควบคุมกำลังขับและป้องกันความเสียหายของลำโพง ด้วยการขยายสัญญาณอัจฉริยะ ลำโพงขนาดเล็กสามารถให้ SPL ที่สูงขึ้นและการตอบสนองเสียงเบสที่เพิ่มขึ้นได้อย่างปลอดภัย มีโซลูชันแบบบูรณาการที่เพิ่ม SPL ได้ 6 ถึง 8 เดซิเบล และขยายการตอบสนองเสียงเบสลงถึงหนึ่งในสี่ของความถี่เรโซแนนซ์ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: การขยายสัญญาณอย่างชาญฉลาดด้วยการออกแบบคลาส DG สามารถรองรับระดับ SPL ที่สูงขึ้นและการตอบสนองเสียงเบสที่ขยายในลำโพงขนาดเล็กได้อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

แอมพลิฟายเออร์คลาส D สำหรับฟีดแบ็คเสียง

MAX98390CEWX+T เป็นแอมพลิฟายเออร์อัจฉริยะคลาส D ที่มีประสิทธิภาพสูงพร้อมบูสต์คอนเวอร์เตอร์ในตัวและการจัดการลำโพงแบบไดนามิก (DSM) ของอุปกรณ์ Analog Devices เพื่อเสียงที่เหนือกว่าที่สามารถรองรับฟีดแบ็คเสียงคุณภาพสูงและมีประสิทธิภาพ แอมพลิฟายเออร์นี้มีสเกลแรงดันไฟฟ้าเพื่อประสิทธิภาพสูงที่กำลังเอาต์พุตต่ำ นอกจากนี้ บูสต์คอนเวอร์เตอร์ยังทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่ลดลงเหลือ 2.65 โวลต์ และมีเอาต์พุตที่ตั้งโปรแกรมได้ตั้งแต่ 6.5 ถึง 10 โวลต์ โดยเพิ่มขึ้นทีละ 0.125 โวลต์ บูสต์คอนเวอร์เตอร์มีเอนวีโลปแทร็กกิ้งเพื่อปรับแรงดันเอาต์พุตให้มีประสิทธิภาพสูงสุด พร้อมด้วยโหมดบายพาสสำหรับการทำงานกระแสไฟนิ่งต่ำ

แอมพลิฟายเออร์ที่ผ่านการบูสต์สามารถส่งกำลังขับได้สูงสุด 6.2 วัตต์ไปยังลำโพง 4 โอห์ม (Ω) โดยมีความผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกรวมเพียง 10% บวกกับสัญญาณรบกวน (THD+N) ประกอบด้วยการตรวจจับ IV ในตัวเพื่อป้องกันลำโพงจากความเสียหายและรองรับ SPL ที่สูงขึ้นและการตอบสนองเสียงเบสที่ต่ำลง

เพื่อเร่งการพัฒนาด้วย MAX98390C โดย Analog Devices นำเสนอชุดประเมิน MAX98390CEVSYS# ซึ่งประกอบด้วยบอร์ดพัฒนา MAX98390C, บอร์ดอินเทอร์เฟซเสียง, แหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์, ลำโพงขนาดเล็ก, สาย USB, ซอฟต์แวร์ DSM Sound Studio และซอฟต์แวร์ประเมิน MAX98390 (รูปที่ 4) ซอฟต์แวร์ DSM Sound Studio มีส่วนติดต่อผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) ที่ใช้ DSM ในกระบวนการสามขั้นตอนง่ายๆ นอกจากนี้ยังมีการสาธิตเจ็ดนาทีเกี่ยวกับผลกระทบของซอฟต์แวร์ DSM โดยใช้ลำโพงขนาดเล็ก

รูปที่ 4: ชุด MAX98390CEVSYS# ประกอบด้วยฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ทั้งหมดที่จำเป็นในการพัฒนาระบบตอบรับเสียงคลาส D (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

แฮปติคสำหรับการตอบสนองแบบสัมผัส

ผู้ออกแบบระบบที่อาศัยการตอบสนองแบบสัมผัสเพื่อดึงดูดผู้ใช้ให้หันมาใช้ MAX77501EWV+ ไดรเวอร์คอนโทรลเลอร์ประสิทธิภาพสูงสำหรับแอคทูเอเตอร์แบบเพียโซอิเล็กทริก ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการขับองค์ประกอบเพียโซ 2 ไมโครฟารัด (µF) และสร้างรูปคลื่นแฮปติคแบบปลายเดี่ยวได้สูงสุด 110 โวลต์พีคทูพีค (Vpk-pk) จากแรงดันไฟ 2.8 ถึง 5.5 โวลต์ สามารถทำงานในโหมดเล่นหน่วยความจำย้อนหลังด้วยรูปคลื่นที่บันทึกไว้ล่วงหน้า หรือใช้รูปคลื่นตามเวลาจริงที่สตรีมจาก MCU สามารถจัดสรรรูปคลื่นหลายรูปแบบแบบไดนามิกให้กับหน่วยความจำออนบอร์ด ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์แบบเข้าก่อนออกก่อน (FIFO) สำหรับการสตรีมแบบเรียลไทม์ การเข้าถึงและการควบคุมระบบเต็มรูปแบบ รวมถึงการรายงานข้อบกพร่องและการตรวจสอบ ได้รับการสนับสนุนด้วยอินเทอร์เฟซอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอนุกรม (SPI) นอกจากนี้ยังอนุญาตให้เล่นหลังจากเวลาเริ่มต้น 600 ไมโครวินาที (µs) จากการปิดเครื่อง เพื่อให้แน่ใจว่ามีประสิทธิภาพสูงและอายุแบตเตอรี่สูงสุด ไดรเวอร์คอนโทรลเลอร์นี้มีสถาปัตยกรรมบูสต์พลังงานต่ำพิเศษพร้อมกระแสสแตนด์บาย 75 μA และกระแสปิด 1 μA

ในการสำรวจความสามารถของไดรเวอร์เพียโซ MAX77501 นักออกแบบสามารถใช้ MAX77501EVKIT# ชุดประเมินซึ่งประกอบและทดสอบอย่างสมบูรณ์ ชุดนี้ช่วยให้ประเมิน MAX77501 ได้ง่ายและความสามารถในการขับเคลื่อนสัญญาณสัมผัสขนาดใหญ่ผ่านตัวกระตุ้นเซรามิกเพียโซ ชุดประกอบด้วยซอฟต์แวร์ GUI ที่ใช้ Windows สำหรับการสำรวจคุณสมบัติทั้งหมดของ MAX77501

ToF สำหรับการรับรู้สถานการณ์

การรับรู้สถานการณ์เป็นสิ่งสำคัญของสภาพแวดล้อม VR/MR/AR/XR ซึ่งแพลตฟอร์มการประเมิน AD-96TOF1-EBZ สนับสนุนด้านนี้โดยรวมบอร์ดส่งสัญญาณเลเซอร์ VCSEL และบอร์ดรับ AFE สำหรับการพัฒนาฟังก์ชันการรับรู้ของ ToF (รูปที่ 5) เมื่อจับคู่แพลตฟอร์มการประเมินนี้กับบอร์ดประมวลผลจากระบบนิเวศ 96Boards หรือตระกูล Raspberry Pi นักออกแบบจะได้รับการออกแบบพื้นฐานที่สามารถใช้ในการพัฒนาซอฟต์แวร์และอัลกอริทึมสำหรับการใช้งาน ToF เฉพาะการใช้งานที่มีความละเอียด 3D ระดับสูง ระบบสามารถตรวจจับและจัดระยะวัตถุภายใต้สภาวะที่มีแสงจ้า และมีโหมดการตรวจจับหลายช่วงเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด ชุดพัฒนาซอฟต์แวร์ (SDK) ที่ให้มามี OpenCV, Python, MATLAB, Open3D และ RoS เพื่อเพิ่มความยืดหยุ่น

รูปที่ 5: ระบบการรับรู้สถานการณ์ ToF ประสิทธิภาพสูงสามารถพัฒนาได้โดยใช้แพลตฟอร์มประเมินผล AD-96TOF1-EBZ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สรุป

การสร้างสภาพแวดล้อมที่สมจริงและโต้ตอบได้สำหรับเมตาเวิร์สเป็นงานที่ซับซ้อนและใช้เวลานาน เพื่อเร่งกระบวนการ นักออกแบบสามารถหันไปใช้โซลูชันขนาดกะทัดรัดและประหยัดพลังงานอย่างครบถ้วนจาก Analog Devices รวมถึงแพลตฟอร์มการพัฒนาและการประเมินสำหรับการตรวจจับด้วยไบโอเมตริกซ์ การตอบกลับทางชีวภาพ และระบบการรับรู้สถานการณ์

บทความแนะนำ

1. วิธีการใช้เซ็นเซอร์อุณหภูมิดิจิตอลความแม่นยำสูงในอุปกรณ์สวมใส่สำหรับตรวจสอบสุขภาพ
2. ใช้โมดูล Biosensing เพื่อพัฒนาอุปกรณ์สวมใส่เพื่อสุขภาพและฟิตเนส
3. วิธีเพิ่มประสิทธิภาพ SWaP ในสายสัญญาณ RF ประสิทธิภาพสูง